Forscher der University of Washington haben einen passiven WLAN-Sender gebaut, der im Betrieb nur ein Zehntausendstel der regulären Leistung verbraucht. Das System arbeitet mit dem 802.11b-Standard und ist so mit allen herkömmlichen WLAN-Netzen kompatibel. Für eine Bandbreite von 1 Mbps und 11 Mbps braucht der Sender nur eine Leistung von 14,5 μW und 59,2 μW. Zusätzlich haben die Forscher einen Empfänger gebaut, der 160 kbps mit einem Energieverbrauch von 18 μW empfangen kann.
Dieser Artikel ist heute früh auch bei Golem erschienen. Das Titelbild stammt aus dem Promo-Video der Forscher. Tut mir leid, dass es jetzt fast eine Woche still war auf dem Blog. Aber es hatte mich erst eine wirklich heftige Grippe und dann die liegengebliebene Arbeit ziemlich fest im Griff. Sonderlich viel besser wird es diesen Monat leider auch nicht werden, weil ich noch einen Umzug vor mir habe.
Passive Funksender sind keine neue Idee. Schon 1945 wurde die US-Botschaft mit einem passiven Mikrophonsender abgehört, der keine eigene Stromquelle brauchte. Die Energie für das Signal wird von einem anderen Sender bereitgestellt, der passive Funksender muss dieses vorhandene Signal nur noch so verändern, dass es die gewünschte Information trägt. Eine Energieeinsparung ist mit passiven Sendern also nicht verbunden, nur eine Entlastung des Endgeräts.
Wirklich neu an der Entwicklung ist die Kompatibilität zu einem gängigen WLAN-Standard. Ähnliche Systeme wurden auch schon zuvor entwickelt, brauchten aber spezielle Hardware, um die Signale zu empfangen. Mit dem neuen System der Forscher aus Washington genügt dagegen ein Smartphone oder ein anderes WLAN-kompatibles Gerät.
Senden lassen statt selbst senden
Das Herzstück der Anlage ist ein Sender, der eine “Trägerwelle” bereitstellt und auch den Netzwerkverkehr reguliert. Über den Energieverbrauch dieses Senders machen die Forscher keine Angaben. Er ist mit dem normalen Stromnetz verbunden.
Anstatt Strom zu verbrauchen, um mit der Antenne ein eigenes Signal zu senden, verändert ein passiver Sender nur die Impedanz einer Antenne, mit der das passive WLAN-Signal erzeugt werden soll. Wenn eine Radiowelle auf eine Antenne trifft, dann wird sie von der Antenne wieder ausgestrahlt oder “reflektiert”, wenn an der Antenne keine Last anliegt. Diese Welle wird nun, je nach Impedanz der Antenne, mit der gleichen oder der entgegengesetzten Phase der ursprünglichen Welle ausgesendet werden.
Die Idee ist nun, eine zusätzliche Impedanz einfach mit einem Schalter zur Antenne dazu zu schalten. Der verwendete IC kann das mit minimalem Energieverbrauch bei hohen Frequenzen tun. Das so erzeugte Signal wäre aber viel zu schwach und würde in der Trägerwelle untergehen. Deswegen liegt die Trägerwelle auch nicht in einem typischen WLAN-Band. Es wird auf einer festen Frequenz ausgesendet, die leicht außerhalb des WLAN-Funkbandes liegt.
Geschickt ausgenutzte Spezifikationen
Laut Spezifikation müssen alle WLAN-Empfänger in der Lage sein, so ein Signal auszufiltern. Erst wenn dieses Signal moduliert und die Frequenz in das gewünschte WLAN-Band verschoben wird, wird es für einen normalen WLAN-Empfänger überhaupt sichtbar. Dazu wird die Impedanz der Antenne mit einer bestimmten Frequenz immer wieder umgeschaltet, wodurch sich diese Frequenz mit der Frequenz der Trägerwelle überlagert. Dadurch verschiebt sich die Frequenz des gesendeten Signals. Durch leichte Veränderungen im genauen Timing der Schaltvorgänge können auch die nötigen Phasenveränderungen erzeugt werden, mit denen im WLAN-Protokoll die Daten übertragen werden.
Wichtig ist, dass zu keinem Zeitpunkt Energie aufgewendet werden muss, um das Funksignal in der Antenne selbst zu erzeugen. Die Energie dafür kommt vollständig aus der Trägerwelle des zentralen Senders. Dieser Sender übernimmt auch die Verwaltung der Netzwerktätigkeit für den passiven Sender. Der passive Sender kann keine normalen WLAN-Signale empfangen und verarbeiten, ohne die Energieeinsparung zunichte zu machen. Das müsste er aber tun, um sich an das normale Protokoll halten zu können.
Stattdessen übernimmt das Gerät mit dem zentralen Sender die Formalitäten. Um den passiven Sendern mitzuteilen, wann sie senden können, kommuniziert der zentrale Sender über einfaches Ein- und Ausschalten der Trägerwelle. Die Verarbeitung dieser Signale ist weniger energieaufwendig, dafür ist die Bandbreite in der Richtung auf 160 kbps beschränkt.
Wie die genauen Anwendungen dieser Technik aussehen, muss sich erst noch zeigen. In jedem Fall werden die Endgeräte von den aktiven Sendern abhängig sein, Mobilität wird damit schwierig. Das würde sich erst ändern, wenn die Technik für den stationären Sender in andere Geräte integriert wird, so dass sie überall vorhanden ist. Solange die energiesparenden WLAN-Sender aber nur in der eigenen Wohnung arbeiten müssen oder an einem Standort in einer Firma, ist das System ideal.
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