TU Eindhoven opent nieuw lab voor onderzoek naar draadloze communicatie & wifi

We gebruiken steeds meer intelligente apparaten in en om het huis waarbij draadloze communicatie een steeds grotere rol speelt. In een nieuw lab van de TU Eindhoven onderzoeken ze daarom intelligente antennes, slimme temperatuursensoren en razendsnelle wifi-netwerken van de toekomst. Kennislink nam er een kijkje.

20 oktober 2015

Het lijkt op de kluisdeur van een bank, de deur die toegang geeft tot het nieuwe lab voor draadloze communicatie van de TU Eindhoven. Binnen vind je echter geen bankbiljetten of sieraden, maar nieuwe technologie. Wetenschappers ontwikkelen hier apparaten voor onder meer het internet van de toekomst.

Het nieuwelaboratorium voor draadloze communicatie bestaat uit meerdere ruimtes, is volledig ingeblikt en bevindt zich op de achtste verdieping van gebouw Flux van de TU Eindhoven. — Het nieuwe laboratorium voor draadloze communicatie bestaat uit meerdere ruimtes, is volledig ingeblikt en bevindt zich op de achtste verdieping van gebouw Flux van de TU Eindhoven.
Bart van Overbeeke, 2015 (TU/e)

Die dikke deur is geen toeval. Het gehele lab is zo ontworpen dat alles wat storingen veroorzaakt – zoals trillingen en radiosignalen – buiten blijft. “Het is als het ware ingeblikt”, zegt Rainier van Dommele, technicus van dit CWTe lab en nauw betrokken bij het ontwerp en de bouw van het lab.

Slim huis

“De wanden en vloeren bevatten extra stalen platen en zelfs de stoelen zijn zo gemaakt dat ze geen trillingen veroorzaken. Op die manier kunnen we de werking van draadloze communicatie goed testen. En weten we zeker dat een versterker bijvoorbeeld niet per ongeluk een signaal gebruikt van een nabijgelegen radiomast”, vertelt hij.

Een van de lange ruimten van het lab, met op de voorgrond de *Mobile Anechoic Chamber*.
Bart van Overbeeke, 2015 (TU/e)

Het nieuwe lab is nodig, omdat steeds meer communicatie door de lucht gaat. Bijvoorbeeld als je wifi gebruikt op je laptop of mobiele telefoon. Of via Bluetooth muziek naar een speaker verzendt. Wetenschappers verwachten dat deze manier van communiceren alleen maar toeneemt, als steeds meer apparaten met elkaar gaan praten. Denk maar aan een slim huis, waarin intelligente afwasmachines, thermostaten en koelkasten staan.

Dit wordt wel de Internet of Things genoemd, apparaten zijn dan via een netwerk met elkaar en het internet verbonden en wisselen gegevens uit. Een koelkast heeft dan bijvoorbeeld door als de melk op is en bestelt automatisch een nieuw pak. Of de verlichting gaat aan, wanneer je thuis komt. Het is dan al warm in de woonkamer, want de slimme thermostaat is gekoppeld aan je agenda en auto en wist wanneer je naar huis ging.

De anechoische kamer, een ruimte zonder echo’s.
Bart van Overbeeke, 2015 (TU/e)

Kamer zonder echo

Al die communicatie dient natuurlijk vlekkeloos te verlopen. Het is nu vaak al vervelend als een wifi-signaal niet doorkomt. “We moeten er voor zorgen dat al die technologie energiezuinig en toch snel werkt. Maar dat staat op gespannen voet met elkaar. Je wilt natuurlijk niet heel veel energie kwijt zijn aan de voeding of hele trage communicatie hebben. Daarom is veel onderzoek in dit lab nodig”, zegt Sonia Heemstra de Groot, hoogleraar bij het Center for Wireless Technology van de TU Eindhoven.

