Zuverlässigkeit, eine geringe Latenz und Bandbreiten bis in den Gigabitbereich: Das ist der technologische Dreiklang, ohne den das Internet der Dinge nicht zufriedenstellend funktioniert. Was aber tun, wenn 5G und WLAN vor Ort nicht die erforderliche Leistung bringen? Bleiben elektronische Geräte und Steueranlagen dann abgeschnitten vom Internet? Prof. Dr. Volker Jungnickel und Dr. Christoph Kottke vom Fraunhofer HHI erklären, warum und wie es möglichst ist, diese Verbindungslücken mit Licht zu schließen.

Lampe an, Lampe aus. Immer wieder und im richtigen Rhythmus. Morsen mit der Taschenlampe dürften fast alle von uns schon versucht und dabei die Erfahrung gemacht haben, dass diese Methode sowohl langwierig als auch äußerst fehleranfällig ist. Bei den Forschungen zur optischen Drahtloskommunikation am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI nutzen Sie dasselbe Grundprinzip. Aber Sie behaupten, damit Funklösungen wie 5G und WLAN teils deutlich in den Schatten stellen zu können?

Jungnickel: Wir behaupten das nicht nur, wir haben es auch längst unter Beweis gestellt. Unser Light Fidelity (LiFi) Kommunikationsnetzwerk basiert in der Tat auf dem einfachen Prinzip, eine LED oder einen Laser sehr schnell ein- und auszuschalten. Im Unterschied zum Morsen wird das aber durch modernste Digitaltechnologien gesteuert, sodass die Ein/Aus-Vorgänge mit extrem hoher Geschwindigkeit und absolut präzise gesteuert werden können. Mit dieser Technik und unseren Sende-/Empfangsmodulen erreichen wir selbst bei einem einfachen Aufbau mit einer Deckenleuchte und dem Laptop auf dem Schreibtisch Übertragungen mit einer Datenrate im Gigabit/s-Bereich. Die einzige Bedingung ist eine freie Sichtverbindung dazwischen.

Vergleichbare Bandbreiten bietet aber doch auch ein WLAN-Netz. Und das überall im Raum – auch ohne Sichtkontakt zur Sendeantenne. Worin also liegt der Vorteil von LiFi?

Kottke: Natürlich können Sie auch über WLAN breitbandige Verbindungen herstellen. Zumindest, solange sich die Zahl der Zugangspunkte sowie der Nutzer und Nutzerinnen in Grenzen hält. In einem Schulungsraum, einem Workspace oder einem Klassenzimmer sieht die Sache schon anders aus: Hier muss die Bandbreite des Funknetzes unter Vielen aufgeteilt werden. Für den Einzelnen sind datenintensive Anwendungen dann kaum mehr möglich. Man blockiert sich gegenseitig. Mit LiFi dagegen lässt sich problemlos für jeden Arbeitsplatz eine eigene Gigabitverbindung einrichten. Und das Problem der freien Sicht lösen Sie, indem Sie so viele Kommunikationsmodule über die Deckenfläche verteilen, dass immer eine Sichtverbindungen möglich ist.

Jungnickel: Und die optische Schnittstelle hat weitere Vorteile: In puncto Störungsanfälligkeit und Datensicherheit zum Beispiel. Wird ein Roboter in der Industrie über LiFi mit Licht gesteuert, sind Verbindungsprobleme durch Interferenzen mit parallel arbeitenden Funkverbindungen in seinem Umfeld ausgeschlossen. Außerdem ist systembedingt weder ein böswilliger Störversuch durch einen Funkjammer möglich, noch ein unbemerktes Einhacken zum Beispiel vom Nebenraum aus. Funknetze sind in dieser Hinsicht deutlich anfälliger.

Dennoch sind LiFi Netzwerke in Büros und Industrieumgebungen noch kaum zu finden...

Jungnickel: Was sich in den nächsten Jahren aber grundlegend ändern könnte. Zentrale Voraussetzungen dafür hat das von der europäischen Kommission geförderte Projekt »ELIoT« geschaffen. In diesem Projekt haben wir die LiFi-Technologien gemeinsam mit internationalen Partnern aus Forschung und Industrie zu einem Systemkonzept ausgebaut, das sich für verschiedenste Anforderungen und Einsatzbereiche verwenden lässt. Und das nahtlos mit funk- und kabelbasierten Netzwerken aller Art zusammenarbeitet. Dafür aber mussten wir gewährleisten, dass alle Funktionalitäten über einen Chipsatz bereitgestellt werden können. Zudem haben wir neuartige Verfahren für das Handover integriert: Sie können sich nun von einem LiFi-Spot zum nächsten bewegen, ohne dass Ihre Datenanbindung abbricht. Und wenn das angebundene IoT-Objekt die LiFi-Umgebung verlässt, ist ein nahtloser Übergang auf eine WLAN- oder Mobilfunkverbindung möglich. 

Kottke: ELIoT hat uns wichtige Erkenntnisse und Inputs geliefert, um international gültige Standards für die Technologie zu etablieren. Alles zusammen genommen hat LiFi damit aktuell ein Entwicklungsstadium erreicht, das sich nicht mehr auf einzelne, hochspezifische Spezialanwendungen beschränkt, sondern reif ist für den Massenmarkt. Wie vielfältig das Potenzial der optischen Drahtloskommunikation im Internet der Dinge ist, belegen die ELIoT-Demonstratoren, die wir gemeinsam mit unseren Projektpartnern eingerichtet haben.

Zu diesen Möglichkeiten gehören beispielsweise die Ausstattung von Schulungsräumen oder die Steuerung von Industrierobotern?

