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Höhere Vernetzung, Geringerer Stromverbrauch

Mit der explodierenden Zahl an vernetzten Geräten und dem rasant steigenden Datenvolumen rückt die ­Energieeffizienz der Wireless-Technologie zunehmend in den Fokus. Neue Materialien und intelligente, applikationsspezifische Funkverfahren sorgen dafür, dass trotz zunehmender ­Vernetzung der Stromverbrauch nicht ­proportional steigt.

Vernetzte IT-Anwendungen können einen großen ökologischen Beitrag leisten – das Smart Grid oder intelligente Verkehrsmanagementsysteme sind dafür nur zwei Beispiele.
Weltweit könnten so bis zu 9 Milliarden Tonnen CO2 eingespart werden, so die Schätzung der Global e-Sustainability Initiative (GeSI).

Doch auf der anderen Seite benötigen vernetzte Systeme auch Energie: „Schon jetzt verbrauchen Internetnutzer beim Streamen von Musik und Filmen gigantische Mengen an Strom“, sagt Niklas Schinerl, Greenpeace-Experte für Energie. „Wäre das Internet ein Land, so hätte es weltweit den sechstgrößten Stromverbrauch.

Hält man sich dann vor Augen, wie rasant sowohl die Anzahl vernetzter Geräte, als auch das übertragene Datenvolumen in den nächsten Jahren steigen wird, ist eines klar: Energieeffizienz ist bei der Vernetzung ein zentrales Thema.


Jedes übertragende Bit braucht Energie

Das gilt gerade für Wireless-Technologien, denn jedes Bit an Information benötigt einen bestimmten Energiebetrag, wenn es per Funk übertragen wird. Forschung und Industrie verfolgen daher mehrere Strategien, um die Energieeffizienz bei Funkanwendungen zu verbessern. Der erste Ansatz besteht darin, die Funkverfahren an den tatsächlichen Bedarf der Datenübertragung anzupassen. Nicht jedes IoT-Gerät muss ständig online sein oder die Fähigkeit haben, enorm große Datenmengen in kurzer Zeit zu übertragen.

So wird zum Beispiel beim Standard Bluetooth Low Energy (BLE) das Gerät die meiste Zeit im Ruhezustand gehalten. Erst wenn Daten tatsächlich übertragen werden müssen, wacht das Gerät auf und überträgt eine kurze Nachricht. Darüber hinaus ist bei BLE alles, vom physischen Design bis hin zu den Anwendungsmodellen, darauf ausgelegt, den Stromverbrauch auf ein Minimum zu senken. Der aktive Stromverbrauch reduziert sich so auf ein Zehntel des Energieverbrauchs von klassischem Bluetooth. In Anwendungen mit niedriger Einschaltdauer kann so eine Knopfzellenbatterie einen zuverlässigen Betrieb von fünf bis zehn Jahren gewährleisten.


Milliarden vernetzter Dinge brauchen Strom

Gerade im Hinblick auf das Internet der Dinge spielen auch bei Wide Area Networks (WAN) Wireless-Geräte eine wichtige Rolle, die sparsam mit Energie umgehen. Viele IoT-Anwendungen basieren auf kleinen, preiswerten, batteriebetriebenen Geräten. Sie sammeln und übertragen nur minimale Datenmengen, oftmals in unregelmäßigen Abständen, und können sich über ausgedehnte Flächen verteilen. Ein typisches Beispiel sind Sensornetzwerke in Smart Cities. Die Zahl der Geräte könnte dabei in die Millionen gehen, und es wird erwartet, dass sie nicht nur für ein paar Jahre, sondern für Jahrzehnte ohne großen Wartungsaufwand funktionieren – sie stellen also ähnliche Anforderungen an die Wireless-Technologie wie PAN-Anwendungen, müssen allerdings Daten über weitaus längere Strecken übertragen können.
Inzwischen existieren einige speziell auf diese Anforderungen zugeschnittene Technologien wie LoRaWAN, Weightless, NarrowBand-IoT oder Sigfox. Bei Letzterem handelt es sich um ein System des gleichnamigen französischen Unternehmens, das mit dem Übertragungsstandard auch gleich eigene Low-Power-WAN aufbaut. Dadurch, dass die Lösung nur Kurznachrichten mit 12 Bytes pro Nachricht mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit von 100 Bitps überträgt, ist der Energiebedarf sehr gering.


Kleinere Mobilfunkzellen reduzieren Leistungsbedarf

Andere Anwendungen im Internet der Dinge sind dagegen datenintensiv und erfordern hohe Übertragungsraten, wie zum Beispiel Lösungen rund um das autonome Fahren. Dies wird der zukünftige Mobilfunkstandard 5G erfüllen: Mit ihm steigt die Datenkapazität des Netzwerks im Laufe des nächsten Jahrzehnts um das Tausendfache.
Gleichzeitig soll aber auch die weltweite Energieaufnahme für das Mobilfunknetz halbiert werden. Um dies umzusetzen, muss der Gesamtwirkungsgrad des Netzwerks erheblich steigen. Ein Baustein dazu ist die Antennentechnologie: Intelligente Antennen senden nicht mehr wie herkömmliche Sendestationen ihre Signale ungerichtet in die Umgebung, sondern schicken nur noch ein konzentriertes Signal in Richtung des Mobilfunknutzers. Gleichzeitig wird das 5G-Netz aus vielen kleinen Sendestationen aufgebaut – durch diese Pico- oder Femto-Zellen rückt der Nutzer viel näher an den Übertragungspunkt.
In der Summe sinkt so der Leistungsbedarf für die Signalübertragung erheblich.


Neue Materialien für Mobilfunk-Elektronik

Zusätzlich sollte, gerade in mobilen IoT-Anwendungen, auch die 5G-Elektronik selbst nur wenig Energie verbrauchen. Im Fokus stehen dabei die Leistungsverstärker in den Basisstationen. Sie stellen die notwendigen Funkfrequenzen bereit, über die Daten übertragen werden. Heute übliche Systeme haben den Nachteil, dass mit hohen Frequenzen die Effizienz sinkt. Eine Lösung versprechen hier Mikrochips aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN).
Durch seine spezielle Kristallstruktur können auch bei hohen Frequenzen dieselben Spannungen angelegt, also mehr Leistung erzielt, werden. Mit diesen innovativen Bauelementen kann so der Leistungsbedarf von Mobilfunk-Basisstationen gegenüber konventionellen Technologien um 75 Prozent reduziert werden.
Der Einsatz von GaN-Leistungsverstärkern für das Mobilfunknetz könnte allein in Deutschland pro Jahr rund 1,5 Mio. Tonnen CO² einsparen. Die Forschung an neuen Materialien für die 5G-Elektronik lohnt sich also, wie auch Professor Hubert Lakner, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik, betont: „Es sind neue Hardwarekomponenten erforderlich, die enorme Datenmengen mit höchster Geschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigstem Energieverbrauch verarbeiten können.“

 

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Englische Version.

 

Dieser Artikel wurde in EBV’s Wissensmagazin The Quintessence Ausgabe 23-2018 veröffentlicht. Erfahren Sie mehr und bestellen Sie ihre kostenlose Ausgabe.

 

 

 

 

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