Li-Fi statt Wi-Fi: Dem Internet geht ein Licht auf
In zwei weiteren ausführlichen Artikeln zum Anhören und Nachlesen haben wir NBase-T und Wigig erklärt, zwei weitere Techniken für das Netzwerk der Zukunft.
Wo viele Menschen gleichzeitig auf das Internet zugreifen, entstehen Engpässe. Die Kapazitäten der Funknetze kommen an ihre Grenzen, Nachbarn stören sich im WLAN gegenseitig, Stahlbetonwände senken den Datendurchsatz. Zudem sind die Netzwerke oft unverschlüsselt, ein Großteil des Datenverkehrs kann mitgelesen werden. Wissenschaftler forschen an einem Standard für die Datenübertragung, der all diese Probleme lösen soll: Visible Light Communication oder Light Fidelity, kurz Li-Fi.
Mit dieser Art der Datenübertragung über sichtbares Licht aus der Deckenlampe sollen Datenraten von bis zu 40 Gbit/s erreicht werden – besonders stromsparend und mit geringen Investitionskosten. Noch klingt das besser, als es ist: Stabilitätsprobleme machen einen sinnvollen Praxiseinsatz bislang unmöglich. Außerdem gibt es viele vollkommen unterschiedliche Formen der optischen Datenübertragung.
Daten aus der Lampe
Schon seit über einem Jahrzehnt forschen diverse Einrichtungen, darunter das Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme(öffnet im neuen Fenster) (IPMS), an dem zukünftigen Datenübertragungsstandard, der das herkömmliche elektromagnetisch funktionierende Wi-Fi ablösen soll. Im Oktober 2011 wurde ein Konsortium aus vier Einrichtungen zur Festlegung eines Standards gebildet. Fraunhofer-Forscher aus Dresden arbeiten inzwischen an einer industriellen Lösung auf Basis der Technologie(öffnet im neuen Fenster) . Dabei wurde eine Übertragungsgeschwindigkeit von 12,5 Gbit/s erreicht. Das Unternehmen PureLiFi, an dem der deutsche Informatiker und Li-Fi-Pionier Harald Haas beteiligt ist, hat kürzlich LiFi-X vorgestellt, das weltweit erste serienreife System zur Datenübertragung per Li-Fi.
Statt einer Antenne eines Funkrouters kommt dabei eine einfache Leuchtdiode (LED) zum Einsatz. Das von der Lampe emittierte Licht ist das Übertragungsmedium für die Daten. Als Sendeeinheiten werden Leuchtdioden verwendet. Diese können mit einer sehr hohen Frequenz ihre Intensität verringern und der am Endgerät angebrachten Fotozelle, dem Empfänger, Signale übermitteln. Für das menschliche Auge ist dieser Vorgang aufgrund der hohen Schaltungsfrequenz unsichtbar. Durch den permanenten Wechsel der beiden Intensitätszustände des Transmitters können binäre Daten übertragen werden. Doch auch hier steckt mehr dahinter, als man annimmt: Daten müssen zuvor beispielsweise auf verschiedene Träger aufgeteilt werden.
Und was ist nachts?
Für den Rückkanal ist energiesparendes Infrarot vorgesehen, das der Anwender nicht wahrnehmen kann. Interferenzen können gezielt vermieden werden. Diese entstehen, wenn zwei elektromagnetische Wellen mit ähnlicher oder gleicher Frequenz unter gewissen Umständen aufeinandertreffen.
Damit das System korrekt funktionieren kann, muss die Sende-LED die ganze Zeit aktiv bleiben. Selbst in der Nacht funktioniert Li-Fi: Die Lampen werden dafür so weit heruntergedimmt, dass sie für den Nutzer nicht mehr als Lichtquelle wahrnehmbar sind.
