Ein Forscherteam der TU Dortmund zeigt neue Wege auf, wie Akkulaufzeiten ohne Einschränkung des Nutzungsverhaltens verlängert werden können. Hierfür ist das Team um Prof. Christian Wietfeld vom Lehrstuhl für Kommunikationsnetze der TU Dortmund im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs (SFB) 876 den Ursachen für die begrenzten Akkulaufzeiten auf den Grund gegangen. Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse in einem anschaulichen Experiment, dem ChocoLaTE fondue-to-go, auf Video dokumentiert.

Die neue Mobilfunktechnik LTE (Long Term Evolution) lädt aufgrund der hohen Datenraten dazu ein, auch große Datenmengen mobil zu übertragen und auf Multimediadaten, beispielsweise hochauflösende Videos, über das Smartphone zuzugreifen. Wenngleich sich die Nutzer von Smartphones in den letzten Jahren bereits daran gewöhnt haben, den Akku ihres Geräts nachts nachzuladen, wird bei der intensiven Verwendung von LTE das Ladegerät in Zukunft auch im Büro oder dem Auto sehr viel häufiger zur Anwendung kommen müssen. Denn unter ungünstigen Bedingungen kann der LTE-Smartphone-Akku schon nach deutlich weniger als zwei Stunden leer sein. Bei LTE-Nutzern der ersten Stunde ist daher die begrenzte Akkulaufzeit ein derzeit heiß diskutiertes Thema.

In dem Dortmunder Laborexperiment wird die von einem unter extremen Bedingungen betriebenen LTE-Datenstick abgegebene Wärme zum Schmelzen von Schokolade verwendet. Denn wenn das LTE-Funknetz große Datenmengen übertragen muss und das Endgerät gleichzeitig keine gute Verbindung zur nächsten Basisstation hat, schaltet die LTE-Hardware um in einen „Vollgas“-Modus. In diesem Zustand wird trotz der sehr begrenzten Sendeleistung der Akku stark belastet und dabei viel Abwärme erzeugt. Dies ist vergleichbar mit einer Glühbirne, bei der ein Großteil der Leistungsaufnahme als Wärmeenergie verloren geht. Nach 45 Minuten des Dauerbetriebs im Versuchsnetz mit maximaler Datenrate entsteht so viel Wärme, dass sich die Schokolade als ChocaLaTE-fondue-to-go genießen.

Aber es geht auch anders: „Durch die optimierte Wahl der LTE Systemparameter kann die Energieeffizienz bereits für die heute existierende Hardware deutlich erhöht werden. Und dies führt insbesondere bei schlechten Funkverbindungen zu einer überproportionalen Optimierung der Leistungsaufnahme“, erklärt Prof. Wietfeld. „Unsere Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Akkulaufzeit von LTE-fähigen Endgeräten mit Hilfe intelligenter Zuweisung der Funkkanäle deutlich zu verlängern. Dabei spielt die Anpassung an die jeweilige Umgebung in Kombination mit dem Nutzungsverhalten, wissenschaftlich als Kontext bezeichnet, eine wesentliche Rolle.

Befindet sich ein Nutzer an einem Ort mit einer z.B. durch benachbarte Gebäude gestörten Verbindung zur Basisstation, kann mit der vorgeschlagenen Optimierung der Funkkanalparameter ein Gewinn von bis zu 75 Prozent erzielt werden. Etwa 25 Prozent können alleine durch geeignete Wahl des Frequenzbandes gewonnen werden.“ Für das oben angesprochene Experiment bedeutet dies, dass die Abwärme nicht mehr ausreicht, um die Schokolade zu schmelzen (siehe Abbildung 2). Der Akku hält entsprechend länger durch.

Die von Prof. Wietfeld und seinen Mitarbeitern erforschten Optimierungen des LTE-Systems sind ein wichtiger Beitrag zum DFG-Sonderforschungsbereich 876, in dem sich an der TU Dortmund über 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit der Analyse von großen Datenmengen unter Ressourcenbeschränkungen beschäftigen. „Die Ressource Energie spielt eine entscheidende Rolle in jedem batteriebetriebenen, eingebetteten Sensorsystem, beispielsweise für neuartige, mobile Atemanalysespektrometer, wie sie in Zukunft für die Gesundheitsvorsorge zum Einsatz kommen können“, erläutert Prof. Katharina Morik, die Sprecherin des Sonderforschungsbereiches.

Morik: „Durch die übergreifende und enge Zusammenarbeit von Forscherinnen und Forschern der Informatik, Elektrotechnik, Physik und weiteren Disziplinen gelingt es, ganz neue, verteilte Datenanalysealgorithmen in ressourceneffizienter Form umzusetzen. Damit leistet der SFB einen Beitrag dazu in Verkehr, Logistik und Medizin mit kleinsten Geräten komplexe Daten zu analysieren, was bisher nur auf Großrechnern denkbar war.“

Webseite: www.cni.tu-dortmund.de

Link zum Video:

www.kn.e-technik.tu-dortmund.de/forschung/699pressemitteilung-schoko-fondue?lang=de

Informationen zum wissenschaftlichen Hintergrund:

B. Dusza, C. Ide, L. Cheng and C. Wietfeld, „CoPoMo: A Context-Aware Power Consumption Model for LTE User Equipment“, Transactions on Emerging Telecommunications Technologies (ETT), Wiley. 2013.

B. Dusza, C. Ide, L. Cheng and C. Wietfeld, „An Accurate Measurement-Based Power Consumption Model for LTE Uplink Transmissions“, IEEE INFOCOM (Poster), Turin, Italy, Apr 2013.

B. Dusza, C. Ide and C. Wietfeld, „Quantitative Bewertung des Einflusses von Kontext- und Systemparametern auf die Batterielaufzeit von LTE Endgeräten“, Proc. of the 18th VDE/ITG Fachtagung Mobilkommunikation, Osnabrück, Germany, May 2013.