Alternative Li-Fi Drahtlose Datenübertragung für kurze und lange Strecken

Kosten- und Gewichtsreduzierung der Bordnetzsysteme mit optischen Datenlinks zu betreiben.
Kosten- und Gewichtsreduzierung der Bordnetzsysteme lassen sich mit optischen Datenlinks betreiben.

Automobilhersteller erwarten von einem Bordnetzsystem hohe Zuverlässigkeit und erweiterte Funktionen sowie Kosten- und Gewichtsreduktion. Die drahtlose optische Datenübertragungstechnologie Light Fidelity bietet das Potenzial Kabel und Stecker durch optische Datenlinks zu ersetzen.

Das Fahren steht in heutigen Automobilen, ob assistiert oder gar autonom, nicht mehr im alleinigen Mittelpunkt. Auch Infotainment-Systeme nehmen eine immer bedeutendere Stellung ein. Kein Wunder also, dass das Bordnetz mittlerweile einen erheblichen Anteil am Gesamtgewicht des Fahrzeugs ausmacht. Zusätzlich zum Gewicht kommen Faktoren wie Platzbedarf und Probleme in der elektromagnetischen Verträglichkeit hinzu. Außerdem stoßen kabelgebundene Datenübertragungssysteme hinsichtlich der Datenrate zuweilen an ihre Grenzen. Neue Konzepte wie die drahtlose optische Übertragung können einen Beitrag zur Entlastung leisten.

Die drahtlose optische Datenübertragungstechnologie – heute als Light Fidelity (Li-Fi) bezeichnet – erlangte in den 1990er Jahren international großen Anklang, als sie den Eingang als Datenschnittstelle nach dem IrDa-Standard in viele mobile Geräte fand. Seither wurde die Technologie kontinuierlich weiterentwickelt. Lagen die damaligen Leistungsmerkmale bei wenigen Kilobit pro Sekunde auf einer Übertragungsstrecke von einigen Zentimetern, so erreichen die Systeme heute bei gleichen Distanzen schon zweistellige Gigabit-Bereiche. Doch nicht nur auf wenigen Zentimetern erreicht die Technologie heute hohe Datenübertragungsraten. Auch für Übertragungsstrecken über mehrere Meter werden schon Datenraten im Gigabitbereich erreicht.

Optische Datenübertragung hat viele Vorteile

Große Biegeradien und voluminöse Steckergeometrien sorgen für hohen Platzbedarf und erhöhten Integrationsaufwand kabelgebundener Technologien. Darüber hinaus ist die elektromagnetische Abschirmung der Leitungen innerhalb des Fahrzeugs immer wieder problematisch. Auch sind Kabel und Stecker durch eine hohe Verschleißanfälligkeit gekennzeichnet und in einigen Automobilanwendungen sind sie bereits der Engpass der Datenrate. Zudem ist die Integration in bewegliche oder gar rotierende Bauteile eine Herausforderung oder zum Teil gar nicht möglich. Drahtlose Systeme entschärfen oder umgehen diese Problematiken. Leider haben die etablierten funkbasierten Übertragungsstandards meist andere Schwierigkeiten, zum Beispiel eine hohe Störungsanfälligkeit aufgrund elektromagnetischer Interferenzen.

Li-Fi arbeitet im Lichtspektrum und lässt daher deutlich höhere Bandbreiten als die funkbasierten Technologien zu, was zu deutlich geringeren Einschränkungen bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen führt. Im Vergleich mit funkbasierten Technologien hält Li-Fi hinsichtlich der Datenrate mit dem fünften WLAN-Standard IEEE 802.11ac – auch oft 5G-WLAN genannt – bereits mit. Zudem ist die Übertragung via Licht unempfindlicher gegenüber elektromagnetischer Interferenzen. Für die Bandbreite von 200 bis 1600 nm besteht außerdem weltweit keine Regulierung, weswegen für die Nutzung keine Lizenzgebühren zu entrichten sind. Drahtlose Technologien wie WLAN sind zumeist nicht echtzeitfähig, lassen also keine Übertragung innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne zu.

Natürlich hat Li-Fi im Vergleich zu drahtlosen HF-Technologien auch Nachteile. Der Größte ist wohl die Notwendigkeit der Sichtverbindung. Doch dieser Nachteil gereicht in vielen Anwendungen zum Vorteil, denn um die Daten zu hacken, ist ebenfalls eine Sichtverbindung notwendig, weil die infrarote Strahlung sowie sichtbares Licht Wände oder andere Barrieren nicht durchdringen kann. Das kann in vielen Anwendungen ein erheblicher Vorteil sein.

Wie funktioniert Li-Fi?

Als Li-Fi wird die Übertragung von Daten durch das Medium Licht bezeichnet. Die Frequenzen liegen im sichtbaren Bereich von 400 THz (750 nm) und 800 THz (375 nm) oder im nahinfraroten Bereich von 400 THz und 200 THz (1510 nm). Findet die Übertragung im sichtbaren Lichtspektrum statt, wird auch häufig von Visible Light Communication, kurz VLC, gesprochen. Findet sie im nahinfraroten Bereich statt, spricht man hingegen auch von der Infrared Communication, kurz IRC.

Die drahtlose optische Kommunikation findet statt zwischen einer Sende- und Empfangseinheit – auch als Transmitter bzw. Receiver bezeichnet. Ein schematischer Aufbau einer optischen Übertragungsstrecke ist in Bild 1 dargestellt. Die zu übertragenden Daten in Form von Bits werden aus einer Quelle wie einem Ethernet-Port empfangen. Ein Treiberschaltkreis variiert die Emmissionsintensität des Emitters und wandelt so das eingehende elektrische Signal in ein optisches um. Häufig verwendete Emitter sind Lumineszenz- oder Laserdioden. Vermehrt kommen auch spezielle Ausführungen wie Edge-emmiting LEDs (ELED) oder Vertical Cavity Surface (VCSEL) in der optischen Datenübertragung zur Anwendung, weil diese die Vorteile beider Technologien kombinieren.

Mittels geeigneter Optiken am Transmitter wird die eintreffende optische Strahlung auf eine bestimmte Fläche fokussiert und erreicht so die Maximierung des ausgesendeten Signalpegels und eine gerichtete Übertragung zur Empfängerseite. Am Fotodetektor werden die optischen Signale aufgenommen, verstärkt und zurück in das elektrische Signal gewandelt. Zur Auswahl eines geeigneten empfängerseitigen optoelektronischen Wandlers sind vor allem Parameter wie der Wellenlängenbereich, die Fotoempfindlichkeit, das Zeitverhalten und das Signal-Rausch-Verhältnis von großer Bedeutung, um möglichst hohe Datenraten und Übertragungsstrecken zu erreichen.

Pin-Dioden und Avalanche-Fotodioden sind die meist genutzten Detektoren. Auch auf Empfängerseite dienen spezielle Optiken dazu, die eintreffenden optischen Signal zu konzentrieren und eine Einkopplung des Lichts aus einer Richtung zu erreichen, weil das den Einfluss von Fremdlicht minimiert. Um auch bidirektionale Kommunikation auf kleinsten Bauraum zu ermöglichen, kombiniert man häufig Transmitter und Receiver zu einem sogenannten Transceiver.