VLC ermöglicht die Einrichtung dedizierter Kanäle und Simplex-, Halbduplex- und Vollduplex-Kommunikation. Ein VLC-System kann digitale Signale übertragen, indem es das Ein- und Ausschalten einer Lichtquelle wie einer LED (Festkörper-Leuchtdiode) oder einer neuen Technologie wie OLED (flexible organische Leuchtdiode, die in HDTVs und Smartphones verwendet wird) steuert oder die Farbfrequenz des übertragenen Lichts verändert, ohne dass dies vom menschlichen Auge wahrgenommen wird.
Die LED-Technologie entwickelt sich in drei Kategorien: (i) Phosphor-LEDs. Hier sind Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 40 Mbit/s möglich. (ii) RGB-LEDs. Hier sind Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s möglich. (iii) RCLEDs (Resonanzhohlraum-LEDs). Hier sind Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 500 Mbit/s möglich. Bei VLC (Visual Light Communication) wird der sichtbare Lichtkanal durch verschiedene Wellenlängen im Bereich von ca. 375 Nanometern (violett) bis 750 Nanometern (rot) bzw. durch den Frequenzbereich von ca. 400 THz (rot) bis 800 THz (violett) definiert. VLC-Technologie gehört zur Kategorie der optischen drahtlosen Kommunikationstechnologien (OWC), zu denen auch IR- (Infrarot) und UV-Technologien (Ultraviolett) zählen.
Charakterisierung. Eigenschaften. Anwendungen.
Laut einem Cisco VNI-Bericht aus dem Jahr 2011 wächst der Nutzerbedarf, gemessen in Exabyte pro Monat, schneller als die spektrale Effizienz. Konkret wird ein Anstieg des Nutzerbedarfs um 32 % zwischen 2010 und 2015 prognostiziert, während die spektrale Effizienz im gleichen Zeitraum voraussichtlich nur um 12 % zunimmt. Cisco weist außerdem darauf hin, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) der mobilen Datennutzung bei rund 80 % liegt. Darüber hinaus wird erwartet, dass der Datenverkehr drahtloser Geräte bis 2015 den Datenverkehr kabelgebundener Geräte übertreffen wird und mobiles Video in den kommenden Jahren zum wichtigsten Internetverkehrsmedium wird. Diese Zunahmen des Netzwerkverkehrs erfordern grundlegende Veränderungen im Konzept der drahtlosen Kommunikation. Die VLC-Technologie wird als Alternative zu RF-Technologien wie Wi-Fi/WLAN (IEEE 802.11a+b+g (x1), IEEE 802.11n (x10), IEEE 802.11ac (x200)), GPRS, WCDMA, HSDPA/HSUPA, HSPA, LTE usw. vorgestellt.
Die VLC/Li-Fi-Technologie, die Anfang des 21. Jahrhunderts entwickelt wurde, ermöglicht die Datenübertragung mittels sichtbarem Licht. Die Daten werden über LEDs gesendet, deren Intensität sich schneller ändert, als das menschliche Auge wahrnehmen kann. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Technologie ist die neue Generation von Hochleistungs-LEDs. Durch die Variation der Blinkfrequenz der LEDs lassen sich Daten in Licht kodieren und so unterschiedliche Binärfolgen aus Einsen und Nullen erzeugen. Die LED-Intensität moduliert so schnell, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Geschwindigkeiten von bis zu 500 Mbit/s wurden bereits erreicht (Siemens 2010).
