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22.08.2017

Erst Hi-Fi, dann Wi-Fi und jetzt Li-Fi

Neue Netzzugänge können in LED-Glühbirnen versteckt werden.

Mathias Hein

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Mathias Hein

Die Wi-Fi Technologie (im deutschen Sprachraum als WLAN bekannt) hat einen enormen Einfluss auf die Nutzung von mobilen Computern gehabt und hat dafür gesorgt, dass die Mitarbeitern von überall auf ihre Unternehmensnetzwerke zuzugreifen können bzw. sich die Cafés in Büros für unabhängig arbeitende Mitarbeiter verwandeln. Die WLAN-Technologie hat jedoch einige Mängel, die durch einen neuen Li-Fi-Standard beseitigt werden könnten.

Das Problem von WLANs? Die Reichweiten der WLANs sind begrenzt und oftmals durchdringen diese keine dickeren Wände. Die WLAN-Technik ist notorisch unsicher und kann von Hackern leicht manipuliert werden. Obwohl die verfügbare Bandbreite im Laufe der Jahre angestiegen ist, können die WLAN-Zugangspunkte ganz einfach durch zu viele gleichzeitige Nutzer überlastet werden.

Durch die Erfindung von der Light Fidelity (Li-Fi) Technologie sollen viele Probleme der WLANs durch diese Ergänzungstechnologie mit einem Schlag gelöst werden.   Light Fidelity bezeichnet ein neues drahtloses Protokoll, das auf dem sichtbaren Lichtspektrum basiert und den Nutzern einen drahtlosen Netzwerkzugriff ermöglicht. Bei der Li-Fi-Technik nutzt man die Kommunikationsmöglichkeiten des Lichts. Sobald man einer Leuchtdiode (LED) Strom zuführt, strömt aus dieser ein konstanter Strom an Photonen, welche wir als sichtbares Licht erkennen. Umso stärker oder schwächer der Strom, umso heller oder dunkler leuchtet die Diode. Da die LEDs auf Halbleitern aufbauen, kann der Strom und damit der Ausfluss an Photon mit hohen Geschwindigkeiten ein- und ausgeschaltet werden. Diese Schaltprozesse können so schnell ablaufen, dass dies für das (relativ träge) menschliche Auge nicht sichtbar ist. Die Menschen nehmen bewusst nur ein dauerhaftes Leuchten der LED wahr. Die Empfängereinheit wird beim Li-FI durch einen Photodetektor realisiert. Der Photodetektor nimmt die von der LED erzeugten Lichtsignale auf und wandelt sie wieder in die ursprünglichen elektrischen Signale um, die vom jeweiligen Endgerät weiterverarbeitet werden können. Da LEDs bereits einen Chip verwenden, um ihre Leistung zu steuern, können sie bis zu Millionen Mal pro Sekunde modulieren und können die Daten bis zu 100 Mal schneller als Wi-Fi übertragen.

Aber die Li-Fi-Technologie wird die WLANs nur ergänzen, nicht ersetzen. Diese Technik wird in Geräten wie Smartphones, Tablets und Laptops verbaut werden und mit den WLANs koexistieren. Die Li-Fi-Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Aber das IEEE-Gremium arbeitet derzeit an einer Integration von Li-Fi in den 802.11 Wi-Fi-Standard.

Mehr Spektrum, mehr Daten

Die Übertragung von Daten auf Basis des Lichts ist nichts Neues. Dies funktioniert bereits perfekt in unseren Fernbedienungen der Fernsehgeräte. Aber die Fernbedienungen verwenden Infrarotlicht, welches erhebliche Einschränkungen in Distanz und Durchsatz aufweist.

Li-Fi wurde erstmals im Jahr 2011 auf einer Konferenz von Professor Harald Haas (Lehrstuhl für Mobilfunk an der Universität Edinburgh) vorgestellt. Das Li-Fi-Konzept basiert auf der Überlegung, dass das für den Menschen sichtbare Licht ebenso wie Funkwellen auf elektromagnetischen Wellen basiert. Als Licht bezeichnet man den für das menschliche Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Im elektromagnetischen Spektrum umfasst der Bereich des Lichts Wellenlängen von 380 nmbis 780 nm. Dies entspricht den Frequenzen von 384 THz bis 789 THz. Die an das sichtbare Licht angrenzenden Bereiche de Infrarot- (Wellenlängen zwischen 780 nm und 1 mm) und Ultraviolettstrahlung (Wellenlängen zwischen 10 nm und 380 nm) werden häufig ebenfalls als Licht bezeichnet.

Die vom Licht verwendeten Frequenzen sind deutlich höher als die vom WLAN genutzten Funkfrequenzen (Gigahertz-Bereich). Die Lichtwellen können dichte Materialien (Mauern, Möbel, etc.) nicht durchdringen. Jedes Hindernis zwischen Li-Fi-Sender und –Empfänger schränkt die Reichweite der Lösung ein.

