VLC - Visible Light Communication

Visible Light Communication, kurz VLC, ist eine Technik, bei der sichtbares Licht für die Datenkommunikation benutzt wird. Die Idee ist, die vorhandene Raumbeleuchtung für „optischen Funk“ bzw. „Optical Wireless“ zu nutzen. Hierfür gibt es viele unterschiedliche Begriffe.

  • optischer Richtfunk
  • optische Freiraumkommunikation (OFK) / Free-Space Optical Communication (FSO)
  • Visible Light Communication (VLC)

Die verschiedenen Begriffe gehen auf unterschiedliche Initiativen und Organisationen zurück, die hierfür Techniken und Systeme entwickeln oder entwickelt haben. Letztlich ist damit immer Datenkommunikation mittels Licht im sichtbaren Spektrum gemeint.
VLC-Systeme werden typischerweise unter dem Begriff Light Fidelity, kurz LiFi, geführt. LiFi ist die Ideen, durch Deckenlampen nicht nur Licht zur Beleuchtung, sondern auch zur Datenübertragung über kurze Distanzen abzustrahlen.

Technik

Die Übertragung von Daten per Infrarot-Licht (IR) ist seit vielen Jahren bekannt.

  • Fernbedienungen
  • IrDA – Infrared Data Association (Kabelersatz bei alten Notebooks)

Die Infrarot-Technik funktioniert aber nur bei geringer Reichweite und direkter Sichtverbindung. Die erreichbaren Datenraten liegen eher im kBit/s-Bereich. Mit der heutigen Technik erreicht man mit einer IR-Datenübertragung auf sehr kurzen Strecken bis zu 10 GBit/s.

Bei der Visible Light Communication (VLC) werden die Daten mit sichtbarem Licht übertragen. Der Sender erzeugt das Licht, in dem das Datensignal moduliert ist, mit LEDs. Der Empfänger wandelt mit einem Photodetektor das im Licht enthaltene Datensignal wieder in elektronische Impulse um.
Die Übertragung erfolgt als gepulstes Licht (an-aus-an-aus), dass so schnell ist, dass es für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist.
Die Übertragungstechnik funktioniert ähnlich wie bei Funkwellen. Die Nutzung der optischen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums kennt man von Glasfaserleitungen. Auch in der Richtfunktechnik gibt es optische Lösungen, bei denen mittels Laserstrahlen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisiert werden.
Berücksichtigen muss man nur, dass bei einer bidirektionalen Kommunikation die Übertragung nur wechselweise in jede Richtung (Halb-Duplex mit TDD) erfolgen kann.

Bandbreite, Datenrate und Reichweite

Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts reicht von 780 nm bis 380 nm (380 bis 780 THz). Damit ist das Lichtspektrum etwa 4.000-mal größer als das gesamte verfügbare Funkspektrum. Ein Vorteil dabei ist, es müssen bei optischen Frequenzen keine Lizenzen erworben werden.
Im Vergleich dazu arbeitet WLAN im Bereich von 2,4 und 5 GHz. Gegenüber WLAN kann mit Licht damit theoretisch die mehr als 100.000-fache Informationsmenge in gleicher Zeit übertragen werden. Die Datenrate wird aber von einer großen Zahl von Sende- und Empfangsbedingungen beeinflusst. Unter Laborbedingungen wurde schon 12 GBit/s erreicht.
Die Reichweite einer optischen Verbindung ist im Prinzip auf einen Raum begrenzt. Dabei ist zwingend eine Sichtverbindung zwischen den kommunizierenden Geräten notwendig.

Sicherheit

Im Vergleich zu WLAN bietet VLC eine höhere Datensicherheit. Ein Funksignal kann durch Wände hindurch empfangen werden. Die Kommunikation ist außerhalb von Gebäuden abhör- und manipulierbar. Bei einer VLC-Übertragung wäre das nicht möglich, da die Reichweite auf einen Raum begrenzt ist und das Lichtsignal durch Fenster hindurch zu stark gedämpft wird.
Ansonsten gelten die selben Schwachstellen wie bei Funk auch. Wer das Signal empfangen kann, kann die Kommunikation aufzeichnen.

Anwendungsbereiche

Typischerweise eignet sich VLC-Technik für die Inhouse-Vernetzung einzelner Räume oder Hotspots im Freien über Straßenlampen. Eingeschränkt auch für Richtstrecken.
In manchen Bereichen kann die VLC-Kommunikation interessant sein, wenn vorhandene Geräte EMV-empfindlich ist.

Standardisierungen

  • IEEE 802.15.7
  • IEEE 802.15.13
  • ITU-T G.occ / G.vlc

IEEE 802.15.7 / OWC - Optical Wireless Communication

Ab 2008 wurde am Standard IEEE 802.15.7 mit dem Namen Optical Wireless Communication (OWC) gearbeitet. Es handelt sich dabei um einen Sammelstandard für die optische Datenübertragung mit infrarotem, sichtbarem und ultraviolettem Licht. Hierfür existieren verschiedene Vernetzungsarten.
Der Standard IEEE 802.15.7r1 definiert drei Varianten.