Die wichtigsten Eigenschaften der VLC-Technologie sind: (1) Sie basiert auf Sichtverbindung (LOS). Sender und Empfänger müssen prinzipiell ausgerichtet sein. (2) Sie ermöglicht drahtlose Kommunikation mit hoher Dichte und die Wiederverwendung von Flächen. (3) Es handelt sich um eine offene Technologie; ihr Spektrum ist nicht lizenzpflichtig. (4) Sie ist unempfindlich gegenüber Hochfrequenzstörungen (HF-Störungen). (5) Im Gegensatz zu HF-Emissionen, insbesondere solchen mit hoher Spannung pro Meter (V/m), verursacht sie keine gesundheitlichen Probleme. (6) Sie nutzt Licht, und unsere Gesellschaft ist allgegenwärtig von Licht umgeben. (7) Sie ermöglicht die Positionierung und Geolokalisierung in Innenräumen. (8) Sie nutzt Freiraumoptik (FSO). (9) Daten können überall dort übertragen werden, wo Licht vorhanden ist. (10) Licht kann unter Wasser übertragen werden. (11) Licht durchdringt keine Wände, HF-Signale hingegen schon. Dies verringert das Risiko des Abhörens, obwohl Reflexionen zum Abfangen und Auffangen von Licht führen können. (12) Licht wird weder durch elektromagnetische Störungen im Hochfrequenzbereich noch durch Hochfrequenz-Störsender beeinträchtigt. Allerdings können Übertragungen auf der Grundlage von Hochfrequenzsignalen mithilfe solcher Geräte unterbrochen werden, sodass es beispielsweise unmöglich ist, in der Nähe dieser Geräte mit einem Mobiltelefon zu sprechen.
Beteiligte Akteure im Bereich VLC. Anwendungsbereiche.
Aktuell existiert ein umfangreiches und vielfältiges Ökosystem von VLC-Technologieentwicklern, darunter: das LiFi Consortium, IEEE 802.15.7 (die IEEE 802.15.7-Spezifikation definiert einen Sieben-Farben-Kanal für die physikalische Schicht (L1) in VLC. Dieser sich weiterentwickelnde Standard ermöglicht Modulationsverfahren wie OOK/VPPM und CSK), VLC Ltd., Intel, Samsung, ETRI, VLCC (Visible Light Communication Consortium, bestehend aus Casio, Toshiba, Sony, NEC, Sharp, NTT usw.), Siemens, ByteLight, LVX Systems, Philips, IBSEMtelecom, MIT, JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association), UCR usw. Auf europäischer Ebene sind die VLC-Aktivitäten im OMEGA-Projekt prominent vertreten.
Die Anwendungsbereiche von VLC wachsen rasant, zum Beispiel: (1) Indoor-Ortungsdienste (Geolokalisierung, LBS – Location-Based Services). Diese ermöglichen die Navigation und Verfolgung von Objekten (Personen, Tieren, Maschinen, Gegenständen) in Gebäuden ohne GPS-Empfang. Dies ist besonders nützlich in Krankenhäusern, Lagerhallen, Büros usw., wo LED-Technologie immer häufiger eingesetzt wird. (2) Kommunikation mit hoher Dichte. VLC kann das WLAN-Spektrum ergänzen und zusätzliche Bandbreite in Umgebungen bereitstellen, in denen unlizenzierte und/oder lizenzierte Kommunikationsbänder überlastet sind. Beispiele hierfür sind Kongresszentren, Konferenzhallen, Flughäfen, Strände, Verkehrsknotenpunkte, Sportstadien usw. (3) Steuerbare LED-Beleuchtung (Casinos, Hotels, Stadien, Bürohochhäuser usw.). (4) Smart-Home-Netzwerke. VLC ermöglicht drahtlose Kommunikation in der Wohn- und Industriebeleuchtung, einschließlich Internetzugang und Medienstreaming. (5) Kommerzielle Luftfahrt. Es ermöglicht drahtlose Datenkommunikation für die persönliche Kommunikation sowie Bordunterhaltung und Spiele. (6) Unterwasserkommunikation. Für Taucher, U-Boote usw. (7) Gefahrenbereiche. Es ermöglicht die Kommunikation in Gefahrenbereichen wie Bergwerken, Gasanlagen, petrochemischen Anlagen, Sprengstoffanlagen usw. (8) Krankenhäuser und Gesundheitseinrichtungen. Es ermöglicht die Mobilität und Kommunikation zwischen Patienten, ohne deren Gesundheit zu beeinträchtigen. (9) Militärische und Verteidigungsanwendungen. Es ermöglicht drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation in Militärfahrzeugen und auf Schlachtfeldern. (10) Kommunikation, bei der WLAN das Risiko von Datenlecks durch Wände birgt. (11) Drei Hauptmärkte lassen sich identifizieren: drahtloser Zugang und Netzwerke, Energieeffizienz in der Beleuchtung und intelligente Lichtsteuerung. VLC ermöglicht alle Arten von mobilen Anwendungen, WSN, Augmented Reality, Indoor-Anwendungen, Spielzeugnetzwerke in mobilen Umgebungen, M2M-Kommunikation, Anwendungen in Ambient Intelligence und Smart Cities.
