Die Übertragung von Daten ist die Basis für jegliche Kommunikation. Viele können sich noch gut erinnern, wie Modem und ISDN der Standard für Datenübertragung war. Mittlerweile sind hohe Datenraten im mobilen Internet oder im drahtlosen WLAN selbstverständlich. So nutzen 64% der Bevölkerung in Deutschland mobiles Internet, weltweit sind dies 63,4 %. Vor dem Hintergrund einer zunehmend vernetzten Welt, wie die Vernetzung von Maschinen und Dingen (Internet of Things), steigt der Bedarf an effizienter und schneller Datenübertragung. Für einige Anwendungsbereiche sind dann optische Übertragungstechniken eine gute Alternative zu den funkbasierten Möglichkeiten.
Light Fidelity – Datenübertragung per Licht
Die Technik von Light Fidelity (kurz Li-Fi) für optische Datenübertragung ist verhältnismäßig recht jung. So wurde erst 2011 ein Konsortium zur Bewerbung dieser Technologie gebildet. Das Prinzip kann einfach durch das „an“ und „aus“ von speziellen Leuchtdioden beschrieben werden, vergleichbar mit dem Morsen. In dem jeweiligen optischen Frequenzbereich wird die sogenannte Quadraturamplitudenmodulation durchgeführt, d.h. es wird gleichzeitig die Amplitude und die Phase der Schwingung des Lichts moduliert. Mit diesem Verfahren können mehrere Daten gleichzeitig übertragen werden, so dass eine entsprechend hohe Datenrate erreicht wird.
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Durch die Übertragung sind momentan bis zu 12,5 Gigabit pro Sekunde bei kurzen Distanzen und bis zu 1 Gibabit pro Sekunde bei Distanzen von bis zu 30 Metern möglich. Unter Laborbedingungen konnten schon 224 Gigabit pro Sekunde erreicht werden. Die praktischen Erfahrungen zeigen, dass zur Zeit Lösungen bis 200 Mbit/sec gut realisierbar sind. Ein Beispiel zur Verdeutlichung: Ein 1-stündiger HD-Film mit 5 GB Datenvolumen benötigt bei einer mittleren LiFi-Übertragungsgeschwindigkeit von 5 Gigabit/s 8 Sekunden. Unter Laborbedingungen könnte man übrigens fünf HD-Filme pro Sekunde übertragen. Das optische Spektrum des Lichts ist ~10.000x größer als das der Funkfrequenzen. Somit bietet es viel Platz für neue Übertragungskanäle. Wi-Fi und Li-Fi können aufgrund der unterschiedlichen Frequenzbereiche gut nebeneinander genutzt werden.
Vorteile
Die Spezifika und damit auch Vorteile einer optischen Übertragung liegen auf der Hand:
- Licht kann sich nur in dem Bereich ausbreiten, der frei einsehbar ist. Somit ist eine punkt- bzw. raumgenaue Datenübertragung möglich.
- Optische Datenübertragung nutzt andere Frequenzbereiche als Radiofrequenzen, wie sie von WLAN, Bluetooth und Mobilfunk, etc. genutzt werden.
- Durch die optische Datenübertragung werden sehr schnell große Datenmengen übertragen.
Besonders in einer Produktionsanlage müssen durch die Vernetzung von Maschinen und Aktoren über kurze Distanzen in Echtzeit große Datenmengen übermittelt werden. Der Vorteil ist, dass für die Installation von optischen Datenübertragungen keine neue drahtgebundene oder drahtlose Installation vorgenommen werden muss. Die Installation bedarf spezieller LED-Sender und -Empfänger, die flexibel einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch keine Funkfrequenzen aus den Radio-Band (bspw. WLAN, Bluetooth, etc.) die optische Datenübertragung stören. Die Ortsgebundenheit der opischen Datenübertragung stellt einen besonderen Sicherheitsaspekt dar, da dadurch die Datensignale im Raum bleiben und nicht durch Wände dringen oder abgehört werden können. Zusammenfassend liefert die Übertragung via Li-Fi schnelles, passgenaues Netz, genau dort, wo man es braucht.
Optische Übertragung – Schaubild von Fraunhofer IPMS
Anwendungsmöglichkeiten
Passend zu den Vorteilen ist festzustellen, dass bei Datenübertragungen über kurze Entfernungen und bei denen Sicherheit wichtig ist, die optische Datenübertragung eine gute Option ist. Im Nachfolgenden zeigen wir die Vielfalt möglicher Anwendungsbereiche auf.
Industrie 4.0
Produktionsanlagen der Zukunft sind darauf ausgelegt, dass Maschinen untereinander kommunizieren und Daten austauschen. Diese Daten dienen zum Management des Produktionsflusses. Auch sind diese Daten sensibel, da diese Daten Firmeninterna beinhalten. Durch die optische Übertragung sind keine Kabel notwendig. Gerade bei beweglichen Anlageteilen wie Greifarme oder Hebeeinrichtungen ist das Verlegen von Leitungen zu Sensoren oder Aktoren sehr aufwändig, verschleißanfällig oder sogar unmöglich. So kann der Bereich eines beweglichen Robotors beleuchtet und eine entsprechende Datenkommunikation umgesetzt werden. Hier liegt es auf der Hand, dass gerade bei der Kommunikation in Industrie 4.0-Umgebungen der Zugriff auf die technologischen Lösungen von Li-Fi sinnvoll ist.
