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TechnikOptische Datenübertragung Li-Fi

Wie Indus­trie­ro­boter über Licht kommu­ni­zieren

Lesezeit ca.: 3 Minuten
Monique Opetz

Monique Opetz

Freie Journalistin

Als super schnelle und störungs­freie Alternative zu Wlan-Lösungen gilt die Datenüber­tra­gung über LED oder Infrarot­licht. Die Li-Fi (Light-Fidelity)-Technologie schafft zusätzliche Bandbreite im bisher ungenutzten optischen Frequenz­spek­trum und neue Möglichkeiten für Industrie 4.0.

21. November 2018

„Li-Fi nutzt das weltweit nicht regulierte Spektrum des Lichts. Die verfügbare Bandbreite dieses Spektrums erlaubt enorm hohe Nettodaten­ra­ten“, erklärt Dr. Alexander Noack, Chefentwickler am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosystem IPMS. Auf der internatio­nalen Weltleit­messe „Embedded World 2018“ stellten Noack und sein Team erstmals Li-Fi-Kommunika­ti­ons­mo­dule für die Produktions- und Fertigungs­in­dus­trie vor – als Alternative für Wlan-Lösungen und kabelgebun­dene Netzwerke wie Ethercat oder Profibus.

Drahtlose Technolo­gien sind oftmals besser geeignet bei beweglichen Anlageteilen oder mobilen Maschinen und Robotersys­temen. Funknetz­werke wie Wlan werden jedoch langsam und störanfällig, wenn zu viele Netzwerk­teil­nehmer involviert sind. Kritische Infrastruk­turen mit schnellen Zykluszeiten können deshalb nicht zuverlässig über Wlan genutzt werden. „Wlan realisiert eine paketbasierte und asynchrone Datenüber­tra­gung. Li-Fi hingegen versendet Daten kontinuier­lich in einem Strom. Anwendungen, in denen Datenberech­nung und -übertragung ein vorbestimmtes Zeitlimit nicht überschreiten dürfen, können mit Li-Fi betrieben werden“, erläutert Noack. Dabei können mehrere Datenlinks im Raummulti­plex­ver­fahren parallel aufgebaut werden, ohne dass Überlage­rungen zwischen den einzelnen Datenlinks bestünden. Dies ermögliche eine störungs­si­chere Industri­e­um­ge­bung und eine sehr hohe Dichte von Datenüber­tra­gungs­zellen.

Highspeed-Datenüber­tra­gung per Licht

Die Li-Fi Technologie mit LED-Beleuchtung oder Infrarot­strah­lung funktioniert jedoch nur, wenn der Sichtkon­takt zwischen Sender und Empfänger frei ist. Das Prinzip der optischen Datenüber­tra­gung ist einfach: Ein Modulator am Sender schaltet eine LED ein und wieder aus – und zwar so schnell, dass es für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Am Empfänger nimmt eine Fotodiode das Licht auf und wandelt es in elektrische Impulse um. Mit dieser Technologie sind Übertragungs­raten von 10 Gbit pro Sekunde und mehr möglich. Zum Vergleich: in elektroma­gne­ti­schen Wi-Fi-Systemen sind Daten mit bis zu 100 Mbit/s unterwegs. Die Vorteile der Lichtsignale: minimale Latenzzeiten und hohe Datensicher­heit. Denn das Li-Fi-Netzwerk endet an den Wänden der Fabrikhallen; Daten sind von außen nicht erreichbar. Außerdem werden Informationen nur so lange übertragen, wie sie benötigt werden. Danach erlöschen die Lichtwellen sofort. Das Team rund um Noack stellte auf der Messe Li-Fi Hot Spots vor, die optische Datenlinks mit einer Datenrate von 1Gbit/s über fünf Meter möglich machen. Über ein CAT5-Kabel sei das Modul integrierbar, beispiels­weise in rotierende Systeme oder in Produkti­ons­ma­schinen, bei denen große Datenmengen zur Prozesskon­trolle übertragen werden müssen.

Bahn frei für störungs­freies, industri­elles IoT

Derzeit finden verschie­dene Pilotpro­jekte in realen Einsatzsze­na­rien statt. Im BMW-Werk in München präsentierten BMW, Evopro und das Fraunhofer-Institut für Nachrich­ten­technik, Heinrich-Hertz-Institut HHI kürzlich das Forschungs­pro­jekt OWICELLS. Als Anwendungs­fall für die Automobil­in­dus­trie demonstrierten die Projektteil­nehmer eine Li-Fi-Kommunika­tion zu einem mobilen Roboter in einer fünf mal fünf Meter großen Fertigungs­zelle. Der Roboter schweißt und prüft Autoteile und ist in der Lage weitere produkti­ons­üb­liche Vorgänge durchzuführen. Per Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Li-Fi-Lösung sendet und empfängt das System Daten von mehreren Leucht- und Fotodioden gleichzeitig – mit mehr als 100Mbit/s und nur fünf Millisekunden Verzögerungs­zeit. „Li-Fi kann das dicht belegte Wi-Fi Spektrum entlasten und eine unterbre­chungs­freie, mobile Übertragung für das industri­elle IoT realisieren. Li-Fi funktioniert zuverlässig, wenn typische Industrie­ar­beiten stattfinden wie beispiels­weise Punktschweißen mit starken Strömen und Lichtblit­zen“, erklärt Gerhard Kleinpeter, Projektleiter bei BMW. Motivation für das vom Bundesmi­nis­te­rium für Bildung und Forschung geförderte Projekt waren die starke Individua­li­sie­rung von Fahrzeugen und die steigende Modellviel­falt. Denn für mobile Roboter, die für die flexible Fertigung in der Cloud vernetzt sind, ist eine zuverläs­sige drahtlose Datenver­bin­dung unumgäng­lich.

Licht-Netzwerke bald Standard in den Fabrikhallen?

An den laufenden Li-Fi Standardi­sie­rungen ist das Fraunhofer Heinrich Hertz Institut maßgeblich beteiligt. Derzeit werden in verschie­denen Li-Fi Projekten neue Technolo­gien wie etwa die adaptive Übertragung, Handover und Relaying eingeführt. Dabei konzentriert sich eines der Projekte auf Spezialan­wen­dungen in der Industrie mit kleinen Stückzahlen und hoher Wertschöp­fung.

Li-Fi statt Wi-Fi könnte es also künftig im Industri­e­um­feld heißen.