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Smarte Beleuchtung

Wo Licht ist, ist auch Internet

26. November 2020, 8:07 Uhr |

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Potenzielle Anwendungsfelder

LiFi bietet das Potenzial für viele Anwendungsfälle. Sei es für kommerzielle, industrielle oder Außen-Applikationen. Im Folgenden einige ausgewählte Einsatzbereiche und -felder, auf die auch das Fraunhofer HHI auf seiner Webseite Bezug nimmt.

Die Beleuchtungsindustrie ist stets auf der Suche nach neuen, innovativen Geschäftsmodellen, aus denen Mehrwerte generiert werden können. Neben bereits existenten Beleuchtungskonzepten und der im Rahmen der Entwicklung des Internet of Things bequemen Fernsteuerung, bietet die Technologie nun neue Chancen durch Verbindung der Lichtlösung mit der Datenübertragung.
In Hochsicherheitsbereichen, zu denen Forschungs-, Geheimdienst- und Militäreinrichtungen gehören, ist die Gewährleistung von Datenschutz unabdingbar. Der Einsatz von LiFi ermöglicht in diesen Bereichen die Realisierung spezifischer Anforderungen.
Darüber hinaus ist die LiFi für Gebäude-Infrastrukturprojekte gefragt. Damit können adaptive Flächen geschaffen werden, zum Beispiel in einem Bürogebäude, die problemlos und kostengünstig umwandelbar sind, ohne Neuinstallationsaufwand für Beleuchtung und Kommunikationstechnik.
Allein die Funktion der Innenraum-Lokalisation über die Technologie bietet vielseitigen Einsatz im Retail-Bereich, mit einem gewinnbringenden Nutzen. Im Supermarkt können Kunden über eine App beispielsweise den genauen Standort eines Produkts ermitteln und dadurch komfortabel ihre Einkäufe erledigen.
Der Einsatz im Lagerraum erleichtert die Inventur- und Betriebsmittelverwaltung. Des Weiteren können beispielsweise Kundenstrom und Kundenverhalten gemessen und analysiert werden, zur Ableitung gezielter Marketingmaßnahmen. Fernab des Geschäfts ist auch der Einsatz von Light Fidelity in Parkhäusern denkbar.
Um permanent verfügbare und flexiblere Warenflüsse zu gewährleisten werden in der Intralogistik zunehmend automatisierte Lösungen eingesetzt. Mit dem Einsatz von LiFi als optische Datenübertragungstechnologie lassen sich stabile interferenzfreie Datenlinks aufbauen und so immer eine sichere Datenübertragung gewährleisten. Mit LiFi kann der parallele Betrieb von vielen Fahrzeugen mit Datenlinks bei gleichbleibender Bandbreite realisiert werden.
IP-Telefone, also Telefone die über eine Internetverbindung funktionieren, haben mittlerweile analoge und ISDN-Geräte fast vollständig ersetzt. Die Geräte werden üblicherweise über Ethernet an einen Router oder Switch an das Datennetz angeschlossen und beziehen häufig auch die Betriebsenergie über das Ethernetkabel (Power over Ethernet, kurz POE). In manchen Bereichen ist es allerdings nicht möglich Kabel zu verlegen oder funkbasierte Technologien einzusetzen. Daher können optische Datenlinks einen sinnvollen Ersatz für die Ethernetschnittstelle darstellen. Setzt man LiFi als optische Datenübertragungstechnologie zwischen Router und Telefon ein, lassen sich interferenzfreie und sichere Datenlinks aufbauen.
Vernetzte Fahrzeuge sind für Innovationen wie autonomes Fahren und Platooning, also das automatisierte Fahren in Kolonnen mit geringen Abständen, grundlegend. Bisher werden funkbasierte Verfahren wie beispielsweise WLAN (IEEE 802.11p) eingesetzt. Diese Technologie ist bewährt und erlaubt hohe Datenraten. Solche Standards aber haben auch ihre Schwächen, wie einen eng begrenzten Frequenzbereich, manipulierbare Signale und die elektromagnetische Verträglichkeit. Alternative Übertragungswege zur Ergänzung der Systeme sind also gefragt. Die echtzeitfähige Technologie LiFi, mit Latenzen im Mikrosekundenbereich, bietet sich als redundanter Kanal zu WLAN an. Ebenso denkbar ist eine Aufgabenverteilung. Zu Wireless Fidelity (WiFi) käme dann Light Fidelity (LiFi) als zusätzlicher Kanal dazu.
LiFi-Hotspots nutzen das Spektrum des Lichts anstatt Funk, um Daten zu übermitteln. Im Vergleich zu Funk ist die optische Technologie grundlegend sicherer vor elektromagnetischen Störungen. Es ist abhörsicher und außerdem im Mikrosekundenbereich echtzeitfähig und das bei Datenraten bis 1 GBit/s. Diese Faktoren prädestinieren die optische Kommunikation für den industriellen Einsatz. LiFi kann in Bereichen eingesetzt werden, in denen selbst Industrie WLAN Access Points an ihre Grenzen stoßen. Die örtliche Diversität erleichtert außerdem die Netzwerkplanung, die aufwändige Antennenplanung und -ausrichtung ist so nicht mehr notwendig.
Datenschnittstellen zwischen rotierenden und statischen Bauteilen sind eine der größten Herausforderungen in der Datenübertragung. Häufig werden Schleifringe genutzt, um dieser zu begegnen. Kontaktbasierte Schleifringe kommen häufig materialbedingt an ihre Grenzen, während kontaktlose Lösungen entweder sehr kostenintensiv, störanfällig für Interferenzen oder gering in der Datenrate sind. LiFi-Transceiver könnten laut Fraunhofer HHI Datenraten bis 12,5 GBit/s kontaktlos und in 360-Grad-Rotation übertragen und eignen sich daher gut für den Einsatz als Drehübertrager. Da sie die Daten optisch übertragen, sind sie zudem nahezu interferenz- und verschleißfrei.
Aktuell werden vorwiegend klassische Verbindungstechniken wie Steckverbinder und Kabelschleppen eingesetzt, um Maschinen und Roboter an die Datenkommunikation anzubinden. Neben mangelnder Flexibilität dieser Lösungen führt der stetige mechanische Kontakt zu Verschleißerscheinungen an den Komponenten. LiFi – also die optische Datenübertragung kann als kontaktloser Steckverbinder oder auch als Kabelersatz dienen und überträgt dabei hohe Datenraten im Gigabit-Bereich. Die kontaktlose Verbindungstechnologie ist nahezu verschleiß- und interferenzfrei und eignet sich für den Einsatz in Ex-Schutzbereichen.

