Li-Fi ermöglicht höhere Datenraten in schwierigen Umgebungen

Wi-Fi-Nutzer in städtischen Gebieten mussten schon früh die Erfahrung machen, dass die tatsächliche Kommunikationsleistung ihrer eigenen Netzwerkgeräte durch die Interferenzen benachbarter Router beeinträchtigt wurde. Eine der ersten Reaktionen auf dieses Problem bestand darin, einfach weitere Frequenzbänder hinzuzufügen. So hat Wi-Fi seine Unterstützung vom ursprünglichen 2,4-GHz-Band, das auch viele andere Protokolle sowie Bluetooth nutzen, auf zusätzliche Kanäle im Bereich um 5 GHz erweitert.

Um dem Problem der Frequenzknappheit entgegenzuwirken, wurden im Laufe der Zeit verschiedene Techniken entwickelt, mit denen aktuelle Wi-Fi-Geräte mehr Daten in das Kernspektrum zwängen können. Diese reichen von ausgeklügelten Modulationsverfahren für die Übertragung mehrerer Datenbits pro Funksymbol bis hin zu Verfeinerungen der Antennendiversität, die gezielte Übertragungen an einzelne Empfänger ermöglichen. Auch den Vorschlag Wi-Fi in den Bereich oberhalb von 10 GHz zu verlagern, in dem Kanäle mit größerer Bandbreite und entsprechend hohen Datenraten verfügbar wären, haben die Verantwortlichen diskutiert.

Visible Light Communications

Visible Light Communications (VLC) kommt schon heute in Punkt-zu-Punkt-Backhaul-Anwendungen mit Datenraten von mehr als 100 Mbit/s in tiefen Schluchten und an anderen Orten zum Einsatz, an denen es nicht möglich ist, Kabel zu verlegen. Außerdem sind Untersuchungen im Gange, inwieweit sich durch lichtbasierte Übertragung die Konnektivität von Systemen außerhalb der Erdatmosphäre und unter der Wasseroberfläche verbessern lässt. Hohe HF-Streuungen unter Wasser erschweren jedoch den Aufbau einer zuverlässigen Kommunikation jenseits von Signalen mit extrem niederfrequenten Trägern und entsprechend niedrigen Datenraten.

Doch während Wasser auch den roten Frequenzbereich des sichtbaren Lichts stark absorbiert, sind blau-grüne Laser laut jüngsten Forschungsstudien in der Lage, Daten mit einer Rate von bis zu 100 Mbit/s über mehrere Dutzend Meter zu übertragen. Die NASA testet einen modulierten Infrarot-Laser, der erheblich größere Entfernungen überwinden kann und für die Boden-Weltraum-Kommunikation vorgesehen ist. Um die Dämpfung durch Wolken zu vermeiden, wechselt der 622-Mbit/s-Kanal zwischen verschiedenen Bodenstationen, die gemeinsam mit einem umlaufenden Satelliten kommunizieren.

Die Li-Fi-Variante der VLC-Kommunikation

Die Li-Fi-Variante der VLC-Kommunikation haben die Verantwortlichen für bodenständigere Anwendungen entwickelt. Sie nutzt speziell angepasste LED-Lampen, die sich auch in handelsüblichen Leuchten einsetzen lassen. In vielen dieser Leuchten ist eine High-Brightness-LED verbaut, die Licht am blauen Ende des Spektrums erzeugt. Eine gelbe Phosphorbeschichtung verschiebt hierbei die Gesamtfarbe des Lichts in den weißen Bereich. Allerdings verlangsamt der Phosphor dadurch auch die Wirkung einer Amplitudenmodulation des Quelllichts und begrenzt seine Bandbreite auf etwa 2 MHz. Wenn ein Empfänger den Gelbanteil jedoch herausfiltert, lassen sich im Prinzip Datenraten von bis zu 1 Gbit/s erreichen. Mit Empfängern, die auf die verschiedenen Komponenten einer Leuchte mit abstimmbarer Farbe – in der Regel einer Mischung aus roten, grünen und blauen LEDs – reagieren, lässt sich die Datenrate sogar auf 5 Gbit/s oder mehr steigern. Außerdem haben Experimente eines Teams der University of Edinburgh unter der Leitung von Professor Harald Haas (der den Begriff „Li-Fi“ geprägt hat) gezeigt, dass mit zusätzlichen, parallel sendenden Laserdioden in den Leuchten eine Übertragungsrate von über 100 Gbit/s möglich sein könnte.

