Elektrische Feldmodulation: Forschung von 2023 zu einer Bluetooth-Alternative

Bluetooth wird seit Jahrzehnten in Telefonen, Autos und Lautsprechern genutzt. Dieser Artikel untersucht eine Forschungsarbeit von 2023 über eine neue Technologie der University of Sussex. Elektrische Feldmodulation könnte bei Verbindungen über sehr kurze Entfernungen Energie sparen und kleinere Schaltungen ermöglichen.

Bluetooth verstehen

Bevor wir uns mit der elektrischen Feldmodulation und den damit verbundenen Vorteilen befassen, ist es wichtig zu verstehen, was Bluetooth ist und wie es funktioniert.

Was ist Bluetooth?

Bluetooth ist eine drahtlose Technologie, die den Austausch von Daten über kurze Entfernungen ermöglicht. Sie ist nach Harald Bluetooth benannt, einem König des 10. Jahrhunderts, der Dänemark und Norwegen vereinte und damit die Absicht der Technologie symbolisiert, Kommunikationsprotokolle zu vereinheitlichen.

Ericsson (ERIC ), ein schwedisches Telekommunikationsunternehmen, begann 1994 mit der Entwicklung als Alternative zu RS-232-Kabeln. Die erste Bluetooth-Spezifikation erschien 1999.

Frühe Versionen hatten Probleme mit der Interoperabilität. Bluetooth war jedoch bereits vor 2010 weit verbreitet. Version 4.0 führte in jenem Jahr Bluetooth Low Energy ein und erweiterte insbesondere Anwendungen mit niedrigem Energiebedarf.

Bluetooth wird zur Datei- und Audioübertragung sowie zur Kommunikation zwischen IoT-Geräten genutzt. Kopplung und Verbindungen können Probleme bereiten; der Stromverbrauch hängt von Version, Anwendung und Betriebsart ab.

Wi-Fi Direct und NFC erfüllen unterschiedliche Anforderungen an Geschwindigkeit, Reichweite und Energieverbrauch. Elektrische Feldmodulation ergänzt die Forschung für nahe beieinanderliegende Geräte. Ein allgemeiner Ersatz für Bluetooth ist damit nicht nachgewiesen.

Wie funktioniert es?  Elektromagnetische Modulation

Elektromagnetische Modulation ist eine grundlegende Technik, die in der drahtlosen Kommunikation, einschließlich Bluetooth, verwendet wird, um Informationen über elektromagnetische Wellen zu übertragen. Bei Bluetooth bedeutet dies, digitale Informationen auf Funkwellen im 2,4‑GHz‑Industrial‑Scientific‑Medical‑Band (ISM) zu codieren.

Modulation codiert Informationen durch Änderungen eines Signals. Im Folgenden stehen drei allgemeine Modulationsarten. Bluetooth verwendet nicht alle drei als eigenständige Übertragungsverfahren.

1. Amplitudenmodulation (AM): Die Amplitude der Welle wird verändert.
2. Frequenzmodulation (FM): Die Frequenz der Welle wird verändert.
3. Phasenmodulation (PM): Die Phase der Welle wird verändert.

Für Bluetooth speziell:

• Gaussian Frequency‑Shift Keying (GFSK): Frequenzänderungen codieren digitale Daten. Bluetooth Basic Rate und Bluetooth Low Energy verwenden GFSK.
• Enhanced Data Rate (EDR): EDR wurde mit Bluetooth 2.0 eingeführt. Der Paketkopf verwendet GFSK, während die Nutzdaten mit π/4-DQPSK oder 8DPSK phasenmoduliert werden, um die Datenrate zu erhöhen.
• Frequenzsprungverfahren: Sender und Empfänger wechseln koordiniert den Kanal. Das begrenzt die Auswirkungen von Interferenzen und Fading. Sicherheit erfordert getrennte Verfahren zur Authentifizierung und Verschlüsselung.

Bluetooth überträgt Daten je nach Betriebsart durch Frequenz- oder Phasenmodulation. Kanalwechsel verbessern die Störfestigkeit.

Verstehen der elektrischen Feldmodulation

Auf dieser Grundlage lassen sich der Ansatz mit elektrischen Feldern und mögliche Anwendungen betrachten.

Was ist elektrische Feldmodulation?

Elektrische Feldmodulation untersucht eine andere Möglichkeit, Daten über sehr kurze Entfernungen drahtlos zu übertragen.

Die Sussex-Forscher, darunter die Professoren Robert Prance und Daniel Roggen, stellten den Ansatz als mögliche energiesparende Verbindung zwischen nahen Geräten vor. Er nutzt elektrische Feldkopplung statt einer üblichen abgestrahlten Funkverbindung. Auch dies ist elektromagnetische Physik, kein Phänomen außerhalb des Elektromagnetismus.

Durch kontrollierte Änderungen des elektrischen Feldes können benachbarte Schaltungen Daten austauschen. Der ursprüngliche Artikel berichtete für den Prototyp 8-Bit-Mono-Audio bei 16 kHz Abtastrate, entsprechend 128 kbps. Er nannte eine Bitfehlerrate (BER) unter 10^−6.7 bei 50 cm und unter 10⁻⁴ bei 75 cm. Das sind berichtete Ergebnisse für den konkreten Versuchsaufbau, keine garantierten Leistungswerte jedes Geräts.

Die kurze Reichweite kann zu körpergetragenen und persönlichen Geräten passen, die nahe beieinander genutzt werden. Die Forscher erwarten, dass eine sparsamere Verbindung die Akkulaufzeit verlängern könnte.

