Elektrisk feltmodulering: forskning fra 2023 på et alternativ til Bluetooth

Bluetooth har vært brukt i flere tiår i telefoner, biler og høyttalere. Denne artikkelen omtaler forskning fra 2023 på en ny teknologi fra University of Sussex. Elektrisk feltmodulering kan muligens redusere energibruken i kommunikasjon over svært korte avstander og gjøre mindre kretser mulig.

Forstå Bluetooth

Først ser vi på hvordan Bluetooth fungerer.

Hva er Bluetooth?

Bluetooth er en trådløs teknologi for datautveksling over korte avstander. Navnet kommer fra Harald Blåtann, kongen som samlet Danmark og Norge på 900-tallet, og symboliserer sammenkobling av forskjellige enheter.

Ericsson (ERIC ), et svensk telekommunikasjonsselskap, startet utviklingen i 1994 som et alternativ til RS-232-kabler. Den første Bluetooth-spesifikasjonen ble publisert i 1999.

De første versjonene hadde problemer med samvirke mellom enheter. Bluetooth var likevel mye brukt allerede før 2010. Versjon 4.0 introduserte det året Bluetooth Low Energy og utvidet særlig bruksområder med lavt strømforbruk.

Bluetooth brukes til filoverføring, lyd og kommunikasjon mellom IoT-enheter. Paring og tilkoblinger kan gi problemer; energiforbruket avhenger av versjon, bruksområde og driftsmodus.

Wi-Fi Direct og NFC dekker andre behov for hastighet, rekkevidde og energi. Elektrisk feltmodulering er en ytterligere forskningsretning for enheter som er tett på hverandre. Det er ikke påvist at metoden erstatter Bluetooth i alle bruksområder.

Hvordan fungerer det?  Elektromagnetisk modulering

Modulering koder informasjon ved å endre et signal. Bluetooth bruker radiobølger i ISM-båndet på 2,4 GHz.

Dette er tre generelle moduleringsformer. Bluetooth bruker ikke alle tre som separate overføringsmetoder:

1. Amplitudemodulering (AM): Bølgens amplitude endres.
2. Frekvensmodulering (FM): Bølgens frekvens endres.
3. Fasemodulering (PM): Bølgens fase endres.

Spesielt for Bluetooth:

• Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK): Frekvensendringer koder digitale data. Bluetooth Basic Rate og Bluetooth Low Energy bruker GFSK.
• Enhanced Data Rate (EDR): EDR ble innført med Bluetooth 2.0. Pakkehodet bruker GFSK, mens nyttelasten bruker fasemodulering, π/4-DQPSK eller 8DPSK, for høyere datahastighet.
• Frekvenshopping: Sender og mottaker bytter kanal koordinert. Det begrenser påvirkning fra interferens og fading. Sikkerhet krever egne mekanismer for autentisering og kryptering.

Bluetooth overfører dermed data med frekvens- eller fasemodulering avhengig av driftsmodus. Kanalbytte gir bedre motstand mot interferens.

Forstå elektrisk feltmodulering

Med dette som bakgrunn kan vi undersøke metoden med elektriske felt og mulige bruksområder.

Hva er elektrisk feltmodulering?

Elektrisk feltmodulering undersøker en annen måte å sende data trådløst over svært korte avstander.

Sussex-forskerne, blant andre professorene Robert Prance og Daniel Roggen, presenterte metoden som en mulig energisparende forbindelse mellom nærliggende enheter. Den bruker elektrisk feltkobling i stedet for en vanlig utstrålt radioforbindelse. Dette er fortsatt elektromagnetisk fysikk, ikke et fenomen utenfor elektromagnetismen.

Ved å styre endringer i det elektriske feltet kan nærliggende kretser utveksle data. Den opprinnelige artikkelen oppga at prototypen sendte 8-bits monolyd med samplingsfrekvens 16 kHz, tilsvarende 128 kbps. Den rapporterte en bitfeilrate (BER) under 10^−6.7 ved 50 cm og under 10⁻⁴ ved 75 cm. Dette er rapporterte resultater for det konkrete forsøksoppsettet, ikke garantert ytelse for enhver enhet.

Den korte rekkevidden kan passe kroppsbårne og personlige enheter som brukes nær hverandre. Forskerne vurderer at en mer energieffektiv forbindelse kan forlenge batteritiden.

Gruppen foreslo også nye måter å samhandle på:

Sussex nevner deling av kontaktopplysninger gjennom et håndtrykk og åpning av en dør ved berøring som mulige bruksområder.

