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Li-Fi im Industrieeinsatz Visible Light Communication: Licht ersetzt Kabel und Funk

| Redakteur: Jürgen Schreier

Bei der Vernetzung in Fabrikhallen ist das WLAN nach wie vor das Mittel der Wahl. Bei hoher Gerätedichte stößt es aber an seine Grenzen. 5G dürfte hier Verbesserungen bringen. Die Kommunikation mit Licht (VLC oder Li-Fi) könnte eine weitere breitbandige Alternative sein. Doch wie industrietauglich ist Visible Light Communication?

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Noch liegen die VLC-Systeme als Demonstrator vor. Bereits Mitte 2021 können die finalen Systeme für die vernetzte Produktion eingesetzt werden.
Noch liegen die VLC-Systeme als Demonstrator vor. Bereits Mitte 2021 können die finalen Systeme für die vernetzte Produktion eingesetzt werden.
(Bild: Fraunhofer IOSB-INA)

Im Zeitalter von Industrie 4.0 bedarf es intelligenter Lösungen zur Vernetzung von Maschinen und Anlagen. Die sogenannte Li-Fi-Technologie (Li-Fi = Light Fidelity) - auch als Visible Light Communication (VLC) bezeichnet - könnte demnächst eine dieser Vernetzungslösungen neben den lizenzfreien Standards Wi-Fi und Bluetooth sein.

In Büro-, Heim- und Laborumgebungen wird VLC bereits eingesetzt. Seit kurzem verwendet man Li-Fi zudem, um Indoor-Navigationssysteme in Einkaufszentren zu implementieren. Etwas anders sieht die Lage in Fabrikhallen aus: Dort sind die Möglichkeiten und Grenzen für die lichtbasierte Kommunikationstechnologie wegen besonderer Störfaktoren hoch und teilweise noch nicht ausreichend erforscht.

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Fahrerlose Transportsysteme, Förderbänder, Motoren, Roboter, Sensoren, Drohnen, Monitoringsysteme, mobile Endgeräte, unterschiedlichste Maschinen und Anlagen – sie alle kommunizieren im Produktionsumfeld miteinander und tauschen Daten aus. Oftmals werden die Komponenten an verschiedenen Orten betrieben, was eine drahtlose Vernetzung unabdingbar macht. Die Kommunikation per Funk muss reibungslos funktionieren, da es andernfalls zu Produktionsausfällen kommen könnte.

Industrienetze auf VLC-Basis müssen zuverlässig sein

Doch WLAN und Bluetooth bieten nur eine begrenzte Bandbreite. Das Funkspektrum ist angesichts der zunehmenden Anzahl von Nutzern, Empfängern und Geräten überlastet. Und so gelangt die herkömmliche Funkkommunikation in der Produktion an ihre Grenzen: Zwar wird die 5G-Technologie dieses Problem vermindern, die Herausforderungen der Kommunikation im Produktionsumfeld lassen sich jedoch lizenzfrei und effektiver meistern – dieser Ansicht sind die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo überzeugt.

"Das Lichtspektrum ist etwa 4000-mal größer als das gesamte verfügbare Funkspektrum, es reicht von 380 bis zu 800 Nanometern Wellenlänge", erläutert Daniel Schneider, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-INA, das gemeinsam mit der Technischen Hochschule OWL die industriellen Einsatzmöglichkeiten von VLC auslotet.

Gemeinsam mit seinen Kollegen und der Technischen Hochschule OWL arbeitet er daran, VLC in die Industrie zu übertragen. "Als Alternative zum herkömmlichen drahtlosen Netzzugang werden wir für die Visible Light Communication handelsübliche, energieeffiziente LEDs einsetzen. Entscheidend ist, dass wir ein System etablieren können, das sich gegen möglichst viele Störungen als widerstandsfähig erweist", so Schneider weiter.