Der größte Vorteil der Li-Fi-Technologie besteht darin, dass im Bereich der Lichtwellen ein wesentliches größeres Spektrum zur Verfügung steht als bei Funkwellen. Dadurch können höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erzielt und ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden. Außerdem gehört das Spektrum des sichtbaren Lichts zu den unlizenzierten Frequenzen und für jeden Anwender frei nutzbar.

Die Li-Fi-Technologie ist inzwischen dort angekommen, wo die WLANs vor etwa fünfzehn Jahren waren. Wahrscheinlich wird es noch einmal fünf bis zehn Jahre dauern bis Li-Fi so allgegenwärtig ist wie die WLANs heute. Der Hersteller Cisco betrachtet die Li-Fi als eine aufstrebende neue Technologie mit viel Potenzial. Die Strategie von Cisco besteht darin, die Li-Fi-Technologie zu ergründen und anschließend entsprechende Produkte zu entwickeln. Momentan befindet sich Cisco im Li-Fi-Bereich noch in der Experimentierphase. Li-Fi hat jedoch das Potenzial für eine Integration in das Digital Building-Programm von Cisco. Aufgabe dieses Programms ist die Entwicklung neuer Kommunikationsprodukte in enger Zusammenarbeit mit Partnern (beispielsweise Philips, Microchip, Cree und Molex). In diesem Zusammenhang erkundet Cisco auch, wie sich die Li-Fi-Technologie in die drahtlose Infrastruktur von Cisco integrieren lässt und wie die WLAN- und Li-Fi-Technologie am besten zusammenarbeiten. 

Li-Fi hat das Potential die Dinge der Welt noch weiter zu vernetzen. Durch die neue Übertragungsweise der Daten werden komplett neuen Gebiete und neue Anwendungen erschlossen.

  • Im Privatbereich ermöglicht die Li-Fi-Technologie eine noch schnellere Übertragung von Daten. Dadurch könnten beispielsweise HD-Filme oder große Spiele in Sekunden heruntergeladen oder gestreamt werden. Auch kann das "Smart-Home" noch smarter werden, da es durch die Verteilung der Daten durch Licht viel einfacher gemacht wird, beispielsweise Kühlschrank und Herd miteinander kommunizieren zu lassen.
  • Eine weitere sinnvolle Anwendung für Li-Fi sind öffentliche Veranstaltungen (Festivals, Fußballspiele oder bestimmte touristische Ballungsräume). Über zentrale Lichtquellen können problemlos mehrere tausend Endgeräte mit Internet oder Informationen über die jeweilige Veranstaltung bzw. das Ereignis versorgt werden. Im Gegensatz zu der derzeitigen WLAN-Versorgung kann diese auf Basis der Li-Fi-Technologie wesentlich günstiger, stabiler und einfacher realisiert werden.
  • Auf Basis der Li-Fi-Technologie können Kraftfahrzeuge untereinander oder mit Straßenschildern kommunizieren und der Straßenverkehr kann dadurch sicherer gemacht werden. Durch die Kommunikation der Fahrzeuge untereinander können Kollisionen vermieden und Staus früher erkannt bzw. umfahren werden können. In den Kraftfahrzeugen wird die LI-Fi-Technologie in den Scheinwerfern und auch Blinkern integriert. Die Frontscheinwerfer eines Autos kommunizieren mit den am Heck oder an einem Straßenschild angebrachten Sensoren und übertragen somit die Daten.
  • Li-Fi kann theoretisch in jeder Straßenlaterne integriert werden, die dadurch zu einem Datenverteiler wird. Diese Art der Datenübertragung eignet sich für Touristenmetropolen oder bestimmte Touristen-Hotspots. Über die Straßenlaternen lassen sich Informationen zu dem aktuellen Standpunkt übermitteln bzw. die Touristen können auf ihre persönlichen Informationen (E-Mail, Facebook) zugreifen. Auch der Einzelhandel könnte Li-Fi in Straßenlaternen zur Gewinnung neuer Kunden nutzen und bestimmte Produkte bewerben bzw. individuelle Angebote an Passanten verteilen. Die Li-Fi-lösungen lassen sich im Einzelhandel auch als Ersatz für die Beacon-Technologie nutzen.
  • Der wohl größte Nachteil von Funkfrequenzen bzw. der WLANs und der Mobilfunktechnik besteht darin, dass dieses Kommunikationsverfahren nicht überall genutzt werden kann. Beispielsweise können die Funktechniken aufgrund elektromagnetischer Interferenzen nicht in Flugzeugen oder in Krankenhäusern genutzt werden. Li-Fi erzeugt keine Interferenzen, die sich negativ auf sensible elektronische Geräte auswirken.

Wie arbeitet Li-Fi?

Der Hauptunterschied zwischen einem regulären LED-Licht und einer Li-Fi-fähigen Glühbirne besteht darin, dass eine Li-Fi-Lampe über einen Transmitter die Daten drahtlos sendet und empfängt. Die drahtlos übermittelten Signale werden auf Basis unterschiedlicher Lichtintensitäten kodiert.

