In eine kabellose Zukunft dank drahtloser Kommunikation

Das Internet der ­Dinge wird ­zunehmend zur Realität, immer mehr ­Maschinen, Geräte, Gegenstände und letztlich auch Menschen ver­netzen sich. Einen wesentlichen Beitrag zu dieser Entwicklung liefern Wireless-­Technologien, mit denen eine unkomplizierte, flexible Vernetzung erst möglich wird.

Hausgeräte, Autos, Maschinen, Wearables – alle werden Teil des Internets der Dinge (Internet of Things oder auch IoT). Ein zunehmender Anteil der „Dinge“ ist dabei per Funktechnologie mit dem Internet verbunden. „Die sich abzeichnende IoT-Bewegung wirkt sich auf alle ­Bereiche der Industrie und nahezu alle Märkte aus – von den Rohstoffen über die Produktion bis hin zur Distribution und sogar zum Verbrauch der Endprodukte“, meint Jenalea Howell, Research Director für IoT ­Connectivity und Smart Cities bei IHS Markit. „Das ist eine sich ständig weiterentwickelnde Bewegung, die die Art und Weise, wie Menschen mit Maschinen, Informationen und sogar miteinander interagieren, verändert.“ Alleine der Datenverkehr von Smartphones, Tablets und mobilen PCs und Routern wird im Jahr 2023 die 100 Exabyte (EB) pro ­Monat überschreiten, so die aktuelle Ausgabe des Ericsson ­Mobility ­Reports. In 2017 lag das Volumen noch bei 17 EB pro ­Monat. Zum besseren Verständnis: 1 EB entspricht ungefähr dem Speichervermögen von 250 Millionen DVDs.

Die Wireless-Landschaft wird komplexer

Um dieses Datenvolumen sicher zu übertragen, werden die unterschiedlichsten Wireless-Technologien eingesetzt. Sie unterscheiden sich nach Datenrate, Latenz, Reichweite, Energieverbrauch und vielem mehr. Bis dato beherrschten vor allem die drei Technologien Mobilfunk, WiFi und Bluetooth die Wireless-Welt. Aber die drahtlose Landschaft wird immer komplexer: Neue Lösungen erfüllen spezifische Anforderungen aus verschiedenen Anwendungen wie zum Beispiel Bluetooth Low Energy (BLE) oder Mesh-Netzwerke wie Zigbee und Thread. Eine wichtige Rolle wird auch der zukünftige 5G-Mobilfunk spielen. Ebenfalls im Trend liegen verschiedene Low-Power Wide Area Networks (LPWANs), die Daten mit sehr wenig Energie über große Entfernungen übertragen können.

Halbleiterindustrie bietet Lösungen zur schnellen Wireless-Integration

Um die unterschiedlichsten Produkte schnell und einfach mit Funktechnologien auszurüsten, bietet die Halbleiterindustrie spezielle Chips mit entsprechenden Schnittstellen an. Dabei wird unterschieden zwischen Systems-on-a-Chip (SoC) und Modulen. Bei einem SoC handelt es sich um ­einen Mikrochip, der bereits alle nötigen elektronischen Schaltkreise und Komponenten für die Wireless-Funktion in einer integrieren Schaltung vereint. Diese Lösung ist preiswert und benötigt nur wenig Platz, erfordert aber für die Integration in das zu vernetzende Gerät noch einiges an Engineering. Zudem muss das System nach der Integration noch zertifiziert werden. Die schnellere Lösung sind Wireless-Module. Sie enthalten ebenfalls ein SoC, verfügen aber zusätzlich über alle benötigten Bauteile, Abschirmungen, Approbationen und Zertifizierungen. Module kosten daher deutlich mehr als ein SoC und benötigen, da sie auf einer eigenen Platine montiert sind, mehr Platz – auch wenn aktuelle Module nur wenige Millimeter groß sind. Aber mit ­einem Wireless-Modul lässt sich die Time-to-Market deutlich reduzieren und man kann mit ihnen auch ohne umfassende Funk-Expertise sein Produkt mit Wireless-Funktionen ausstatten.

Lösungen für mehr Flexibilität

Allerdings bleibt bei der Integration von Wireless-Technologie ein Problem: Welchen Funkstandard soll man denn nun wählen? Die Industrie bietet inzwischen Systeme und Module an, die die Antwort auf die Frage vereinfacht: Sie haben gleich mehrere Funk-Schnittstellen in einem Chip integriert. Eine andere Lösung ist das sogenannte Software Defined Radio (SDR). Hierbei können Frequenzband, Protokoll und Funktionalität durch Software-Download und -Update anstelle eines kompletten Hardware-Austauschs geändert werden.

Antennentechnologie erhöht ­Funkkapazitäten

Doch das immens steigende Datenvolumen, das per Wireless-Technologien übertragen wird, führt zu einem Problem: Die Kapazität des Funkfrequenz-Bandes ist endlich. Zudem besteht die Gefahr, dass die steigende Zahl von RF-Sendern sich gegenseitig stört. Die moderne Antennentechnologie bietet hierfür Lösungen: Mit der MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output) wird der Datenstrom über mehrere Sende- und Empfangsantennen übertragen, so lässt sich die Kapazität des Funknetzes erheblich steigern. Gleichzeitig kann ein Sender mit der Mehrantennentechnik durch das sogenannte Beamforming in verschiedene Richtungen individuelle Signale senden, so das Frequenzband besser ausnutzen und Funkstörungen reduzieren. Doch auch mit diesen Technologien wird das RF-Frequenzband schon in absehbarer Zeit an seine Grenzen stoßen.

Funken mit Licht

Die Alternative ist, zusätzlich einen anderen Frequenzbereich zu erschließen. Zum Beispiel Licht. Denn die Bandbreite von sichtbarem Licht ist 10.000-mal größer als die des RF-Bereichs. Tatsächlich befinden sich Systeme auf dem Sprung zur Marktreife, die mithilfe von Licht Daten übertragen. Diese LiFi genannten Lösungen modulieren das Licht mit einer Geschwindigkeit, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Erste Unternehmen bringen bereits entsprechende Lösungen auf den Markt.

„LiFi hat ein enormes Potenzial für das heutige digitale Zeitalter“, so zum Bespiel Olivia Qiu, Chief Innovation ­Officer von Philips Lighting. „Während es bei den Funkfrequenzbereichen bei der Datenübertragung zunehmend zu Engpässen kommt, ist das sichtbare Lichtspektrum eine ungenutzte Ressource mit großer Bandbreite für eine stabile Verbindung von mehreren IoT-Geräten gleichzeitig.“

Mit all diesen neuen Technologien ist der Weg frei für ein weiteres Wachstum des kabellos übertragenen Daten­volumens – und für viele neue Anwendungen im Internet der Dinge.

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Englische Version.