Drahtlose Informations- und Energieübertragung im Zeitalter der 6G-Kommunikation

Die drahtlose Informations- und Energieübertragung (WIET) stellt ein aufkommendes Paradigma dar, das eine controllierbare Übertragung von Hochfrequenzsignalen für den doppelten Zweck der Datenkommunikation und drahtlosen Aufladung verwendet. Insofern wird WIET weithin als Enabler der angestrebten 6G-Anwendungsfälle angesehen, die auf energieeffizienten Internet-of-Things (IoT)-Netzwerken basieren, wie z.B. intelligente Städte und intelligente Netze. Die Erfüllung der Qualitätsanforderungen von WIET hinsichtlich sowohl der Datenübertragung als auch der Energieversorgung erfordert ein effektives Co-Design der Informations- und Energiesignale. In diesem Artikel präsentieren wir die Hauptprinzipien und Gestaltungsaspekte von WIET mit dem Fokus auf die Integration in 6G-Netze. Zunächst diskutieren wir, wie konventionelle Kommunikationskonzepte wie Ressourcenallokation und Wellenformgestaltungen im Kontext von WIET überdacht werden müssen. Anschließend betrachten wir verschiedene potenzielle 6G-Technologien, die die WIET-Effizienz steigern können, nämlich holographische Mehrfach-Eingangs-Mehrfach-Ausgangstechniken, Nahfeld-Strahlformung, Terahertz-Kommunikation, intelligente reflektierende Oberflächen (IRS) und rekonfigurierbare (flüssige) Antennenanordnungen. Wir stellen entsprechende WIET-Designmethoden vor, analysieren die vielversprechenden Leistungssteigerungen dieser WIET-Systeme und diskutieren Herausforderungen, offene Fragen und zukünftige Forschungsrichtungen. Schließlich wird ein Nahfeld-Energie-Strahlformungsverfahren und ein leistungsbasiertes IRS-Strahlformungsalgorithmus experimentell validiert, indem eine drahtlose Energieübertragungs-Testumgebung genutzt wird. Die Vision von WIET in Kommunikationssystemen hat in den letzten Jahren an Dynamik gewonnen, mit konstanten Fortschritten sowohl in theoretischer als auch in praktischer Hinsicht. Der umfassende Überblick über den Stand der Technik von WIET, der in diesem Papier präsentiert wird, hebt das Potenzial von WIET-Systemen sowie deren Gesamtvorteile in 6G-Netzen hervor.