Li-Fi als Datenübertragung in der Industrie
Optisch und drahtlos
Kabelgebundene Lösungen wie Ethernet haben sich weitläufig durchgesetzt und industrielle Protokollpendants wie Ethercat und Profibus regeln die Kommunikation in echtzeitkritischen Anwendungen. Mit Blick in die Zukunft sind kabelgebundene Übertragungsverfahren jedoch oft nicht flexibel genug. Dann bieten sich drahtlose Alternativen an, z.B. Li-Fi.
Bild: Fraunhofer-Institut IPMSIn industriellen Anwendungen und Netzwerken steigen die Anforderungen an die Datenkommunikation. Hohe Datensicherheit, garantierte Übertragung und geringe Latenzzeiten sind nur einige Faktoren, die es häufig zu berücksichtigen gibt. Funkverfahren wie Bluetooth und WLAN bieten hier zwar Lösungen, sind aber nicht in jedem Fall einsetzbar oder praktikabel. Li-Fi könnte als Alternative genutzt werden.
Bild: Fraunhofer-Institut IPMSOptisch und drahtlos
Was ist Li-Fi? Das Kunstwort beschreibt die drahtlose optische Übertragung von Daten mit sichtbaren Licht oder infraroter Strahlung. Weitere Begriffe, die in diesem Zusammenhang oft genannt werden, sind VLC (Visible Light Communication) oder IRC (Infrared Communication). IRC arbeitet im Spektrum der infraroten Strahlung von 400 bis 200THz (750 bis 1.510nm), als Emitter werden oft Laserdioden verwendet. Im Gegensatz dazu werden für VLC Leuchtdioden genutzt und das Frequenzspektrum liegt zwischen 800 und 400THz. Um eine drahtlos optische Übertragungsstrecke aufzubauen, benötigt man wenigstens einen Sender und einen Empfänger.
Sender und Empfänger
Die Aufgabe des Senders besteht darin, die zu übertragenden Daten in ein gerichtetes optisches Signal zu konvertieren. Zunächst wird ein eingehendes elektrisches Signal, z.B. aus einem Ethernet-Anschluss, empfangen und anschließend in ein optisches gewandelt. Dabei steuert ein Treiberschaltkreis den Emitter an und variiert dessen Emissionsintensität. Die Sendeoptik beeinflusst die Abstrahlcharakteristik entsprechend der Zielparameter wie Übertragungsdistanz und Abdeckungsbereich. Am Empfänger werden die Lichtsignale von einer Fotodiode aufgenommen, verstärkt und in elektrische Signale gewandelt. Dafür werden hauptsächlich Pin-Dioden und Avalanche-Fotodioden eingesetzt. Auch am Empfänger werden Optiken verwendet, um das eintreffende Licht auf den Empfänger zu fokussieren.
Bild: Fraunhofer-Institut IPMSVorteile und Nachteile
Da Li-Fi im nicht lizenziertem Lichtspektrum arbeitet, sind höhere Bandbreiten als mit Funkstandards möglich. Außerdem fallen deswegen auch keine Lizenzgebühren an. Die Übertragung mit Licht ist zudem unempfindlicher gegenüber elektromagnetischer Interferenzen. Im Vergleich mit anderen drahtlosen Funk-Übertragungsverfahren hat Li-Fi aber auch Nachteile, wie die Notwendigkeit der Sichtverbindung, die bei Funkstandards nicht notwendig ist. Im Gegensatz dazu kann die Strahlung nicht durch Wände dringen und ist somit auch nicht so leicht zu hacken.
Zielkonflikte
Häufige Zielkonflikte in der Auslegung von Li-Fi bestehen in Bezug auf das Sichtfeld (Field of View, FoV), der Übertragungsdistanz und der maximalen Datenrate. Die Erhöhung eines Parameters führt zur Verringerung einer der beiden anderen Größen oder zur Verringerung beider. In der Auslegung muss zwischen den Parametern ein Kompromiss gefunden werden. Außerdem spielen auch Parameter, wie der vorhandene Bauraum und die Geometrie, die Positionierungstoleranzen beider Transceiver zueinander, Konnektivität und umliegende Rauschquellen eine Rolle.