Daarbij spelen allerlei onderdelen een belangrijke rol. Van Dommele en Heemstra de Groot wijzen binnen in het lab op een printplaatje met een chip erop en heel veel verschillende draadjes. “Mobiele telefoons ontvangen nog analoge signalen van zendmasten. Deze chip zet dit om in een digitaal signaal. We kijken er hier naar hoe dit sneller, energiezuiniger en nauwkeuriger kan”, legt Heemstra de Groot uit. “We zoeken voortdurend de grenzen op, want we willen ook nog eens dat alles steeds kleiner wordt.”

Antennes die informatie verzenden en ontvangen spelen een belangrijke rol binnen draadloze communicatie en dus ook in het lab. Maar hoe weet je precies of alles goed werkt? Dat wordt getest in een speciale kamer, een van de pronkstukken van het lab. Deze zogeheten anechoische kamer heeft allemaal piepschuimachtige stekels, die elektro-magnetische straling absorberen en het weg laten vloeien via de muur. “Het is een kamer zonder echo”, zegt Van Dommele binnen. “Een antenne ziet dit als een oneindig grote ruimte. Hier meten de onderzoekers heel precies waar signalen naar toe gezonden worden. Bijvoorbeeld precies in de richting van een mobiele telefoon of laptop.”

Gebundelde straling

In het laboratorium staat een geheimzinnige zwarte kap, die met een druk op de knop rond gaat draaien. Het is een zogeheten mobiele anechoische kamer: een kap met speciaal geïmpregneerd piepschuim dat driedimensionaal in beeld brengt in welke richting en met welke sterkte een antenne straling uitzendt. Het is belangrijk dat de straling van een antenne goed gebundeld en gericht wordt. Bijvoorbeeld richting een mobiele telefoon of een laptop. Een antenne die ongericht straling uitzendt, verspilt daarmee energie. heeft ook een groter bereik: het komt verder. Zodat je dus over een langere afstand een verbinding realiseert. Het piepschuim in de kap absorbeert straling die de antenne uitzendt. Daardoor kan gemeten worden op welke coördinaten de antenne met welke sterkte zendt. De Technische Universiteit Eindhoven maakte er het volgende filmpje over…

Slimme kleding

Even verderop werkt een promovendus aan een andere manier van draadloze communicatie. Naast hem staat een groot apparaat, met een doorzichtig scherm waar twee handschoenen uitsteken. Binnenin ligt een chip. Tijdens het aanbrengen van de elektronica wordt die volledig afgeschermd van de buitenwereld.

“De ruimte is gevuld met stikstof en heel weinig zuurstof, zodat de elektronica zo min mogelijk oxideert”, legt Van Dommele uit. Dat zijn de goede omstandigheden om elektronica te printen. Met de handschoenen stel je het apparaat aan de binnenkant af, zonder dat je iets open hoeft te maken.

Met printen op plastic is het mogelijk om flexibele elektronica te maken en bijvoorbeeld in kleding te verwerken. Onderzoekers van de TU Eindhoven werken onder meer aan een speciaal shirt voor zwangere vrouwen. De elektronica meet dan bijvoorbeeld de hartslag van de foetus en samentrekkingen van de baarmoeder. Een andere interessante toepassing is een e-label op vleeswaren te maken, dat precies aangeeft tot wanneer de plakjes ham in de koelkast houdbaar zijn.

Temperatuursensoren

Het onderzoek dat de wetenschappers in het lab doen is veelzijdig, net als de draadloze communicatie. Op weer een andere plek in een van de vier ruimtes van het lab, werkt iemand bijvoorbeeld aan temperatuursensoren. Die meten in iedere kamer de temperatuur. Is het alleen in de slaapkamer te koud? Dan moet daar de verwarming aan. Dat bespaart niet alleen geld, maar gaat ook energieverspilling tegen.

