Drahtlose Datenübertragung mit Hilfe optischer Strahlung – LiFi, VLC und Co.

Datenübertragung mit VLC (Visible Light Communiation)

Drahtlos Informationen zu übertragen funktioniert auch mit optischer Strahlung, nicht nur mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern wie beispielsweise beim Mobilfunk. Diese Technik der optischen Freiraumdatenübertragung wird z.B. als Light Fidelity (LiFi), Visible Light Communication (VLC) oder auch optischer Richtfunk bezeichnet. Es werden Wellenlängen im sichtbaren und infraroten Bereich verwendet.

Die Funktionsweise

Bei der optischen Freiraumdatenübertragung wird eine kabellose Verbindung in Räumen oder im Außenbereich zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfängereinheit aufgebaut. Sender und Empfänger tauschen Daten und Informationen mittels gerichteter und gebündelter optischer Strahlung aus. Der Sender ist mit einer optischen Strahlungsquelle (z.B. Leuchtdiode (LED) oder Laserquelle) ausgestattet. Der Empfänger enthält eine Fotodiode, mit der die optische Strahlung aufgenommen (detektiert) werden kann.

Die Daten, die in Form elektrischer Signale an der Sendeeinheit ankommen, werden mit Hilfe eines Modulators in optische Daten-Signale umgewandelt und an den Empfänger übertragen. Der Empfänger wandelt diese optischen Signale wieder mittels eines Modulators in elektrische Signale um, die vom Endgerät ausgelesen werden können. Für eine Datenübertragung in beide Richtungen ("Downlink" und "Uplink") müssen sowohl Sende- als auch Empfängereinheit mit einem Modulator, einer optischen Strahlungsquelle und einer Fotodiode ausgestattet sein. Die Modulation des optischen Signals ist für die Funktion der Datenübertragung unabdingbar und kann unterschiedlich gestaltet sein. Entweder wird die Helligkeit der Strahlungsquelle oder das Spektrum moduliert.

Vor- und Nachteile

Zu den Vorteilen gehören eine hohe Datensicherheit und insbesondere eine schnelle Datenübertragung. Als Nachteile sind u.a. zu nennen: Für eine störungsfreie Datenübertragung muss ein direkter Sichtkontakt zwischen Sende- und Empfängereinheit bestehen. Lichtundurchlässige Materialien verhindern die Datenübertragung. Wird diese Technik im Außenbereich angewendet, kommen beispielsweise Witterungseinflüsse hinzu, die die Datenübertragung stören können. Sowohl im Außen- als auch im Innenraum kann sich zu hohes Umgebungslicht störend auf die Übertragung auswirken.

Gesundheitliche Aspekte und Sicherheit

Da Helligkeitsveränderungen der Strahlungsquelle für die Funktion der optischen Freiraumdatenübertragung mit Licht erforderlich sind, ist es wichtig, mögliche gesundheitliche Aspekte dieser Technik mit zu betrachten. Es sollten keine sogenannten "Temporal Light Artefacts (TLA)" wie Lichtflimmern oder Stroboskopeffekte auftreten. Die Modulationen sollten nicht mit dem Auge als "Flimmern" wahrnehmbar sein und oberhalb von Frequenzen liegen, bei denen Beschwerden wie Kopf- und Augenschmerzen auftreten könnten. Zudem sollten Blendwirkungen und Blaulichtgefährdung vermieden werden. Zudem muss für die Dauer der Datenübertragung die optische Strahlungsquelle durchgehend betrieben werden. Daher ist zu bedenken, dass diese zusätzliche Lichtexposition in den Abendstunden einen unerwünschten Einfluss auf den Schlaf-Wach-Rhythmus haben könnte.

Zur Beurteilung der Sicherheit werden üblicherweise einschlägige Normen herangezogen. Für die Sicherheit ihrer Produkte sind die jeweiligen Hersteller verantwortlich.

Aus Sicht des Strahlenschutzes sollten LEDs und Lampen, die zur optischen Freiraumdatenübertragung genutzt werden, der freien Gruppe (kein Risiko) nach der Norm DIN EN 62471 angehören bzw. im Fall von Lasern der Klasse 1 oder 1M nach DIN EN 60825-1 (Sicherheit von Lasereinrichtungen).

Anwendungsgebiete optischer Freiraumdatenübertragung im Innen- und Außenbereich

Anwendungen zur optischen Datenübertragung können beispielsweise folgende sein:

• Kommunikation auf Betriebsgeländen;
• Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation
• Kommunikation in sensiblen Umgebungen, wie z.B. Krankenhäuser, in denen Funkkommunikation störend wirken kann,
• Kommunikation von Maschinen und Robotern untereinander
• Unterwasserkommunikation beispielsweise zwischen Tauchern und Robotern
• Überwindung von Verkehrswegen und Hindernissen wie Berge, Flüsse, Straßen
• Temporärer Netzausbau, wenn kurzfristig ein erhöhter Datentransfer notwendig ist z.B. bei Notfällen oder Veranstaltungen.
• Kommunikation zwischen Satelliten sowie zwischen Satelliten und Bodenstationen
• Innenraumkommunikation im öffentlichen Bereich, z.B. Schulen, Bibliotheken, Besprechungsräumen, Museen

Herkömmliche auf dem Markt befindliche Endgeräte (Smartphones, Laptops etc.) sowie zur Beleuchtung eingesetzte Lampen und Leuchten sind momentan noch nicht in der Lage, die Technik der optischen Datenübertragung zu nutzen. Hierfür müssen entsprechende Sende- und Empfängereinheiten ergänzt werden.