Mit Laptop, Tablet-PC oder Smartphone lässt sich jederzeit und überall die ganze Bandbreite des Web-Entertainments nutzen – zumindest theoretisch. Denn an Hotspots, an denen viele Geräte gleichzeitig Daten aus dem Netz »saugen« wollen, wird der Datenhighway von Mobilfunk- oder WLAN-Verbindung schnell zur Kriechspur. Überall dort, wo Funknetze zu langsam, unerwünscht oder nicht möglich sind, könnten LED-Leuchten zusätzliche Datenhighways eröffnen. Durch die »Visible Light Communication« Technik können selbst breitbandige Videodateien problemlos in HD-Qualität übertragen werden.

Jeder kennt die Leselampe über dem einzelnen Sitzplatz im Flugzeug oder im Zug. Aber immer seltener nutz man diese wirklich zum Lesen eines Buches oder einer Zeitung – immer häufiger vertreiben sich die Reisenden ihre Zeit mit Videos, Spielen oder Arbeit auf ihren elektronischen Reisebegleitern. Damit Smartphone, Tablet-PC oder Laptop nicht nur auf die eigenen, darauf gespeicherten Medien beschränkt bleiben, benötigen sie allerdings die Unterstützung durch eine funktionsstarke Verbindung zum Server. Für »klassische« WLAN- oder Handynetze ist es dabei eine Herausforderung, diese dann auch zuverlässig und mit hohen Übertragungsraten zur Verfügung zu stellen. Denn je mehr Personen sich ins Funknetz einloggen, desto geringer wird auch die für jeden einzelnen nutzbare Bandbreite.

Als Problemlöser könnte die Leselampe schon bald eine neue, zusätzliche Rolle übernehmen: Die Forscher am Fraunhofer HHI verwenden das sichtbare Licht von LED-Leuchten für den Datentransfer. Ihre Visible Light Communication Technik macht mit nur wenigen Zusatzbauteilen handelsübliche LEDs zu leistungsstarken Sendern eines optischen WLAN. Mithilfe eines speziellen Modulators werden die Leuchtdioden in schnellem Rhythmus ein- und ausgeschaltet und können so die digitalen Informationen übertragen. Da diese Lichtmodulation bei einer sehr hohen Frequenz stattfindet, ist sie für das menschliche Augen nicht wahrnehmbar. Über die Leseleuchten in Flugzeug oder Bahn könnte also jeder Reisende an seinem Platz seine individuellen Daten und Entertainmentprogramme empfangen.

Zum Abschluss des EU-Projektes OMEGA präsentierten die Forscher von Fraunhofer HHI ein Beispielsszenario für den Einsatz der optischen Hochleistungsübertragung in einer Warte- oder Businesslounge. Eine LED-Deckenbeleuchtung strahlt dafür ihr Licht auf eine mehr als zehn Quadratmeter große Raumfläche. Die Empfangsgeräte mit den Photozellen lassen sich innerhalb dieses Bereiches frei positionieren. Um die Leistungsfähigkeit des optischen WLAN zu demonstrieren, wurden bei der Technikpräsentation vier Videofilme in HD-Qualität und mit einer Transfergeschwindigkeit von 100 Megabit pro Sekunde gleichzeitig auf vier Laptops übertragen. Im Labormaßstab gelang es den Wissenschaftlern mit einer Übertragungsrate von 800 Megabit pro Sekunde einen Weltrekord aufzustellen. Um diese hohen Datenraten zu erreichen, verwenden die Forscher LEDs, die das abgestrahlte Weißlicht aus drei Farben, jeweils einer roten, grünen und blauen Diode, zusammensetzen. Dadurch stehen drei parallele optische Bahnen für den Datentransfer zur Verfügung.

Die Forscher am Fraunhofer HHI sehen derzeit gute Chancen dafür, dass sich die Übertragungsleistung der Visible Light Communication weiter steigern lässt. Denn noch werden die am Markt verfügbaren LEDs ausschließlich auf ihren Verwendungszweck als Lichtquelle optimiert. Eine Berücksichtigung der Zusatzfunktion als Datensender in der Entwicklung der Baupläne von LED könnte damit künftig noch einen erheblichen Geschwindigkeitsgewinn bringen.

Auch die Technologie zur optischen Datenübertragung mit LED selbst wird am Fraunhofer HHI derzeit schrittweise weiterentwickelt. Dazu zählen etwa Verfahren, die verhindern, dass bei einem Unterbrechen der direkten Lichtverbindung zwischen LED und Photozelle die Übertragung einfach abbricht. Verdeckt etwa eine Hand den direkten „Sichtkontakt“ der Photozelle, kann die Übertragungssoftware dennoch sicherstellen, dass der Datenfluss verlust- und fehlerfrei wieder aufgenommen wird, sobald die Verbindung wieder frei ist. Zudem wollen die Forscher in solchen Situationen das von der Decke, dem Boden und von Wänden reflektierte Streulicht dazu nutzen, den Datenstrom auch ohne direkte Sichtverbindung weiter aufrecht zu erhalten. Dafür wird eine intelligente Übertragungstechnologie eingesetzt, die die Geschwindigkeit des Datentransfers automatisch an die Bandbreite der verfügbaren Lichtverbindung anpasst. Damit das optische WLAN keine Einbahnstraße von den LEDs zur Photozelle bleibt, lässt sich das System beispielsweise um eine zusätzliche Infrarotschnittstelle als Rückkanal ergänzen. Auf diese Weise können Informationen dann auch vom Mobilgerät an den Medienserver oder ins Internet gesendet werden.

Die Visible Light Communication sehen die Forscher nicht als Ersatz, sondern als Ergänzung bestehender Verbindungstechnologien. Ziel der Systementwickler ist daher, die Technologie so zu gestalten, dass sie einfach über Plug-and-Play nutzbar ist und problemlos mit den bestehenden Übertragungsverfahren über LAN, WLAN oder Mobilfunk zusammenarbeiten kann. Eine Verwendung in Flugzeug, Bahn oder Wartelounges ist dabei nur ein Ausschnitt künftiger Anwendungsmöglichkeiten. Visible Light Communication eignet sich zudem besonders für alle Umgebungen, in denen Funknetze nicht erwünscht oder nicht möglich sind. Dies gilt etwa für den Entertainmentzugang in Krankenhäusern oder für funksensible Umgebungen wie Operationssaal oder Produktionshallen, in denen damit eine Datenübertragung auf mobile Geräte ermöglicht wird.

Aber auch aus Gründen der Sicherheit ist die Übertragung von Daten per Licht eine gute Alternative, da dies räumlich begrenzt ist: WLAN geht durch Wände und lässt die Nachbarn nutznießen oder eröffnet Risiken wie das Abhören sensibler Bankdaten bei drahtloser Kommunikation.

Es ist jedoch zu beachten, dass bei Visible Light Communication die Reichweite von der Lichtstärke abhängt und diese Technologie auch nur dort zum Einsatz kommen kann, wo LEDs vorhanden sind.

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Dr. rer. nat. Anagnostis Paraskevopoulos
  • Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut HHI
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