Li-Fi weist in der Anwendung einige Gemeinsamkeiten mit Wi-Fi-Varianten auf, die im Bereich des Funkspektrums oberhalb von 10 GHz arbeiten. Je höher die Frequenz des Trägersignals ist, desto direktionaler ist die HF-Kommunikation. Obwohl Protokolle wie 5G Cellular, die auf Kanälen oberhalb von 10 GHz arbeiten, Reflexionen zur Verbesserung der Empfangsleistung nutzen, basieren die Kommunikationskanäle überwiegend auf Sichtverbindung.

Aufgrund seiner noch größeren Richtwirkung erlaubt Li-Fi auch die Einrichtung von Attozellen, in denen einem Benutzer beispielsweise unter einem Downlight die ungeteilte Bandbreite zur Verfügung steht. Dabei ist Li-Fi keine reine Direktwellentechnik, sondern kann in gewissem Umfang auch Reflexionen nutzen, sodass für die Übertragung nicht unbedingt eine ungehinderte Sichtverbindung erforderlich ist. Dabei kommen Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) und andere Kodierungssysteme zum Einsatz, die deutlich komplexer sind als die einfachen Binärcodes, die in den ersten Li-Fi-Experimenten verwendet wurden.

Die Richtwirkung von Li-Fi

Tabelle 1: Vergleich der wichtigsten Parameter zwischen Wi-Fi und Li-Fi. Mouser

Die Richtwirkung von Li-Fi bietet einen potenziellen Sicherheitsvorteil. Die Signale sind weitgehend auf einen Lichtkegel unter dem Sender beschränkt und können keine festen Wände durchdringen. Einige der vorgeschlagenen 60-GHz-Wi-Fi-Übertragungsschemata, wie zum Beispiel IEEE 802.11ax, nutzen Techniken, die das Senden von Signalen durch Wände ermöglichen (Tabelle 1), da dies laut der Arbeitsgruppe des Standards für die allgemeine Verwendbarkeit in Haushalten wichtig ist. Bei Li-Fi muss sich ein Hacker, der das Signal abfangen möchte, sowohl in der Nähe des Senders als auch des legitimen Empfängers befinden. Allein schon deshalb würde er mit hoher Wahrscheinlichkeit entdeckt.

Eine von der IEEE 802.11bb-Arbeitsgruppe vorgeschlagene Anwendung ist eine Li-Fi-fähige Schreibtischlampe, die eine sichere drahtlose Verbindung zwischen dem Computer des Benutzers und dem Kernnetzwerk bereitstellt. Für den Uplink-Kanal vom Gerät zur Leuchte kommt ein kleinerer Infrarotsender zum Einsatz. Auf diese Weise lässt sich eine Störung des Downstream-Signal verhindern und es gibt keine ablenkenden Begleiterscheinungen für den Benutzer des Geräts. In den frühen Entwicklungsphasen der Technologie gab es die Befürchtung, dass die Benutzer bei Li-Fi-fähigen Sendern ein Flackern bemerken könnten. Wegen der hohen Modulationsgeschwindigkeit ist jedoch als einziger Nebeneffekt gegebenenfalls eine geringfügige Veränderung der Gesamtlichtfarbe festzustellen, die sich durch das Design der Leuchte kompensieren lässt.