Das nutzbare Funkspektrum vergrößert sich
Technisch gesehen ist das für den Menschen sichtbare Licht ebenso wie Funkwellen eine elektromagnetische Welle. Die Frequenz ist im Terahertz-Bereich, ist allerdings deutlich höher als die bei den im GHz-Bereich verwendeten Zentimeterwellen. Der Nachteil: Nanometerwellen wie Licht können dichte Materie nicht durchdringen, jedes Hindernis schränkt die Reichweite ein.
Das hat auch etwas Gutes: Da Lichtwellen bereits am Durchdringen kleiner Hindernisse scheitern, ist eine Abschottung des Netzwerks durch eine einfache räumliche Trennung möglich. Für Unternehmen kann das aus Datenschutzgründen von Vorteil sein. Bei geschlossenem Raum kann der interne Datenverkehr nicht mitgelesen werden. Es ist jedoch weiterhin möglich, Datenpakete durch optische Umleitungen abzufangen. Dazu muss physikalischer Zugriff auf den Raum bestehen.
Ein weiterer Vorteil: Es steht ein größeres Spektrum zur Verfügung als bei Funkwellen. Dadurch können beim einzelnen Nutzer höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erzielt und ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden. Das Spektrum des sichtbaren Lichts ist zudem unlizenziert und für jeden frei nutzbar.
Die Deckenlampe wird umgerüstet
Und noch mehr spricht für die Technik. Damit sie funktioniert, muss bestehende Infrastruktur nur geringfügig umgerüstet werden. In die Deckenlampe wird ein Encoder integriert. Das zu versorgende Gerät benötigt einen Empfänger, um die Lichtwellen einzufangen. Die Stromversorgung erfolgt über das bestehende Stromnetz. Die Technologie hat einen minimal höheren Energiebedarf als die Lampe selbst. Dieser kommt durch den Stromverbrauch des Encoders zustande.
Die Kommunikation von einem zentralen Internet-Anbindungspunkt für das Netzwerk zur Diode in dem Transmitter kann ebenfalls über ein bestehendes System hergestellt werden: das Stromnetz. Dafür wird eine Powerline-Lösung installiert. Das LED-Sendesystem, also die Lampe, bezieht die Signale direkt über das Stromnetz. Es wird lediglich geringe zusätzliche Energie benötigt, um das Signal im Encoder umzuwandeln.
Viele ungelöste Probleme
Die Technologie im Allgemeinen wirft aber auch große Probleme auf. Es muss zwingend eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger bestehen. Selbst kleinere Störungen machen die Verbindung unbrauchbar und lassen die gesamte Kommunikation zusammenbrechen. Weil die Technik keine Wände durchdringen kann, muss in jedem Raum entsprechende Technik zur Datenübertragung installiert und ein synchroner Wechsel zwischen den verschiedenen Kanälen garantiert werden, wenn der Nutzer den Raum wechselt.
Auch mobil ist die Technik nicht: Bewegt der Nutzer das Endgerät in eine Richtung, die den Sensor von der Lampe abwendet, bricht die Verbindung ab. In einigen Fällen reicht es zwar aus, wenn kein Sichtkontakt besteht, allerdings sinkt hier die Performance ins Unbrauchbare. Um das Problem zu lösen, sind serienreife Rundumzellen nötig.
Zudem ist Licht bei hohen Übertragungsraten enorm anfällig für Störungen der Erdatmosphäre, etwa wenn Lichtstrahlen durch Gase oder Mikropartikel abgelenkt werden. Je länger die vom Licht zu überwindende Distanz ist, desto mehr Strahlen werden absorbiert oder gebrochen. Das schränkt die Stabilität und somit die Geschwindigkeit weiter ein. Auch berücksichtigt werden müssen potenziell auftretende Reflexionen des Lichts wie bei Spiegeln im Raum. Ist das Intervall zwischen zwei Signalübermittlungen größer als die durch die Reflexion auftretende Verzögerung, kann keine saubere Übertragung mehr erfolgen.
