Produkt: Professional System 1/2019
Professional System 1/2019
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Medientechnik: Datenübertragung via Li-Fi

Datenübertragung in Echtzeit mit Li-Fi

Die drahtlose Datenübertragung mit Licht bietet Kommunikation in Echtzeit für verschiedene Anwendungen. Das Dresdner Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) entwickelt Li-Fi-Technologien für unterschiedliche Echtzeitanforderungen, die auch das Streamen von Audio- und Videodateien erfordert.

Li-Fi HotSpot-Module
Li-Fi HotSpot-Module zeichnen sich durch lange Übertragungsstrecken bis zu 30 Metern und größere Abdeckungsbereiche aus. (Bild: Fraunhofer IPMS)

 

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Inhalt dieses Grundlagenartikels:

Eine Vielzahl von Anwendungen – häufig unter den Schlagworten Industrie 4.0 und IoT zu finden – produziert nicht nur immer mehr Daten, auch deren Übertragung in Echtzeit spielt in vielen Prozessen eine Schlüsselrolle. Für die aktuellen drahtlosen, funkbasierten Datenübertragungsverfahren ist das allerdings vor allem in Städten mit hoher Funkzellendichte oder in hochtechnisierten Büroumgebungen eine Herausforderung. Li-Fi, die optische drahtlose Datenübertragung, soll eine interferenzfreie, schnelle und sichere Alternative sein, um die bestehenden und zukünftigen Funknetze zu entlasten.

Dr. Alexander Noack vom Fraunhofer IPMS erläutert: „Wenn wir im Alltag von Echtzeit sprechen, meinen wir oft die Datenübertragung ohne zeitliche Verzögerung. In der Realität allerdings gibt es immer Verzögerungen, die auch Latenzen genannt werden. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Verzögerungszeiten toleriert. Wir haben unsere Li-Fi-Module nun den unterschiedlichen Anforderungen zugeordnet, um Systementwicklern die Auswahl der richtigen Technologie zu erleichtern.“

Dr. Alexander Noack
Dr. Alexander Noack, Teamleiter der Optical Wireless Communications Group beim Fraunhofer IPMS (Bild: Fraunhofer IPMS)

Bei der optischen Datenübertragung werden die Daten mithilfe von Lichtfrequenzen zwischen 400 und 800 Terahertz übertragen. Die Voraussetzung ist eine ungestörte Sichtverbindung zwischen Lichtemitter und dem Empfängersensor. Für das menschliche Auge sind diese Lichtsignale nicht zu bemerken, der Betrachter nimmt lediglich eine ruhig leuchtende Lichtquelle wahr. Durch die Nutzung des Lichtspektrums gibt es keinerlei Störungen von oder durch funkbasierte Systeme. Wie für andere Funkkommunikationstechniken benötigt man einen Sender und einen Empfänger, um eine Li-Fi-Übertragungsstrecke aufzubauen. In aller Regel wird beides in einem sogenannten Transceiver-Modul verbaut, um eine bidirektionale Kommunikation zu ermöglichen.

Das Funktionsprinzip

Üblicherweise besteht ein optisches drahtloses Kommunikationssystem aus einem Transmitter und einem Receiver. Der Receiver empfängt Daten von einer Quelle wie etwa Ethernet. Mithilfe eines Modulators wird der Sender, typischerweise eine Leucht- oder Laserdiode, schnell ein- und ausgeschaltet.

Der Treiberschaltkreis steuert die Senderdiode, die die optische Strahlung emittiert. Je nach Anforderungen an die Sendediode werden verschiedene Technologien zur Erzeugung des optischen Signals eingesetzt. Dabei werden Lumineszenzdioden (LED) und Laserdioden unterschieden. Spezielle Ausführungen wie kantenemittierende LEDs (Edgeemitting LED, ELED) und senkrecht zur Emitterfläche abstrahlende Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) kombinieren die Vorteile beider Technologien und werden immer häufiger für die optische Kommunikation eingesetzt. Die Transmitteroptik fokussiert die Strahlung auf ein bestimmtes Sichtfeld und ermöglicht eine gerichtete Übertragung zu dem gegenüberliegenden Empfänger (Field of View, FoV). Die Lichtsignale werden von einem Fotodetektor aufgenommen, verstärkt und in das ursprüngliche elektrische Signal umgewandelt.