Dr.-Ing. Jörg Benze, Program Manager „Visible Light Communication Solutions“ T-Systems Multimedia Solutions, fasst folgerichtig die Potenziale zusammen:
„Optische Datenübertragung ist nicht nur eine Alternative für die heute eingesetzten drahtlosen Kommunikationssysteme. Durch die spezifischen Vorteile können auf Basis von Li-Fi auch neue Geschäftsmodelle gedacht und entwickelt werden.“
>Die T-Systems Multimedia Solutions konzipiert und setzt LiFi-Lösungen für die verschiedensten Einsatzbereiche passgenau um. Dabei wird nicht nur die Technologie betrachtet, sondern immer auch wie diese Technologie am besten in der unternehmensspezifischen Digitalisierungsstrategie genutzt werden kann. Zu einer gesamtheitlichen Betrachtung gehören neben der technologischen Umsetzung auch stets die Betrachtung des Geschäftsmodells und der Anwendungsbereiche. Mit den LiFi-Starterkits von unserem Partner Wieland Electric ist ein herstellerunabhängiger, guter und leichter Einstieg in diese neue Technologie für alle Unternehmen möglich. Außerdem können wir über unser zertifiziertes Test and Integration Center die Qualität und Sicherheit bei der Implementierung der LiFi-Technologie gewährleisten.
Connected Car
Eine sehr einfache und wirkungsvolle Kommunikation ist die Kommunikation zwischen Automobilen. Durch eine Kommunikation zu dem hinteren bzw. vorausfahrenden Auto können Bremsvorgänge direkt kommuniziert werden. So können Auffahrunfälle deutlich reduziert werden. Anwendungen im Bereich einer eigenständigen Abstimmung im Verkehrsfluss zwischen Automobilen und LKWs werden somit möglich, um so neben Unfällen auch Staus zu vermeiden.
Räume mit elektromagnetischer Unverträglichkeit
In verschiedenen Räumen, wie bei petrochemischen Anlagen, Krankenhäusern und Flugzeugen, ist eine drahtlose Übertragung durch WLAN aufgrund einer elektromagnetischen Unverträglichkeit bestimmter Frequenzbereiche problematisch. Hier bietet eine optische Datenversorgung eine gute Lösung.
Anwendung Li-Fi in Krankenhäusern
Auch im Flugzeug ist auf eine elektromagnetische Verträglichkeit zu achten. Hinzu kommt, dass die Verkabelung innerhalb von Flugzeugen mit einem hohen Eigengewicht verbunden ist. Eine optische Datenübertragung bietet hier eine Lösung. Auch ist somit eine individuelle Versorgung von Daten zu den Piloten, Kabinenbesatzung und der Passagiere durch Li-Fi gewährleistet. Damit können leicht separate Datennetze aufgebaut werden, die in dem jeweiligen Raum, z.B. im Cockpit, sicher sind.
Li-Fi in Flugzeugen
Unterwasser
Seewasser dämpft die Ausbreitung von elektromagnetischen Funkübertragungen. Im Unterwasserbereich müssen somit auch akustische und optische Datenübertragungen angewendet werden. Menschen und Roboter nutzen dann optische Datenübertragungen für die Kommunikation. In diesem Beispiel der gemeinnützigen Forschungsorganisation „Woods Hole Oceanographic Institution“ können mit 1 – 10 Mbit pro Sekunde bei einer Reichweite von bis zu 200 Metern Daten Unterwasser übertragen werden.
Indoor Positionsbestimmung & Sicherheit
Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist die Kommunikation und die genaue Positionsbestimmung im Indoor-Bereich. So können passend an dem jeweiligen Ort, z.B. bei einem bestimmten Ausstellungsstück in einem Museum oder bei einem Regal im Supermarkt, passgenaue Informationen übertragen werden. Auch ist es möglich, die genaue Position des Empfängers im Innenbereich zu orten. In Frankreich werden verschiedene Orte mit Li-Fi ausgestattet, z.B. Krankenhäuser, Kindergärten und Grundschulen. Hier soll zukünftig eine Datenübertragung über Wi-Fi der Vergangenheit angehören. Für die Pariser Metro wird ebenfalls eine Li-Fi-Kommunikation umgesetzt. Die Station „La Defense“ wurde bereits mit Li-Fi-Komponenten ausgestattet. Insgesamt sollen in 66 U-Bahn-Stationen über 250.000 LEDs zur Li-Fi-Kommunikation installiert werden. Dieses wäre dann die größte Li-Fi-Anwendung. Mit der optischen Datenübertragung ist also eine Kommunikation innerhalb eines Raums und punktgenau bei der jeweiligen Person oder Maschine möglich. Durch diese räumliche Begrenzung können Daten, die besonders geschützt sein müssen, übertragen werden. Li-Fi ist auch schwerer angreifbar als WLAN, da es nur über Sichtkontakt funktioniert. Um Daten, die mit Li-Fi übertragen werden, zu nutzen, muss man sich in dem Raum mit dem Li-Fi Hotspot aufhalten. Hinzu kommt, dass die Reichweite bei einer optischen Datenübertragung begrenzt ist.
Checkliste
Anwendungsbereiche gibt es viele. Die folgende Checkliste mit fünf konkreten Fragen ist eine gute Unterstützung bei der Beurteilung der Nutzung von Li-Fi:
Wir sind Digitalisierungs-Experten aus Leidenschaft und vermitteln in unserem Blog einen Einblick in aktuelle Trends und Themen rund um Digitalisierung, neue Technologien und die Telekom MMS.