Bild: Fraunhofer-Institut IPMSAnwendungen in der Industrie
Überall wo eine Datenverbindung zwischen zwei oder mehreren Teilnehmern hergestellt werden soll, kann Li-Fi eingesetzt werden. Üblicherweise wird dies durch Kabel, Steckverbinder, Schleifringe, Schleifkontakte und kontaktlos durch Funktechnik realisiert. Li-Fi eignet sich zum einem um große Abdeckungsbereiche mit einer drahtlosen Datenverbindung auszustatten, ähnlich zu einem WLAN Access Point, zum anderen um kurze Strecken zu überbrücken.
Schnittstelle zwischen rotierendem und statischem Bauteil
Die Kurzstreckenlösung Li-Fi GigaDock eignet sich z.B. um kontaktlose Datenschnittstellen zwischen rotierenden und statischen Bauteilen herzustellen. In Messungen konnte nachgewiesen werden, dass eine nahezu fehlerfreie Kommunikation zwischen eines um die eigene Achse rotierenden Transceivers zu einem statischen Transceiver bei Betrieb von bis zu 1.400U/min erreicht werden kann. Für solche industriellen Anwendungen kommen üblicherweise Schleifringe zum Einsatz. Diese haben vor allem bei kontaktierenden Verfahren allerdings begrenzte Datenraten und sind wegen der ständigen Schleifverbindung verschleißanfällig. Die Optik des Transceivers des Li-Fi-GigaDocks aus dem Evaluation Kit des Fraunhofer IPMS dient zugleich als Gehäuse des Transceivers. Mit dem Kit können Punkt zu Punk-Datenverbindungen im Vollduplexmodus mit einer Datenrate bis 5Gbit/s auf eine maximale Distanz von 10cm aufgebaut werden. Der Emitter wird nach Laserklasse I betrieben. Die Technologie kann hinsichtlich Konnektivität, Bauform- und Größe sowie Datenraten (bis zu 12,5 Gbit/s) und Übertragungsdistanz auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Modul zur Datenübertragung über große Distanzen
Das Modul des Evaluationkits der Li-Fi-Hotspot-Lösung ist für die Datenübertragung über große Distanzen geeignet. Übliche Anwendungen sind in dem Ersatz von W-LAN Access Points zu sehen. Das Kit kann z.B. eine Gigabit-Ethernet-1000Base-T-Verbindung optisch überbrücken und ohne zusätzliche Software per Plug&Play mit einem Cat6-Kabel angeschlossen werden. Über das Modul lässt sich ein optischer Punkt-zu-Punkt-Datenlink aufbauen. Erreicht werden können Datenraten bis zu 1 GBit/s, bei einer Übertragungsdistanz von maximal 5m. Anpassbar sind die Datenraten, Distanzen (bis zu 30m) und die Schnittstellen wie USB3.0, Ethernet, GigE-Ethernet. Ebenso ist die Integration der Module in verschiedenen baulichen Anforderungen möglich.
Kabelgebundene Lösungen wie Ethernet haben sich weitläufig durchgesetzt und industrielle Protokollpendants wie Ethercat und Profibus regeln die Kommunikation in echtzeitkritischen Anwendungen. Mit Blick in die Zukunft sind kabelgebundene Übertragungsverfahren jedoch oft nicht flexibel genug. Dann bieten sich drahtlose Alternativen an, z.B. Li-Fi.
Bild: Fraunhofer-Institut IPMSIn industriellen Anwendungen und Netzwerken steigen die Anforderungen an die Datenkommunikation. Hohe Datensicherheit, garantierte Übertragung und geringe Latenzzeiten sind nur einige Faktoren, die es häufig zu berücksichtigen gibt. Funkverfahren wie Bluetooth und WLAN bieten hier zwar Lösungen, sind aber nicht in jedem Fall einsetzbar oder praktikabel. Li-Fi könnte als Alternative genutzt werden.
Fraunhofer-Institut IPMS
Dieser Artikel erschien in INDUSTRIAL COMMUNICATION JOURNAL 2 2019 - 15.05.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
