Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Energy Harvesting – Energie aus der Umwelt, Teil 4: Strahlungsenergie
Unter Strahlungsenergie versteht man elektromagnetische Felder jeglicher Frequenz. Der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums lässt sich beispielsweise durch Solarzellen zur Gewinnung elektrischer Energie „anzapfen“.
ABS – Ambient Backscattering
Einen Schritt weiter geht das Konzept des „Ambient Backscattering“, übersetzt etwa „Rückstreuung im Umfeld“. Mit diesem Verfahren können batterielose Mini-Ultra-Low-Power-Geräte im nahezu allgegenwärtigen Funkfeld eines Rundfunk-, WiFi- oder Mobilfunksenders miteinander auf kurze Distanzen kommunizieren. Eine detaillierte Beschreibung des an der University of Washington entwickelten Verfahrens findet man in [1].
Funktionsweise
ABS tritt in einem elektromagnetischen Feld immer dann auf, wenn die Welle auf eine Inhomogenität der Ausbreitungsbedingungen auf ihrem Ausbreitungspfad trifft. Im Falle eines TV-Senders kann dies ein Hochhaus sein, aber auch die um Größenordnungen kleinere Antenne eines Sender-Empfängers (Transceiver), der seine Betriebsenergie aus dem TV-Sender-Feld „erntet“. Indem man deren Impedanz im Rhythmus einer digitalen Sendenachricht ändert, wird die Welle am Ort der Antenne mehr oder weniger stark reflektiert. Eben diesen Vorgang nennt man Ambient Backscattering.
Die Antenne eines Empfängers in kleinem Abstand zum Sender findet nun das ursprüngliche elektromagnetische Feld zuzüglich eines geringen, vom Sender mit der Nachricht modulierten, reflektierten Anteils vor. Wenn der Empfänger diesen isoliert, ist er im Besitz der Nachricht, ohne dass der Sender ein eigenes elektromagnetisches Feld für deren Übertragung erzeugen musste. Er benutzt gewissermaßen die ohnehin vorhandenen hochfrequenten Wellen des Feldes. Für einen in der Nähe befindlichen digitalen TV-Empfänger ist das Rückstreusignal nur ein weiterer winziger Multipath-Anteil in seinem Empfangssignal, den er durch seine inhärente Resistenz ignoriert. Wenn Backscatter-Sender und TV-Empfangsantenne also nicht unmittelbar nebeneinander liegen, sind keine Bild- und Tonstörungen zu erwarten.
Frequenz und Signal
Die Frequenz des TV-Feldes ist mit einigen 100 MHz erheblich höher als die Backscatter-Frequenz von wenigen Kilohertz. Deshalb kann man mittels geeigneter Durchschnittsbildung aus dem Signalgemisch an der Empfängerantenne das ABS-Signal wiedergewinnen. Das ist darin begründet, dass Abtastwerte des TV-Signals während der vergleichsweise langen ABS-Perioden weitgehend unkorreliert sind.
Prototyp und Anwendung
Anhand mehrerer Prototypen wurde die Realisierbarkeit des ABS-Konzepts belegt. Damit ließen sich Daten mit einer Rate von 1 kbit/s bis zu einem Meter weit übertragen. Eine Referenzanwendung, bei der ein geleertes Regalfach im Supermarkt automatisch auf sich aufmerksam macht und das Nachfüllen veranlasst, war erfolgreich. Die Entwickler glauben, durch Optimierung der Bausteine ihres Systems, Reichweite und Übertragungsbandbreite deutlich steigern zu können.
Literatur:
[1] PDF: Ambient Backscatter, Wireless Communication Out of Thin Air. University of Washington, https://homes.cs.washington.edu/~gshyam/Papers/amb.pdf.
Autor: K. Jungk