Sichere Datenübertragung

Joachim Krause,

Datenübertragung mit Licht

Light Fidelity. Daten mit Licht über Lichtwellenleiter zu übertragen ist eine lange etablierte Technologie; aber es geht auch kabellos. Die Light-Fidelity- oder LiFi-Technologie hat das Potenzial, in den kommenden Jahren Marktanteile auch in der Industrie zu gewinnen.

Im Projekt „OWICELLS“ wurde die Steuerung von Industrierobotern per LiFi erprobt. © Fraunhofer HHI

Neben den verbreiteten Standards zur leitungsgebundenen und leitungslosen Kommunikation steht für die die Datenübertragung über kurze Distanzen, wie sie gerade für das Industrial Internet of Things (IIoT) oft benötigt wird, Licht als Alternative zur Verfügung, mit der auch ein sehr hoher Datendurchsatz erreicht werden kann. Den Begriff LiFi für Light Fidelity (manchmal auch als VLC Visible Light Communication bezeichnet) prägte 2015 der deutsche Wissenschaftler Harald Haas, Professor an der Universität Edinburgh. Er erinnert phonetisch an das bekannte WiFi, da beide Lösungen im Nahbereich konkurrieren. Entwickelt 2005 besitzt LiFi inzwischen ein großes Marktpotenzial – konnte sich bislang aber noch nicht durchsetzen. Organisationen wie die Light Communications Alliance (LCA) sollen das ändern. Zu den diesbezüglich führenden Forschungseinrichtungen zählen die Fraunhofer-Institute für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Dresden, für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Lemgo und für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin. Seit Jahren werden Lösungen für extrem kurze Strecken im Zentimeter-Bereich, aber auch für größere Distanzen im unteren, 2-stelligen Meter-Bereich entwickelt. Vorreiter für diese Technologie überhaupt war Apple. In der Seefahrt ist die Datenübertragung per Licht, das Lichtmorsen, allerdings schon seit dem 19. Jahrhundert üblich.

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Optische Datenübertragung
Die Daten werden mithilfe von Lichtwellen im Bereich 400 und 800 Terahertz übertragen. Bedingung ist ein klarer Sichtkontakt zwischen dem Sender (Lichtemitter) und Empfänger (Receiver). Die Lichtimpulse sind vom Auge nicht zu unterscheiden, dem Menschen bietet sich eine scheinbar gleichmäßig leuchtende Quelle. Gegenüber der Funktechnik erlaubt sichtbares Licht höhere Datenraten, weil es eine größere Bandbreite im Bereich 200 bis 1600 Nanometer aufweist. Zudem ist LiFi unreguliert, Lizenzgebühren entfallen. Echtzeitfähige Systeme lassen sich zuverlässiger realisieren. Integrationsaufwand und Verschleißanfälligkeit sinken. Außerdem verhält sich LiFi robuster gegenüber elektromagnetischen Interferenzen. Bei Kurzstrecken von unter 10 Zentimeter werden Datenraten von über 10 Gigabit pro Sekunde erreicht.

Monochromatisches, sichtbares, aber auch Infrarot-Licht wird als breitbandiger Informationsträger moduliert. Die Datenübertragung erfolgt bisher leitungsgebunden gedämpft über Lichtleiter aus Kunststoff- oder Glasfasern. Die neuartige Direktabstrahlung mit Lichtgeschwindigkeit (bis zu 200 Gigabyte pro Sekunde ist möglich, sofern Einflüsse wie Regen, Nebel, Dunst oder Sichthindernisse nicht einwirken.

Am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI ist es gelungen, ein USB-betriebenes LiFi-System mit geringer Leistungsaufnahme zu entwickeln. © Fraunhofer HHI

Grundlagen und Funktionsweise
Ein optisches System besteht aus Sender und Empfänger, deren Verbindung direkt über die Atmosphäre statt wie bisher mit einem Lichtleiter erfolgt. Die Strahlung erzeugt als elektrisch-optischer Wandler (e/o) die Luminiszenzdiode (LED) oder für anspruchsvollerer Lösungen die Laserdiode (LD). Eine Transmitteroptik konzentriert den Strahl auf den Empfänger, um dort von einem Detektor, einem o/e-Wandler aus PIN- oder empfindlicheren Lawinen-Dioden, erfasst und in ein elektrisches Signal zurückverwandelt zu werden. An dieser Stelle befindet sich eine fokussierende Optik. Dadurch entfallen Störungen durch Fremdlicht. Enthalten Kommunikationseinheiten sowohl Sender als auch Empfänger, entsteht ein Transceiver für den bidirektionalen Verkehr. Zum Verarbeiten analoger Signale müssen dem Ein- und Ausgang A/D-Wandler vor- bzw. nachgeschaltet werden.

LiFi kann gegenüber den etablierten WiFi-/WLAN-Netzen eine ganze Reihe von Vorteilen verbuchen: So bietet es eine größere Übertragungssicherheit und einen kontinuierlichen Datenstrom. Es weist eine hohe Energieeffizienz auf und kann in vorhandenen Anlagen einfach die bereits installierten Beleuchtungsanschlüsse nutzen.

Der wichtigste Vorteil liegt allerdings im Sicherheitsbereich: LiFi strahlt nicht unkontrolliert ab wie WiFi, kann also nicht abgehört werden, solange kein Sichtkontakt zur Leuchtdiode besteht. Aus dem gleichen Grund sind LiFi-Netze auch weitgehend unempfindlich gegenüber elektro-magnetischer Beeinflussung. Datenübertragungszellen können dichter beieinander stehen. Im parallelen Raummultiplexverfahren können unabhängige Datenströme von einem Zugang an mehrere Nutzer übermittelt werden. Andersherum kann ein Nutzer auch mit verschiedenen Access Points kommunizieren.

Anwendungen
Vermutlich wird sich LiFi als erstes in Spezialbereichen durchsetzen können vor allem dort, wo elektromagnetische Abstrahlung vermieden werden muss: Sei es im Sicherheitsbereich, in Krankenhäusern oder auch in der Luftfahrt. In Salzwasser könnte es auf kurze Distanzen die kabellose Steuerung von Tauchrobotern ermöglichen. Aber auch im industriellen Einsatz gibt es zahllose Anwendungen: Etwa für die Steuerung von mobilen und stationären Robotern per Lichtsignal, aber auch von fahrerlosen Transportsystemen in der Intralogistik. Im Büro und Privatbereich verbinden optische Links über Decken- oder Tischlampe (LiFi-Hotspot) Endgeräte wie PC, IP-Telefone und ähnliches mit dem Netz. Kleinste Zellen sind hier möglich, da Licht keine Trennwand durchdringt. Li-Fi eignet sich ebenso für eine Konferenzumgebung. Teilnehmer verbinden ihre Geräte mit dem Veranstalternetzwerk, etwa für Projektoren oder Displays. In Geräten lassen sich LiFi-Transceiver-Module problemlos per Plug and Play integrieren. Weitere Möglichkeiten bieten fahrerlose Autos, welche über Vorder- und Rückleuchten miteinander kommunizieren, gegebenenfalls unterstützt vom örtlichen, aus LiFi-Straßenlaternen bestehenden Netzwerk. Potenzial und Reifegrad der LiFi-Technologie lassen auf jeden Fall spannende Anwendungen in den nächsten Jahren erwarten. dsc

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