Die Li-Fi-Lampen lassen sich über CAT5-Kabel oder PowerLine mit dem Datennetz kommunizieren. Befinden sich in einen Raum mehreren Li-Fi-Lampen und bewegt sich ein Li-Fi-Empfänger im Raum, erkennt das Gerät automatisch, woher das stärkste Signal kommt und fokussiert sich automatisch auf diese Lichtquelle.

Li-Fi unterscheidet sich von der WLAN-Technologie in mehreren Punkten. Hierzu gehören die Reichweite, die Interferenzen und der Durchsatz.

Eine der Einschränkungen des Funkspektrums liegt darin, wenn man von 2,4 GHz auf 5 GHz umsteigt sich die Reichweite der Signale drastisch reduzieren. Nutzt man Frequenzbereiche oberhalb von 5GHz, dann schrumpft die Reichweite noch weiter. Da Li-Fi das Licht als Kommunikationsmedium nutzt, kann es auch nur dort genutzt werden, wo auch Licht hinkommt. So kann beispielsweise das Licht nicht die Decken zum Keller durchdringen. Will man auch im Keller kommunizieren, müssen dort ebenfalls Li-Fi-Lampen installiert werden. Licht kann bekanntlich auch nicht durch Gegenstände scheinen. Wenn man nun mit dem Rücken zur einzigen LiFi-Lampe sitzt, kann der Sensor das Licht bzw. die Daten nicht mehr empfangen. Da die Eigenschaften des Lichtes nicht verändert werden können, besteht die Lösung darin, mehrere verschiedene Lichtquellen oder eine sehr zentrale Lichtquelle zu nutzen. Die Reichweite von Li-Fi beschränkt sich grundsätzlich auf den Abstrahlbereich der jeweiligen Lichtquelle. Ein Deckenlicht in einem Büro bedeckt eine Fläche von bis zu 20 Quadratmetern. Außerhalb dieses Bereichs werden die Lichtsignale deutlich schwächer. Das Reichweitenproblem kann durch eine Übertragungsredundanz adressiert werden. Die drahtlos übermittelten Daten werden dabei über mehrere Deckenleuchten übermittelt und sorgen so für die notwendige Abdeckung auch in größeren Räumen.

Die klassische WLAN-Technik hat ihr physisches Limit bereits erreicht. Da die Übertragungsgeschwindigkeiten werden immer höher werden und die Funkfrequenzen trotz komplexer Codierungsfunktionen diese Anforderungen nicht mehr erfüllen können, muss mittelfristig eine neue Übertragungslösung gefunden werden. Die Li-Fi-Technologie stellt eine weitaus höhere Bandbreite als das klassische WLAN zur Verfügung. Unter Laborbedingungen wurden auf Basis der Li-Fi-Technologie bereits Durchsatzraten von bis zu 224 GB/s realisiert.

Die Sicherheit bei der Übertragung per Licht unterscheidet sich auch grundsätzlich von den WLAN-Lösungen. Sowohl Unternehmen als auch Privatpersonen sind heute vielen Hacking-Angriffen ausgesetzt und die WLAN-Verbindungen sind oft Ziel dieser Angriffe. Die Li-Fi-Technologie setzt diesen Angriffen ein Ende. Da die Daten nur über das Licht übertragen werden, müsste sich der Angreifer physisch im selben Raum befinden. Auch hier gilt: Das Licht durchdringt im Gegensatz zu den Funkfrequenzen nicht die Wände und Decken. Aber auch das Licht ist nicht gegen das unberechtigte Abhören gefeit. Das Licht lässt sich zwar von Wänden aufhalten, aber durch Fenster kommen die Photonen problemlos hindurch. Daher kann auch ein Li-Fi-Datenstrom abfangen werden. Dagegen schützen jedoch die heute handelsüblichen Verschlüsselungstechnologien.

Die Integration von Li-Fi in bestehende Geräte (Handys, iPads, Laptops, etc.) ist relativ preiswert und stellen keine Herausforderung mehr dar. Li-Fi kann die vorhandene Gerätekameratechnik nutzen. Der Kamera im Laptop oder Smartphone wird nur noch ein Decoder-Chip beigestellt und schon kann per Licht kommuniziert werden.

Fazit

Die Kommunikation per Licht ist nicht neu und kommt jetzt langsam voran. Durch die Lichtkommunikation können die Endgeräte zukünftig mit relativ preiswerter Bandbreite versorgt werden. Die Li-Fi-Technologie wird jedoch nicht die funkbasierte WLAN-Technologie ersetzen, sondern im Endgerätebereich ergänzen. Die Li-Fi-Technologie wird jedoch erst in ein paar Jahren zur Verfügung stehen. Bis dahin wird uns die Lichttechnologie sicher noch einige Mal überraschen. +