Forschung, Produkte, Allianzen: ein Markt nimmt Gestalt an

Der Ansatz, Daten via Licht zu übertragen, ist nicht neu. Er existiert bereits seit geraumer Zeit: Geprägt wurde der Begriff Light Fidelity bereits 2011 von Harald Haas während einer TED-Konferenz. Der deutsche Wissenschaftler arbeitet seitdem mit seinem Unternehmen PureLiFi, einem Spin-Out der Universität Edingburgh, weiter an der Technologie. Ende 2015 stellte Haas eine verbesserte und effizientere Variante von LiFi vor, bei der eine Photovoltaikzelle zum Einsatz kommt, um die Lichtsignale aufzufangen und weiter zu verarbeiten. Diese Version bietet den Vorteil, dass sich damit nun auch Energie zurückgewinnen lässt, was neue Anwendungsmöglichkeiten auf den Plan ruft. Aktuelle Lösungen des Unternehmens zielen beispielsweise auf den Einsatz der Gigabit-LiFi-Technologie im Umfeld der kommenden Generation mobiler Geräte ab. Im Juni 2019 schloss sich PureLifi mit führenden Kommunikations- und Beleuchtungsunternehmen wie Nokia, Emirates Integrated Telecommunications Company (du), Ledvance, Liberty Global, Lucibel, LiFi Research & Development Centre, Velmenni, Zero.1, CEA Leti und dem Institut Mines-Télécom zu einem globalen Verband namens Light Communications Alliance (LCA) zusammen. Ziel der Allianz ist es, an der Entwicklung und Verfeinerung der wichtigsten Anwendungsfälle und Bereitstellungsanwendungen zu arbeiten und die Verwendung von Standards für diese aufstrebende Branche zu forcieren.

Auch andere Firmen und Organisationen haben sich rund um die einzigartige Übertragungstechnologie gegründet und bereits Produkte auf den Markt gebracht. Wie Anwendungskonzepte für LiFi aussehen, überlegt zum Beispiel das Li-Fi Consortium. Gegründet wurde die Industrievereinigung in der Anfangszeit von LiFi, im Jahr 2011, vom norwegischen Technologielieferanten IBSENtelecom, dem US-israelischen LED-Spezialisten Supreme Architecture und dem deutschen Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS). So hat das Fraunhofer IPMS bereits konkrete Anwendungen für LiFi-Produkte entwickelt. Darunter der „Li-Fi HotSpot“ und das „Li-Fi GigaDock“, die sich dazu eignen Steckverbinder, Kabel, Schleifkontakte und WLAN-Netzwerke zu ersetzen. Beide Module sind in bestehende Infrastrukturen implementierbar. Jüngst hat das Institut, das auch als Projektberater in dem Umfeld auftritt, zudem LiFi und Time Sensitive Networking kombiniert, um die echtzeitfähige und deterministische Datenübertragung auch drahtlos zu ermöglichen. Damit können mobile Anwendungen wie Industrieroboter oder dynamische Fertigungszellen drahtlos und in Echtzeit via TSN Standard kommunizieren. 2014 stellte das französische Start-up Oldecomm auf der Consumer Electronics Show (CES) das erste LiFi-taugliche Mobiltelefon vor. Aber auch andere Firmen aus Russland und Indien testen die Datenübertragung per Licht. Hierzulande machen in jüngster Zeit vor allem T-Systems, das Fraunhofer HHI und Signify (ehemals Philips Lighting) mit LiFi-Projekten von sich reden.