Ideene knytter datautveksling til daglige handlinger og krever egnet utstyr.

Mulige fordeler

Daniel Roggen, professor i ingeniørfag og design ved Sussex, beskrev mulighetene:

Elektrisk feltkobling mellom nærliggende enheter kan redusere energiforbruket og åpne nye måter å betjene apparater i hjemmet på.

Pris og kretsstørrelse påvirker mulighetene for utbredelse. Roggen anslo:

Ved masseproduksjon kan løsningen muligens integreres i én brikke til en kostnad på noen få britiske pence per enhet.

Mulige fordeler gjelder særlig forbindelser over svært korte avstander. Pris, strømforbruk og brukervennlighet må vurderes for hvert bruksområde. I november 2023 søkte universitetet industripartnere for videre miniatyrisering.

Muligheten for integrasjon i en liten krets gjør metoden interessant for kroppsbårne enheter og smarthusprodukter. Det viser ikke generell overlegenhet i forhold til Bluetooth eller kommersiell beredskap.

Mulige bruksområder

Mulige anvendelser omfatter:

• Kroppsbåren teknologi: Aktivitetsarmbånd og smartklokker kan muligens kommunisere med nærliggende telefoner med mindre energibruk.
• Samhandling i smarthus: Lys eller termostater kan muligens styres med berøring.
• Sosial og profesjonell nettverksbygging: Kontaktopplysninger eller profiler kan muligens deles med et håndtrykk.
• Sikkerhetsapplikasjoner: Berøring av et dørhåndtak kan aktivere nøkkelfri adgang. Sikker tilgang krever fortsatt autentisering.

Disse foreslåtte bruksområdene kombinerer fysiske bevegelser og datakommunikasjon.

Bransjeaktører

Det er ikke bekreftet her at følgende selskaper bruker nettopp Sussex-metoden. De er eksempler på selskaper innen trådløs tilkobling.

*Tabellene beholder historiske tall fra artikkelen i 2023, ikke dagens verdsettelser. Markedsverdi og EPS er i amerikanske dollar. Broadcoms tall per aksje er fra før aksjesplitten 10:1 i juli 2024. Intels forventede P/E og historiske EPS gjelder forskjellige perioder.*

1.  NXP Semiconductors

NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI ), en nederlandsk halvlederprodusent, har et bredt utvalg for trådløs kommunikasjon. Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, NFC og Ultra-Wideband brukes i kjøretøy, IoT og smarthus. Teknologiene støtter presis posisjonering, trådløs styring og tilkoblingsstandarder som Matter. NXP kjøpte Marvells trådløse virksomhet i 2019. Løsningene brukes innen industriell IoT samt medisinsk elektronikk og forbrukerelektronikk.

2.  Broadcom Inc.

AVGO Prisdiagram

Broadcom Inc. (AVGO ) er et flernasjonalt selskap innen halvledere og infrastrukturprogramvare. Det betjener markeder for kablet og trådløs kommunikasjon, datalagring for bedrifter og industri. Utvalget omfatter digitale CMOS-kretser og kretser for blandede signaler, analoge III-V-produkter, lagringsadaptere og kontrollere. Hovedsegmentene er halvlederløsninger og infrastrukturprogramvare. Selskapet leverer også komponenter til trådløs kommunikasjon.

3.  Intel Corporation

INTC Prisdiagram

Intel (INTC ) Corporation er en amerikansk halvlederprodusent grunnlagt i 1968. Intel bidro til utviklingen av SRAM- og DRAM-minne og introduserte den første kommersielt tilgjengelige mikroprosessoren, 4004, i 1971. Veksten i personlige datamaskiner på 1980-tallet styrket fokuset på mikroprosessorer. I den historiske oversikten fra 2023 omfattet virksomheten prosessorer, brikkesett, nettverkskontrollere og grafikkbrikker. Konkurranse fra blant andre AMD påvirket markedsandelen og drev strategiske endringer innen halvlederbransjen.

Andre børsnoterte selskaper

Følgende børsnoterte selskaper arbeider også innen beslektede teknologiområder:

Avsluttende tanker

Elektrisk feltmodulering er en interessant forskningsretning for kommunikasjon over svært korte avstander. Sussex-gruppen sikter mot lavere energiforbruk og nye former for samhandling. Bluetooth brukes fortsatt i en rekke enheter og bruksområder.

Videre utvikling og integrasjon i produkter vil vise hvor metoden gir praktiske fordeler. Presentasjonen fra 2023 beskriver en utviklingsmulighet, ikke en ferdig erstatning for Bluetooth.