Als optoelektronische Wandler werden hauptsächlich Pin-Dioden und Avalanche-Fotodioden eingesetzt. Um hohe Übertragungsraten sowie eine hohe Reichweite zu gewährleisten, sind vor allem der Wellenlängenbereich, die Fotoempfindlichkeit, das Zeitverhalten sowie das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors entscheidend. Zu Verbesserung der auf die Fotodiode treffende Signalleistung werden Optiken verwendet, die das nur aus einer bestimmten Richtung eintreffende Licht auf den Empfänger konzentrieren. Das hat den zusätzlichen Vorteil einer Verringerung von Störungen durch Fremdlicht. Kommunikationseinheiten, die sowohl den Transmitter als auch den Receiver enthalten, also Transceiver, erlauben zudem bidirektionale Kommunikation.

Plug and Play

Die LiFi-Transceiver-Module des Fraunhofer IPMS wurden so entwickelt, dass sie sich problemlos in die bestehende Infrastruktur einbinden lassen, zum Beispiel mit einem Standard CAT6-Ethernet-Kabel. Das Ganze funktioniert nach dem Plug-and-Play-Prinzip, es ist keine gesonderte Software notwendig. Das ist vor allem dann von Nutzen, wenn bereits konventionelle Technologien von anderen Anwendungen genutzt werden oder der Einsatz von funkbasierten Systemen nicht möglich ist.

Drahtlose Board-to-Board-Kommunikation
Drahtlose Board-to-Board-Kommunikation mit bis zu 12,5 Gbit/s (Bild: Fraunhofer IPMS)

Für größere Distanzen hat das Fraunhofer IPMS den sogenannten „Li-Fi-Hotspot“ entwickelt. Dieser kann sich auf einer Fläche von ca. fünf mal fünf Metern gleichzeitig mit mehreren Nutzern bei Datenraten bis 100 Megabit pro Sekunde austauschen. Grundsätzlich können aber auch größere Entfernungen bis zu 30 Metern noch bedient werden. Li-Fi-Installationen erlauben damit die Erweiterung vorhandener Infrastrukturen, ohne dass weitere unabhängige und kostenträchtige Kommunikationskanäle eingerichtet werden müssen.

Warum überhaupt Daten optisch übertragen?

Das optische Verfahren kann hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit schon heute mit dem fünften WLAN-Standard IEEE 802.11ac, manchmal auch als 5G-WLAN bezeichnet, mithalten oder übertrifft ihn bereits. Die drahtlose Übertragungstechnologie arbeitet im Lichtspektrum und lässt daher deutlich höhere Bandbreiten als die funkbasierten Technologien zu, was zu einer deutlich geringeren Einschränkung bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen führt.

Im Vergleich zur Funkübertragung ist Li-Fi außerdem robuster gegenüber elektromagnetischen Interferenzen. Zugleich ist die Bandbreite von 200 bis 1600 nm nicht reguliert. Das bedeutet, dass für die Nutzung keine Lizenzgebühren fällig sind. In der industriellen Kommunikation sind teilweise echtzeitfähige Systeme gefragt, die mit Funksystemen bis heute nicht zuverlässig realisierbar sind. Die kritischen Aspekte der kabelgebundenen Datenübertragung sind der in vielen Fällen höhere Integrationsaufwand und die Verschleißanfälligkeit.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt seit Jahren Li-Fi-Technologien für die unterschiedlichsten Anwendungen und Echtzeitanforderungen. Neben dem Li-Fi GigaDock, das im Hinblick auf die Übertragung auf kurze Strecken mit sehr hohen Datenraten (10 cm, bis 12,5 Gbit/s) und sehr geringen Latenzzeiten entwickelt wurde, werden auch sogenannte Li-Fi HotSpot- Module entwickelt. Diese zeichnen sich eher durch lange Übertragungsstrecken bis zu 30 Metern und größere Abdeckungsbereiche aus.

Li-Fi GigaDock
Das Li-Fi GigaDock wurde im Hinblick auf die Übertragung auf kurze Strecken mit sehr hohen Datenraten (10 cm, bis 12,5 Gbit/s) und sehr geringen Latenzzeiten entwickelt. (Bild: Fraunhofer IPMS)

Echtzeitanforderungen können aber auch mit diesen Modulen erreicht werden. Messungen in einem Multipunkt-zu-Multipunkt- Szenario haben gezeigt, dass bei einer Datenrate von 549 Mbit/s Latenzen von weniger als 800 ìs erreicht werden können.

Typische Anwendungen mit solchen Latenzanforderungen sind der Stream von Videound Audiodateien sowie Virtual- und Augmented Reality-Anwendungen oder die Maschinezu- Maschine-Kommunikation. Messungen in einer Profinet-Testumgebung zeigten, dass die Li-Fi HotSpots kompatibel zur Klasse A des offenen Industrial Ethernet Standards Profinet sind und eine stabile und fehlerfreie Datenübertragung gewährleisten.

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