  • Optical Camera Communication (OCC) nutzt die LED-Blitzlichter und Bildsensoren von Digitalkameras zum Übertragen von Fotos und Videos.
  • LED Identification (LED-ID) ist ein drahtloses Lichtidentifikationssystem unter Verwendung verschiedener LEDs.
  • Light Fidelity (LiFi) ermöglicht eine schnelle, bidirektionale, vernetzte und mobile Kommunikation unter Verwendung von sichtbarem Licht.

IEEE 802.15.13 / Multi-Gigabit Optical Wireless Communications

Die Arbeitsgruppe IEEE 802.15.13 führt die Arbeit der Arbeitsgruppe IEEE 802.15.7 weiter.

ITU-T G.vlc

Auf Basis von G.hn (ITU-T G.9960 / HomeGrid) wurde ab 2013 an der ITU-T-Empfehlung G.vlc gearbeitet. Im September 2016 wurde der erste Entwurf „High Speed Indoor Visible Light Communication Transceiver“ herausgebraucht. Später folgte G.occ mit der Bzeichnung „Indoor Optical Camera Communication Transceivers“, das sich mit verschiedenen drahtlosen optischen Anwendungen befasst.

Vorteile der Licht-Übertragung

  • erheblich größeres Übertragungsband
  • lizenzfrei
  • sehr geringer Energieverbrauch
  • robuste Übertragung in EMV-sensiblen Umgebungen

Nachteile der Licht-Übertragung

  • In der Regel muss eine Sichtverbindung zwischen den Kommunikationsteilnehmern bestehen.
  • Die Bandbreite der Verbindung bricht bei Sonneneinstrahlung ein.
  • Andere künstliche Beleuchtungssysteme erzeugen störendes Licht, dass das Nutzsignal beim Empfänger überlagert.
  • Fremdlichtquellen beeinflussen das gesamte optische Spektrum.
  • Mehrwegeausbreitung durch Reflektionen: Eine LiFi-Lampe strahlt das Signal in mehrere Richtungen aus. Über Reflektionen kommt das Licht zeitlich und dämpfungsbehaftet verteilt beim Empfänger an. Das verzerrt das Nutzsignal im Nanosekunden-Bereich und setzt die Übertragungsqualität herab.

Optische Kommunikationsverbindungen sind in Industrieumgebungen gegenüber dem Einsatz in Büroumgebungen erschwerenden Einflüssen ausgesetzt.

  • Beeinflussung des optischen Übertragungskanals durch lichterzeugende Prozesse, Staub und parasitäre Spektrumsstörungen, z.B. durch Schweißen.
  • Sich bewegende Personen und Fahrzeuge beeinträchtigen die Qualität des Signals.

Fazit / Warum gibt es keine VLC-Komponenten?

Die Grundsätzliche Idee ist, Lampen auch für die Datenübertragung zu nutzen. Dabei müssen folgende Punkte berücksichtigt werden:

  • Die Datenversorgung ist auf jeweils einen Raum beschränkt, weil das Licht nicht durch Wände und Decken dringt.
  • Im selben Raum darf sich keine andere Lampenart befinden, die mit gepulstem Strom betrieben wird, wie es bei Leuchtstofflampen, LEDs und auch Dimmer der Fall ist, die zum Beispiel mit Pulsbreitenmodulation (PWM) arbeiten.
  • Jede andere Beleuchtungsquelle, Sonneneinstrahlung und andere Lampen können die Übertragung stören.

Auf Seiten der Endgeräte (z. B. Smart-TVs, Smartphones und Notebooks) ist in der Regel zusätzliche Hardware erforderlich.

  • Eingebaute Lichtempfänger, wie Helligkeitssensor und Frontkameras, eignen sich nur für sehr niedrige Datenraten.
  • In den Endgeräten müssen LiFi-Module eingebaut sein, die nicht nur empfangen, sondern auch senden können.
  • Alternativ kann für den Uplink (Senden vom Endgerät) herkömmliches WLAN genutzt werden, was eine parallele Infrastruktur erzwingt.

Daneben gibt es ein paar grundsätzliche Probleme.

  • Typische mobile Endgeräte sind nicht immer so positioniert, dass eine Sichtverbindung möglich ist.
  • Damit Lampen als optischer Access Point dienen können, benötigen sie eine Datenzuführung über ein Kabel. Denkbar wäre hier die gleichzeitige Energieversorgung über Power-over-Ethernet.
  • Damit die Datenübertragung funktioniert, muss das Licht dauerhaft anbleiben. Auch dann, wenn die Beleuchtung nicht gebraucht wird.
  • Wenn die Beleuchtung ausgeschaltet werden muss, dann fällt die Datenübertragung aus.

Egal wie man es dreht und wendet, LiFi-Lösungen eignen sich nur als mögliche Ergänzung zu den existierenden Wi-Fi-Standards. Weil es kaum praxis- und serientaugliche Lösungen gibt, eignen sich VLC-Systeme vermutlich nur für einen Nischenmarkt, wobei so gut wie keine Chance gesteht in den Massenmarkt zu kommen. Schlicht und einfach, weil es zu viele unterschiedliche Betriebsbedingungen und Störfaktoren gibt, die den reibungslosen Betrieb erschweren können.

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