Li-Fi kann Wi-Fi nicht in jedem Anwendungsszenario ersetzen. Bei Assistenzsystemen im Auto etwa könnte es gefährlich werden; ein kleines Hindernis oder eine Verschmutzung der Fotozelle würden die Kommunikation teilweise oder komplett abbrechen lassen.
Endprodukte lassen auf sich warten
Komfortable Geräte für den Endanwender zur Abdeckung verschiedener Stromkreise existieren noch nicht. Mit speziellen Wandlern müssen Stromkreise überbrückt werden. Die Kosten steigen dadurch erheblich. Es gibt zwar bereits heute Phasenkoppler, die diesen Anforderungen gerecht werden. Aber Plug-and-Play-Lösungen für Powerline, die im Zusammenspiel mit einem Li-Fi-Sender einfach zu installieren und zu bedienen sind, gibt es nicht.
Das grundlegende Prinzip von optischer Datenübertragung ist nicht neu. Es kommt in Infrarot-Fernbedienungen zum Einsatz. Diese senden Morsezeichen an das TV-Gerät. Auch in einigen wenigen älteren Mobiltelefonen wurde für den Datenaustausch zwischen zwei Geräten Infrarot verwendet. Aufgrund der hohen Störanfälligkeit wurde der Standard von Bluetooth abgelöst, das, ähnlich wie herkömmliches Wi-Fi, mit elektromagnetischen Radiowellen im 2,4-Ghz-Band funktioniert. Zudem ermöglichte Bluetooth wesentlich höhere Datenübertragungsraten als das Infrarot auf dem damaligen Stand.
Mit Licht können allerdings viel höhere Übertragungsraten erreicht werden als noch vor einigen Jahren. Einige Forschungseinrichtungen finden es daher lohnenswert, zu der Technik zurückzukehren. Einer Forschergruppe der Universität Oxford gelang es etwa im vergangenen Jahr, Daten mit einer Geschwindigkeit von 224 Gbit/s über Licht zu übertragen. Dabei bündelten sie sechs verschiedene Wellen.
Eine Abteilung des Fraunhofer IPMS hat in diesem Jahr auf der Optical Fiber Communication Conference (OFC) in Kalifornien einen Prototyp zur schnellen Datenübertragung vorgestellt. Den Schwerpunkt legt die Einrichtung auf Industrieanlagen zur intelligenten Vernetzung von Produktionsstätten mit beweglichen Maschinen. Das Heinrich-Hertz-Institut stellte im April 2016 auf der Hannover Messe(öffnet im neuen Fenster) eine Industrielösung vor. Das gezeigte System soll ähnlich dem des IPMS in fest verbauten Produktionsanlagen mit flexiblen Komponenten zum Einsatz kommen.
Apple will Li-Fi bei seinen iPhones nutzen und soll seit Anfang dieses Jahres an einer Integration im Betriebssystem iOS arbeiten. Li-Fi könnte dabei ergänzend zu LTE, WLAN und Bluetooth agieren.
Solarzellen empfangen Daten
Li-Fi-Pionier Haas, der 2011 ein Konzept zur Datenübertragung per Li-Fi vorgestellt(öffnet im neuen Fenster) hat, hat mit seinem Unternehmen PureLiFi auf dem Mobile World Congress (MWC) 2016 in Barcelona erstmals ein funktionierendes Sende- und Empfangssystem präsentiert. Das LiFi-X(öffnet im neuen Fenster) genannte Modul ermöglicht eine Datenübertragung von synchron 40 Mbit/s im Up- und Download. Es handelt sich hierbei um ein USB-2.0-Dongle, das an jedem Computer oder Mobilgerät verwendet werden kann. Ein Datum, wann das System für Unternehmens- oder Privatkunden verfügbar sein wird, gibt es noch nicht.