“We willen deze sensoren maken zonder batterijen”, legt Heemstra de Groot uit. “Ze halen dan hun energie uit zonlicht of trillingen. Het is zelfs mogelijk om genoeg energie uit een wifi-signaal te halen. Een sensor staat dan standby, totdat er een wifi-signaal op terechtkomt.”

De mobiele anechoische kamer van het lab, waarmee wetenschappers gebundelde straling van de antennes meten.
Robert Visscher

Dan wordt het ding wakker en zendt informatie op een bepaalde frequentie terug, waaruit direct de temperatuur duidelijk wordt. “Op deze manier maak je heel slim gebruik van de signalen als voeding en om er informatie mee door te geven”, zegt ze.

Toekomst van wifi

Ze bedenken in deze CWTe-labs nog veel meer slimmigheden voor wifi-verbindingen. Wifi maakt gebruik van radiogolven, die antennes versturen. Ze worden verzonden door bijvoorbeeld routers, een kastje dat vaak door een internetprovider wordt geleverd. Radiosignalen van wifi worden op dit moment over twee specifieke frequentiebanden verzonden: 2,4 gigahertz en 5 gigahertz. Allerlei draadloze communicatie maakt gebruik van eigen frequentiebanden, zodat ze elkaar niet verstoren. Kennislink schreef eerder al uitgebreid over hoe wifi werkt.

Nu is het voordeel van de frequentieband van 5 gigahertz, dat data er sneller over wordt verstuurd, maar het over een kleinere afstand werkt. “In het nieuwe lab onderzoeken we ook signalen via een frequentieband van zestig gigahertz. Dan kun je een film in een paar seconden downloaden. Maar dat signaal overbrugt slechts een korte afstand. Je kunt het bijna vergelijken met licht. Als je de lamp in de ene kamer aan hebt, blijft een ander vertrek donker”, legt Heemstra de Groot uit.

Daardoor zijn er veel basisstations nodig, die het wifi-signaal verspreiden. Soms zelfs meerdere in een kamer, net zoals je meer lampen in een groot vetrek hebt. “We hebben dan een nieuwe infrastructuur nodig. Maar het is ook mogelijk om de snelle verbinding af en toe te gebruiken”, zegt Heemstra de Groot. “Een website (be)zoeken doe je via een lage frequentieband, maar een film downloaden via een razendsnelle verbinding. Hoe dat er precies uit gaat zien en de onderdelen, zoals de antennes, er dan uit moeten zien? Daar zijn we mee bezig en er gaat veel werk in zitten.”

Onderzoekers hebben in het lab de ruimte en juiste apparatuur om dat uit te pluizen. “Dit lab is zo gebouwd dat het minimaal vijftig jaar mee moet gaan. Alles is daarop voorzien. De dikke deuren schermen bijvoorbeeld signalen tot tachtig gigahertz af. Die vraag had het bedrijf dat ze maakte, nog nooit gehad. Meestal is voor dit soort labs veertig gigahertz genoeg. Maar wij denken dat de toekomst in het hoog-frequente zit, zoals bij de wifi-verbindingen”, benadrukt Van Dommele. “Met dit lab kunnen we ons daarom volledig blijven richten op onderzoek naar dit soort draadloze verbindingen van de toekomst.”

Net als licht

Zichtbaar licht heeft een veel hogere frequentie dan de wifi-signalen die we nu gebruiken. Maar in Eindhoven experimenteren ze momenteel al met signalen die zo hoogfrequent zijn, dat deze op het licht beginnen te lijken. Licht gaat door glas heen, maar door andere materialen juist niet, zoals lichaamsweefsel en metaal. De straling waarmee ze in Eindhoven experimenteren is driehonderd gigahertz en heeft een aantal van dezelfde trekjes als licht. Hoewel het niet zichtbaar is, wordt het wel gereflecteerd door lichaamsweefsel, metaal en spiegels. Daarom kun je spiegels gebruiken om de eigenschappen van straling van driehonderd gigahertz verder te onderzoeken.