Kottke: … Aber das ist längst nicht alles. Denken Sie beispielsweise an die Datenanbindung von fahrerlosen Transportfahrzeugen in einem Logistikzentrum. Über LiFi-Module in der Hallenbeleuchtung sind sie lückenlos mit ihrer Datenzentrale verbunden. Auch die LiFi-Installation selbst kann dabei kabelfrei erfolgen – über eine Sichtverbindung von einem zum nächsten Modul. Dies ermöglicht eine schnelle Umkonfiguration, zum Beispiel bei Veränderungen der Produktionsumgebung oder der -prozesse. Außerdem können die optischen Schnittstellen ein besonderes, zusätzliches Feature für den Betrieb dieser Automated Guided Vehicle (AGV) bieten: Eine zuverlässige und hochgenaue Positionserkennung. Weil sich die Lichtsignale überwiegend direkt entlang der Sichtverbindung ausbreiten, erreicht unser neu entwickeltes LiFi-Positioning eine Genauigkeit im Zentimeterbereich. Bei einem Funksystem hingegen verbreiten sich die Wellen überwiegend über Umwege und Reflexionen im Raum. Entsprechend komplexer und weniger präzise lassen sich bewegende Objekte darüber orten.

Jungnickel: Etwas vollständig anderes adressiert einer unserer Demonstratoren: Hier kommt eine LiFi-Lösung für die Hotellerie zum Einsatz, bei der Gäste den Code zum Öffnen der Zimmertür von ihrem Smartphone-Bildschirm auf das Elektronikschloss übertragen können. Und in Aufenthaltsräumen von der Lounge bis zur Shopping-Mall versorgen optische Schnittstellen Info- und Entertainmentbildschirme kabellos mit wechselnden Inhalten. Das ist nicht nur komfortabel, es schont auch das WLAN, das nun vollumfänglich für andere Zwecke genutzt werden kann.

Optische Drahtloskommunikation (Light Fidelity LiFi) bietet Zuverlässigkeit, geringe Latenz und Bandbreiten bis in den Gigabitbereich. Das Projekt ELIoT demonstriert wie vielfältig die Technologie das Internet der Dinge unterstützen kann. Bild: Fraunhofer HHI | bearbeitet durch Fraunhofer-Verbund IUK-Technologie

Ihr System ist also eine weitere Verbindungsoption für den Indoor-Einsatz in Gewerbe und Industrie, das in der Regel parallel zum WLAN arbeiten dürfte?

Jungnickel: Nicht nur. Unsere Projektpartner erproben die optische Drahtloskommunikation zum Beispiel auch im Bereich Breitbandausbau. Es dürfte also eine kostengünstige und leistungsfähige Möglichkeit im Bereich Wireless-to-the-Home werden. LiFi schließt dabei die Wirtschaftlichkeitslücke auf der letzten Meile, beziehungsweise den letzten Metern, von der Glasfaser- oder 5G-Infrastruktur zu einer kleinen Funkzelle oder in Gebäude und Wohnungen hinein: Vom Laternenmast am Bürgersteig aus stellt das LiFi-Modul durch ein Fenster hindurch die Breitbandverbindung zu seinem Pendant in Haus oder Wohnung her. Für Funksysteme ist ein geschlossenes Fenster in vielen Fällen eine unüberbrückbare Barriere. Für Licht jedoch nicht. Und die Eigentümer*innen können sich die Verlegung eines Kabels auf ihrem Grundstück sparen.  

Kottke: Innerhalb des Hauses gelangt das Internet über Licht dann zum Beispiel in Kombination mit Powerline-LiFi-Adaptern über das Stromnetz zum Wohnzimmer-TV, ins Home-Office, in den Keller und bis unter das Dach. Auch das ist eines der Szenarien, die in einer ElioT-Demonstration bereits im Livebetrieb umgesetzt sind. 

Trotzdem: Funktionierende Demonstratoren ebnen zwar den Weg Richtung Massenmarkt. Am Ziel sind Sie damit allerdings noch lange nicht?

Kottke: Das ist auch nicht unbedingt unsere Aufgabe als Forscher und Forscherinnen: ELIoT hat gezeigt, dass die grundlegenden Technologien reif für eine kommerzielle Anwendung sind. Was aber noch fehlt, ist eine deutlich steigende Bekanntheit der Technologie und damit einhergehend das Interesse der Zielgruppen. ELIoT hat innerhalb des Konsortiums und darüber hinaus starke Industriepartner zusammengebracht, die diesen Weg nun weitergehen, um LiFi in verschiedensten Bereichen zu etablieren. Wir werden sie dabei weiterhin unterstützen. 

Jungnickel: Die Entwicklungen durch das Internet der Dinge haben erst begonnen. Die drahtlose Kommunikation ist dabei unverzichtbare Basis. Funksysteme, auch die neuesten Entwicklungen bei 5G und der nächsten Mobilfunkgeneration, gelangen allerdings in vielen Bereichen an ihre Grenzen. Frequenzdschungel und störende Interferenzen sind nur schwer zu beherrschen, wenn immer mehr IoT-Objekte in Gebäuden oder draußen zuverlässig mit dem Internet und miteinander kommunizieren sollen und müssen. Umso wichtiger ist es, verschiedene Systeme einsetzen zu können, die ihre Vorteile je nach Situation passend ausspielen. Die Datenübertragung mit Licht ist hier also eine sehr sinnvolle und effiziente Erweiterung des nutzbaren Technologieportfolios für das Internet der Dinge. 5G, 6G, WiFi und LiFi sind keine Konkurrenten, sie ergänzen sich.  

(stw) 

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Interviewpartner
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Prof. Dr.  Volker Jungnickel
  • Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut HHI
Dr.  Christoph  Kottke
  • Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut HHI
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