Das Team schlug auch neue Interaktionsformen vor:

Sussex nennt den Austausch von Kontaktdaten per Handschlag und das Öffnen einer Tür durch Berührung des Griffs als mögliche Anwendungen.

Diese Ideen verbinden Datenkommunikation mit alltäglichen Handlungen und erfordern geeignete Geräte.

Mögliche Vorteile

Daniel Roggen, Professor für Ingenieurwesen und Design in Sussex, beschrieb die Möglichkeiten:

Elektrische Feldkopplung zwischen nahen Geräten könnte den Energiebedarf senken und neue Interaktionen mit Haushaltsgeräten ermöglichen.

Kosten und Schaltungsgröße beeinflussen die Verbreitung. Roggen schätzte:

Bei Massenproduktion ließe sich die Lösung möglicherweise in einen einzelnen Chip integrieren, der wenige britische Pence pro Gerät kostet.

Die potenziellen Vorteile betreffen vor allem Verbindungen über sehr kurze Entfernungen. Kosten, Stromverbrauch und Bedienbarkeit müssen für jede Anwendung bewertet werden. Im November 2023 suchte die Universität Industriepartner für die weitere Miniaturisierung.

Die mögliche Integration in eine kleine Schaltung macht den Ansatz für körpergetragene Geräte und Smart-Home-Produkte interessant. Das belegt weder eine allgemeine Überlegenheit gegenüber Bluetooth noch die kommerzielle Einsatzbereitschaft.

Mögliche Anwendungen

Denkbare Einsatzgebiete sind:

• Körpergetragene Geräte: Fitness-Tracker und Smartwatches könnten mit nahen Telefonen bei geringerem Energieverbrauch kommunizieren.
• Smart‑Home‑Interaktion: Beleuchtung oder Thermostate könnten durch Berührung gesteuert werden.
• Soziales und berufliches Networking: Kontakte oder Profile könnten per Handschlag geteilt werden.
• Sicherheitsanwendungen: Eine Berührung des Türgriffs könnte einen Zugang ohne physischen Schlüssel aktivieren. Sicherer Zugang erfordert weiterhin Authentifizierung.

Diese vorgeschlagenen Anwendungen kombinieren körperliche Bewegungen mit Datenkommunikation.

Unternehmen der Branche

Es ist hier nicht bestätigt, dass die folgenden Unternehmen gerade das Sussex-Verfahren einsetzen. Sie sind Beispiele für Unternehmen im Bereich drahtloser Konnektivität.

*Die Tabellen behalten historische Angaben des Artikels von 2023 bei, keine aktuellen Bewertungen. Marktkapitalisierung und EPS sind in US-Dollar angegeben. Broadcoms Werte je Aktie stammen aus der Zeit vor dem Aktiensplit 10:1 im Juli 2024. Intels erwartetes KGV und historisches EPS beziehen sich auf unterschiedliche Zeiträume.*

1.  NXP Semiconductors

NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI ), ein niederländischer Halbleiterhersteller, bietet ein breites Sortiment für drahtlose Kommunikation. Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, NFC und Ultra-Wideband werden in Fahrzeugen, IoT und Smart Homes eingesetzt. Die Technologien unterstützen genaue Ortung, drahtlose Steuerung und Standards wie Matter. NXP kaufte 2019 Marvells drahtlose Geschäftsbereiche. Die Lösungen werden im industriellen IoT sowie in Medizin- und Unterhaltungselektronik genutzt.

2.  Broadcom Inc.

AVGO Preisdiagramm

Broadcom Inc. (AVGO ) ist ein multinationales Unternehmen für Halbleiter und Infrastruktursoftware. Es bedient Märkte für kabelgebundene und drahtlose Kommunikation, Unternehmensspeicher und Industrie. Das Sortiment umfasst digitale und Mixed-Signal-CMOS-Schaltungen, analoge III-V-Produkte, Speicheradapter und Controller. Die Hauptsegmente sind Halbleiterlösungen und Infrastruktursoftware. Broadcom liefert auch Komponenten für drahtlose Kommunikation.

3.  Intel Corporation

INTC Preisdiagramm

Intel (INTC ) Corporation ist ein 1968 gegründeter US-Halbleiterhersteller. Intel trug zur Entwicklung von SRAM- und DRAM-Speichern bei und stellte 1971 den ersten kommerziell verfügbaren Mikroprozessor, den 4004, vor. Das Wachstum der Personal Computer in den 1980er-Jahren verstärkte den Fokus auf Mikroprozessoren. Im historischen Überblick von 2023 gehörten Prozessoren, Chipsätze, Netzwerkcontroller und Grafikchips zum Geschäft. Wettbewerb, unter anderem mit AMD, beeinflusste den Marktanteil und förderte strategische Veränderungen innerhalb der Halbleiterbranche.

Weitere börsennotierte Unternehmen

Die folgenden börsennotierten Unternehmen arbeiten ebenfalls in verwandten Technologiebereichen.

Abschließende Gedanken

Elektrische Feldmodulation ist ein interessanter Forschungsansatz für Kommunikation über sehr kurze Entfernungen. Die Sussex-Gruppe strebt geringeren Energiebedarf und neue Interaktionsformen an. Bluetooth bedient weiterhin eine breite Palette von Geräten und Anwendungen.

Weitere Entwicklung und die Integration in Produkte werden zeigen, wo die Methode praktische Vorteile bietet. Die Präsentation von 2023 beschreibt eine Entwicklungsmöglichkeit, keinen bereits fertigen Bluetooth-Ersatz.