Als zuverlässig gilt ein solches System dann, wenn Abdeckungsprobleme durch Wände, metallische Gegenstände, Maschinen und andere Störsignale überwunden werden können. Künstliche Lichtquellen, Abschattungen und Reflektionen können die Datenübertragung per Licht beeinflussen. In welchen Bereichen und Höhen haben die Forscher aus Lemgo in Zusammenarbeit mit fünf Industrieunternehmen im Rahmen einer Messkampagne untersucht.

Für die Tests wurde unter anderem ein Spektrometer verwendet, das um zwei Achsen drehbar ist und die Störquellenverteilung im Raum misst. Im Fokus der Messkampagne standen dabei insgesamt drei Einflussgrößen: Umgebungslichtquellen, Partikel und Umgebungsreflektionen. Letztere bezeichnen die Experten auch als Mehrwegeausbreitung.

Lichtreflektionen stören bei Li-Fi die Datenübertragung

Die Tests ergaben: Staubpartikel stellen kein Problem für optische Signale dar. In der Regel sind Fabrikhallen gut belüftet, weshalb die für Fertigungsbetriebe typischen Partikelkonzentrationen das Lichtsignal kaum dämpfen. Auch Personen und Fahrzeuge, die sich mit 0,2 m/s langsam bewegen, beeinträchtigen die Qualität des Signals nur wenig.

Ein Problem sind aber Umgebungslichtquellen, denn sie beeinträchtigen das gesamte optische Spektrum. Insgesamt zehn Modelle haben die Projektpartner identifiziert, auf deren Lichtverhältnisse VLC-Systeme reagieren: Dazu gehören Schweißprozesse, Leuchtstoffröhren und optische Tracking-Systeme.

Die Störungen treten aber nur lokal auf und nicht ortsübergreifend. VLC-Systeme, das legen die Tests nahe, müssen folglich in der Lage sein, adaptiv auf die Lichtverhältnisse zu reagieren und derartige Störeinflüsse zu minimieren. Als Störfaktor konnten die Forscher auch die Mehrwegeausbreitung identifizieren.

"Eine Lampe strahlt in mehrere Richtungen, die über Reflektionen beim Empfänger ankommen. Fallen diese stark unterschiedlich aus, kommt das Licht zu zeitlich und dämpfungsbehaftet verteilt beim Empfänger an. Es verzerrt dadurch das Nutzsignal im Nanosekunden-Bereich und setzt die Übertragungsqualität herab", erläutert Schneider. Basierend auf den quantitativen Messergebnissen entwickeln Schneider und sein Team nun umgebungsadaptive VLC-Systeme für den industriellen Einsatz.

Mehr als 1000 Devices mit Li-Fi vernetzen

Und noch etwas spricht für LiFi bzw. VLC: Die Technik bietet im Vergleich zu WLAN nicht nur größere Bandbreiten, sondern auch ein Niveau an Datensicherheit, das von Funksystemen nicht erreicht wird. Ein Funksignal strahlt durch Wände hindurch. Folglich kann die Kommunikation außerhalb der Fabrikhalle abgehört oder manipuliert werden. Bei einer Datenübertragung mit Licht funktioniert das nicht.

Außerdem lassen sich mit VLC wesentlich mehr Geräte drahtlos vernetzen als mit Wi-Fi oder Bluetooth. Von 1000 und mehr Devices ist in diesem Zusammenhang die Rede.

Li-Fi, Wi-Fi und Bluetooth im Vergleich

Light-Fidelity-Netzwerke übertragen Daten mit Licht. Das macht sie um ein Vielfaches schneller als jedes elektromagnetische Wi-Fi-System. Sind Geräte über Wi-Fi vernetzt, lassen sich Daten nach dem Wi-Fi-Standard 802.11ac mit bis zu 1300 MBit/s (660 MBit/s) transferieren.

Die Geschwindigkeit von Bluetooth 4.0, 4.1 oder 4.2 beträgt maximal 25 Mbit/s und bewegt sich damit auf dem Niveau vieler WLAN-Netzwerke. Mit Bluetooth 5.0 verdoppelt sich die maximale Geschwindigkeit auf 50 MBit/s.