Komponenten der Technologie.
Eine VLC-Übertragung besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten:
(1) Sendeeinheit. Diese erzeugt Licht mithilfe verschiedener LED-Typen, die sichtbares Licht aussenden, welches durch die zu übertragenden Daten moduliert wird. Die Übertragung kann unidirektional/simplex, bidirektional (HDX) oder FDX erfolgen. Einige Modulationsverfahren sind: (i) VPPM (Variable Pulse Position Modulation). Ähnlich wie PPM, ermöglicht VPPM jedoch die Steuerung der Pulsbreite, um den Lichtabfall zu kompensieren. (ii) SM (Spatial Modulation). Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Quelle eines optischen Signals. Ist die Quelle bekannt, können mehrere Informationsquellen genutzt werden, um mehrere unabhängige Datenströme zu übertragen (jeweils einen von jeder Quelle). Alternativ kann die Signalquelle selbst Teil der Informationskodierung sein. Mehrere Quellen können beispielsweise mehrere LEDs in einem Gerät oder einer Leuchte sein. (iii) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Dieses Verfahren verwendet einen Satz von Subträgern mit jeweils unterschiedlichen, aber harmonisch zueinander stehenden Frequenzen. Es bietet eine gute spektrale Effizienz, ist jedoch relativ komplex in der Implementierung. (iv) PWM (Pulsweitenmodulation). Hierbei werden Informationen in der Pulsdauer kodiert. Pro Puls können mehrere Bits übertragen werden, jedoch sind unter Umständen längere Pulslängen als bei OOK erforderlich, weshalb keine wesentlichen Vorteile geboten werden. Die Implementierung ist einfach. (v) CSK (Farbumtastung). Dieses Verfahren wird in Systemen mit RGB-LEDs eingesetzt. Durch die Kombination verschiedener Lichtfarben können Ausgabedaten über die Farbe selbst übertragen werden, sodass die Ausgabeintensität konstant bleibt. Die Implementierung ist komplex. (vi) PPM (Pulspositionsmodulation). Die Daten werden mithilfe der Pulsposition innerhalb eines Frames kodiert. Pro Puls können mehrere Bits gesendet werden; die Frame-Dauer muss jedoch länger sein als bei einem einzelnen Bit bei OOK, weshalb PPM nicht unbedingt effizienter ist. Jeder Frame enthält die gleiche Menge an optischer Energie. (vii) OOK (Ein-Aus-Tastung). Die Daten werden durch Ein- und Ausschalten der LED erzeugt. Einschalten der LED entspricht einer logischen Eins, Ausschalten einer logischen Null. Die Implementierung ist einfach, jedoch hinsichtlich Lichtsteuerung und Datendurchsatz nicht optimal. (viii) PAM (Pulsamplitudenmodulation). Die Information wird in der Pulsamplitude übertragen. PAM kann mehr Daten pro Puls übertragen als OOK, ist aber anfälliger für Rauschen im optischen Kanal. Beispielsweise trägt bei der 256-ASK-Modulation jedes Signalelement den Logarithmus zur Basis zwei von 256, was 8 Bit entspricht. (ix) Weitere Verfahren sind 512-QAM (eine Mischung aus ASK in der Amplitude und PSK in der Phase), 1024-PSK, BFSK (Binäre Frequenzumtastung) in der Frequenz und SS-kPPM (Subträger-Pulspositionsmodulation), wobei k eine Zweierpotenz ist, z. B. zwei oder vier. Die Daten werden durch das Vorhandensein bzw. Fehlen der Trägerwelle dargestellt.