Haas arbeitet an einer Weiterentwicklung des Systems. Auf der Innovationskonferenz TEDglobal 2015(öffnet im neuen Fenster) in London zeigte er eine Übertragung mit einer normalen Solarzelle als Empfänger. Dieser Weg eröffne ganz neue Möglichkeiten für das Internet of Things (IoT), indem Geräte auf Sichtverbindung direkt stabil miteinander kommunizieren könnten, sagte Haas.
Für längere Kommunikationsstrecken kämen Laserstrahlen zum Einsatz. Dies ermögliche Milliarden Menschen einen kostengünstigen Zugang zum Internet, indem beispielsweise an lokal höher gelegenen Orten eine Basisstation für die optische Übertragung installiert wird. Weiterhin können Solarzellen sowohl aus Sonnenstrahlen als auch Laserstrahlen elektrischen Strom produzieren.
Die Technik funktioniert auch bei Nebel
Auch für die Nutzung im Auto könnte diese neue Technik Li-Fi interessant machen: Im Straßenverkehr können mit Solarzellen ausgestattete Autos Daten empfangen. Sie würden eigenständig mit anderen Objekten kommunizieren und interagieren. Haas hat keine Bedenken, dass die Technik bei Nebel oder ähnlichen Wettereinflüssen nicht funktionieren könne. Es dringe immer noch genügend Licht hindurch, an dem die Solarzelle die Modulation des Lichts erkennen könne. Wir zweifeln diese Aussage in Bezug auf eine Praxisanwendung allerdings an.
Erst kürzlich haben Facebook-Forscher einen Empfänger für optische Datenübertragung vorgestellt , der als Li-Fi-Client agiert. Am 28. Juni 2016 fand ein 96 Minuten langer Testflug eines Aquila genannten Drohnenflugsystems statt. Dieses ist als Basisstation für mobiles Internet konzipiert. Die Kommunikation mit den Clients erfolgt über einen Laser.
Der Versuch wurde im Rahmen der Facebook-Initiative Internet.org durchgeführt. Der Konzern erhofft sich, bis zu 1,6 Milliarden Menschen in entlegenen Gebieten ohne Zugang zum Internet versorgen zu können.
Wie geht es weiter?
Wird Li-Fi in absehbarer Zeit Wi-Fi ersetzen? Vermutlich nicht. Zwar kann die Technik etwa für Produktionsorte oder Industrieanlagen attraktiv sein. Der Nutzen für den Endkunden hält sich aber bislang in Grenzen. Noch gibt es zu viele Schwierigkeiten. Im Praxisbetrieb außerhalb von fest montierten Industrieanlagen ist zurzeit kein Geschwindigkeitsvorteil vorhanden. Das größere Spektrum wiegt die Nachteile der geringen Reichweite nicht auf, die Störanfälligkeit ist zu hoch. In absehbarer Zeit wird es nicht möglich sein, den Standard marktreif zu entwickeln. Eine Einführung auf dem Verbrauchermarkt scheint daher unwahrscheinlich.
Abschreiben sollte man die Technik aber nicht. Für die Nutzung in stationären Systemen ist sie vielversprechend. Das Konzept von Haas, Li-Fi im Zusammenhang mit Solarzellen über Distanzen von wenigen Kilometern zu nutzen, ergibt durchaus Sinn. Eine tatsächliche Umsetzung von Unternehmen wie Facebook scheint realistisch.
Ebenfalls denkbar wäre ein Dual-Betrieb mit etabliertem Wi-Fi. Hiermit würde die Stabilität gewährleistet, über den optischen Kanal könnten verfügbare Frequenzen zur schnellen und sicheren Datenübertragung genutzt werden. Bis daran gearbeitet wird, wird jedoch noch einige Zeit vergehen. Zunächst hat die Lösung der bekannten Probleme Priorität, so dass vorrangig an einsatzfähiger Hardware geforscht wird.
Nachtrag vom 7.12.2016, 11 Uhr:
Nach einem ausführlichen und informativen Hinweis eines Lesers haben wir einige Passagen des Artikels überarbeitet.