In einem Li-Fi-Netzwerk sind stabile Übertragungsraten von zehn Gbit/s und mehr realistisch - ähnlich dem Mobilfunkstandard 5G, wo unter Idealbedingungen ebenfalls bis zu zehn Gbit/s erreicht werden können.

Wie Anwendungskonzepte für Li-Fi aussehen, überlegt das Li-Fi Consortium. Gegründet wurde die Industrievereinigung 2011 vom Technologielieferanten IBSENtelecom, dem LED-Spezialisten Supreme Architecture und dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS). Mit Sitz in Dresden hat das Fraunhofer IPMS bereits konkrete Anwendungen für Li-Fi-Produkte entwickelt. Darunter beispielsweise das Li-Fi-GigaDock - eine robuste Highspeed-Datenschleuse, die als Ersatz für kurze Kabel und mechanische Steckverbinder dienen kann.

Während Li-Fi im Büro- oder Heimbereich bereits erfolgreich eingesetzt wird, sind beim industriellen VLC-Einsatz noch einige Hindernisse zu überwinden. So können Umgebungslichtquellen die Übertragung stören. Ein weiteres Problem ist die Mehrwegeausbreitung, die unter Umständen das Nutzsignal verzerrt.

Was den Installationsaufwand anbelangt, schwebt den Lemgoer Forscher eine betont schlanke Lösung vor. Die erforderliche Hardware soll sich neben der Deckenbeleuchtung, auf einen Internetzugang sowie einen Transceiver beschränken, der an das Endgerät angeschlossen wird. Der vorliegende Demonstrator wird in der SmartFactoryOWL derzeit unter realen Bedingungen getestet. Bereits Mitte 2021 sollen Unternehmen von dem fertigen System profitieren.

5G und Li-Fi als Kombipaket

Auf eine Kombination von Li-Fi und 5G setzt der Mobilfunkbetreiber Vodafone Deutschland und hat sich dafür Signify (ehemals Philips Lighting) als Partner "angelacht". Die Zusammenarbeit verfolgt das Ziel, Anwendungen und Lösungen zu entwickeln, die sowohl über Funksignale als auch über Lichtwellen eine sichere und zuverlässige drahtlose Zwei-Wege-Kommunikation mit Geschwindigkeiten gewährleisten, die weit über die herkömmliche Wireless-Technologien WLAN und Bluetooth liegen.

Gemeinsam wollen beide Unternehmen künftig Möglichkeiten erforschen, wie sich die Li-Fi-Technologie in lokalen Netzwerken in Verbindung mit 5G sinnvoll einsetzen lässt, damit Vodafone-Kunden noch mehr als bisher vom Tempo kabelgebundener Gigabit-Anschlüsse profitieren können.

Unter dem Namen Trulifi hat Signify vor kurzem ein Li-Fi-System eingeführt, das mittels Lichtwellen eine drahtlose Sende- und Empfangstechnologie für die Datenübertragung bereitstellt, die in Philips-Leuchten verbaut werden kann. Es nutzt die Beleuchtungsinfrastruktur, um eine zuverlässige und sichere Hochgeschwindigkeits-Breitbandverbindung mit bis zu 250 Mbit/s bereitzustellen.

Aber auch für die Industrie und das Internet der Dinge böte die Kombination von 5G und Li-Fi Vorteile, ist man bei Vodafone Deutschland überzeugt. Sie ermögliche eine zuverlässige und sichere drahtlose Hochgeschwindigkeits-Kommunikation in Bereichen, in denen bestimmte Funkfrequenzen aufgrund von kritischen Umgebungen nur schlecht funktionieren oder Funkkommunikation aufgrund von Sicherheitsbestimmungen gar nicht gestattet ist. Zudem seien zwei hochverfügbare Systeme und Services besser gegen Netzausfälle gewappnet. Die beiden Kommunikationstechnologien funktionieren unabhängig voneinander, sodass im Bedarfsfall auf eine redundante Verbindung zurückgegriffen werden kann.

Bei Vodafone sieht man für die Kombi Li-Fi/5G außerdem Anwendungen in der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (V2V) und Cellular V2X, das heißt, der direkten Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Umfeld.

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