Ein möglicher Nachteil von Li-Fi bei der Montage in Deckenleuchten ist die Gleichkanalinterferenz (Bild 1). Sie wird durch die Überschneidung der Lichtkegel verursacht und kann dazu führen, dass der Empfänger von keinem der Sender ein klares Signal erhält. Dieses Problem ist mithilfe OFDM-basierter Kodierungsschemata zu beheben, die zugleich dafür sorgen, dass das von Wänden und anderen Gegenständen reflektierte Licht für die Kommunikation nutzbar ist. Die IEEE 802.11bb-Arbeitsgruppe hat ein Protokoll vorgeschlagen, das im 5-GHz-Bereich mit mindestens 10 Mbit/s und maximal 5 Gbit/s eine bis zu zehnmal höhere Datenrate bereitstellt als die weithin verbreitete Wi-Fi-Variante IEEE 802.11n. Dazwischen liegt die neuere und derzeit wesentlich teurere Wi-Fi-Variante IEEE 802.11ac mit einer möglichen Datenrate von 1,73 Gbit/s.

IEEE 802.11ax und 802.11ay

Die Wi-Fi-Varianten IEEE 802.11ax und 802.11ay nutzen die Trägerfrequenzen um 60 GHz und sollen Datenraten erreichen, die mit denen von Li-Fi vergleichbar sind. Diese Standards beheben das Problem der allzu kurzen Reichweite beim ersten Wi-Fi-Vorstoß in den 60-GHz-Bereich mit IEEE 802.11ad. Bei einigen Tests ließ sich mit IEEE 802.11ay eine für Büronetzwerke geeignete maximale Reichweite von 300 m erzielen. Das Nutzungsmodell unterscheidet sich jedoch von Li-Fi. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass ein einzelner Router mehrere Benutzer bedient, während Li-Fi das Attozellen-Konzept umsetzen soll, bei dem Backhaul-Netzwerke Gbit/s-Sitzungen für mehrere Benutzer im selben Raum ermöglichen.

Außerdem unterscheidet sich IEEE 802.11ay von den meisten anderen Protokollen darin, dass sich wegen der Algorithmen zur Kompensation von Hindernissen weitere Dienste bereitstellen lassen. Die Router können im Prinzip Räume kartieren, die Anwesenheit von Personen erkennen und sogar Gesten erfassen. In einer Li-Fi-Umgebung würden derartige Funktionen eher mithilfe separater Kameras realisiert.

Höhere Sicherheit mit Li-Fi

Auch wenn Li-Fi in konventionellen Heim- und Büroanwendungen mit den neueren Wi-Fi-Varianten konkurrieren muss, bietet die lichtbasierte Kommunikation in bestimmten Umgebungen eine Reihe klarer Vorteile. In der Luftfahrt beispielsweise ist das Gewicht der Kabel für die Bereitstellung von Multimedia-Diensten für die Passagiere ein Faktor, der den Bau energieeffizienterer Flugzeuge erheblich behindert. Mit Li-Fi lassen sich allein durch den Austausch der herkömmlichen Leuchten über den Sitzplätzen durch entsprechende Li-Fi-fähige LEDs jedem Fluggast hohe Datenraten zur Verfügung stellen (Bild 2).

Li-Fi bietet auch eine Lösung für die Kommunikation mit hoher Bandbreite in klinischen Operationssälen und anderen Bereichen, in denen Funkfrequenzstörungen Probleme verursachen können. Und nicht zuletzt ist Li-Fi eine erheblich sicherere Technologie für industrielle und hier insbesondere für explosionsgefährdete Systeme. So ist beispielsweise in Anlagen, die Feinpulver und flüchtige Chemikalien nutzen, eine hochfrequente HF-Kommunikation nicht ohne weiteres möglich und der Einsatz elektrischer Datenkabel nur unter strengen Sicherheitsauflagen zulässig.

(aok)

(aok)