Hoe slimme chips IoT op 5G energiezuinig en schaalbaar maken

5G begint langzaam relevant te worden voor industriële toepassingen, zoals slimme logistieke systemen, geavanceerde monitoring en automatisering. En nu is er een chipcomponent die IoT-verbindingen via 5G niet alleen mogelijk maakt, maar ook extreem energiezuinig houdt.

Het geheim van de aan het MIT ontwikkelde chip zit in het gebruik van ‘5G RedCap’ (Reduced Capacity). Dit is een lichtere versie van 5G die specifiek is ontworpen voor toepassingen zoals sensoren, industriële apparaten en slimme meters. Waar regulier 5G hoge datasnelheden en lage latency biedt voor smartphones en laptops, is RedCap geoptimaliseerd voor betrouwbaarheid en energiezuinigheid in IoT-netwerken.

Frequentiehoppen zonder stroomverspilling

Een uniek onderdeel is een slimme techniek voor ‘frequentiehoppen’. In plaats van vast op één frequentieband te werken (zoals bij WiFi of LoRa), schakelt de chip dynamisch tussen verschillende frequenties. Dit is belangrijk in drukke draadloze omgevingen zoals stedelijke gebieden of industriële omgevingen, waar veel netwerken actief zijn. De chip filtert storingen actief weg, wat zorgt voor stabiele en betrouwbare verbindingen.

Dit gebeurt met een stroomverbruik van enkele milliwatts. Dit is mogelijk dankzij een ‘N-path filtering’ techniek, waarbij meerdere miniatuurcondensatoren slim worden geschakeld om interferentie te minimaliseren. Dit soort slimme filtering zat al in grotere apparaten, maar MIT heeft dit weten te miniaturiseren voor IoT-chips.

Hoe N-path filtering werkt

Het N-path filter is al langer bekend is in de RF-wereld, maar werd zelden toegepast in ultralage-energie toepassingen. Het principe is simpel: in plaats van één vaste filterfrequentie gebruikt het circuit een reeks geschakelde paden (de ‘N paths’) waarin condensatoren periodiek worden geactiveerd en gedeactiveerd. Hierdoor ontstaat een dynamisch low-pass filter dat efficiënt ongewenste frequenties onderdrukt terwijl het gewenste signaal intact blijft.

In conventionele IoT-radiosystemen komt filtering vaak na versterking, wat ruis kan introduceren en meer energie kost. In de MIT-chip vindt filtering plaats vóór de versterker, wat het energieverbruik verlaagt en de interferentieonderdrukking verhoogt. Hierdoor haalt deze ontvanger een 30 keer betere interferentieonderdrukking bij een energieverbruik van slechts enkele milliwatts – ideaal voor toepassingen waarbij tientallen tot honderden sensoren jarenlang moeten functioneren zonder onderhoud.

Vergelijking met bestaande IoT-technologieën in Nederland

Nederlandse engineers gebruiken nu vooral LoRaWAN, LTE-M en NB-IoT voor IoT-netwerken:

Het voordeel van 5G RedCap ligt vooral in hogere data rates, betere interferentiebeheersing en de mogelijkheid om massale aantallen apparaten (tot 1 miljoen per km²) te ondersteunen. Voor bijvoorbeeld video-gebaseerde monitoring, real-time statusupdates of mobiele toepassingen waar LoRa tekortschiet, biedt dit een krachtig alternatief.