(2) Empfängereinheit. Sie verwenden verschiedene Elemente zur Demodulation/Dekodierung von Licht in empfangene Daten, wobei sie Fotodetektoren wie Fotodioden, CCD-Arrays, Fototransistoren usw. sowie geeignete kryptographisch-steganographische Mechanismen einsetzen, um sichtbare Chiffren aufzudecken und die unterschwelligen Aspekte nicht beobachtbarer/nicht identifizierbarer Daten zu entschlüsseln.
Schutz von VLC-Übertragungen:
VLC-Übertragungen können manipuliert werden und müssen daher mithilfe kryptografischer Hash-Funktionen oder digitaler Signaturen geschützt werden. Lineare Fehlererkennungsfunktionen wie CRC/VR/LRC sind unzuverlässig, um potenziell unbefugte Manipulationen von über VLC-Technologie gesendeten Nachrichten zu erkennen. Steganografie und Kryptografie sind zwei unterschiedliche Techniken zur Informationsverschleierung, die Cybersicherheit und Datenschutz gewährleisten. Da Licht aus mehreren Photonen besteht, können einige Photonen analysiert werden, um die darin enthaltenen Daten zu entschlüsseln. Steganografische Techniken ermöglichen die Übertragung geheimer/privater Nachrichten, sogenannter Steganogramme, in einem VLC-Kanal, in dem bereits andere öffentliche Informationen übertragen werden. Ziel der Steganografie und subliminaler Kanäle ist es, kritische Nachrichten physisch in anderen digitalen Medien zu verbergen, sodass deren Vorhandensein nicht erkennbar ist. Kryptografie hingegen ermöglicht es lediglich, die Bedeutung des Inhalts der geheimen Nachrichten vor potenziell unbefugten Dritten zu verbergen. In der Kryptografie ist die verschlüsselte Nachricht oder der Chiffretext sichtbar, auch wenn er nicht verstanden wird. Das Rauschen kann verschlüsselte Daten enthalten, und die Herausforderung besteht darin, einen Schlüssel zu finden, der das Rauschen in Daten umwandelt, die nur für autorisierte, legitime Stellen verständlich sind. Kryptographie und Steganographie unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie übertragene Daten verbergen, werden aber derzeit gemeinsam eingesetzt. Optische VLC-Signale durchdringen keine Wände und verhindern so potenzielles Abhören, anders als beispielsweise 2,4-GHz-HF-Signale. HF-Signale gleicher Frequenz können sich gegenseitig stören, und die Bandbreite kann durch Übersprechen begrenzt sein; bei VLC hingegen kann die Bandbreite durch den Einsatz mehrerer LEDs erhöht werden. Bei VLC äußert sich die Interferenz als Rauschen (kein Signal löscht sich aus) aufgrund von Mehrwegeausbreitung. Bei VLC wird durch den Einsatz mehrerer LEDs Pfadredundanz erreicht. Quantenkryptographie ist der Schlüssel zur Übertragung einzelner Photonen.
Abschließende Überlegungen:
Die neue VLC-Technologie scheint eine geeignete Alternative für die Integration mit funkbasierten Übertragungstechnologien und solchen, die über Kupferkabel (PLC über Stromleitungen, Gigabit-Ethernet) sowie Glasfaser übertragen werden, zu sein. Allerdings müssen geeignete Schutzmechanismen integriert werden, um Cybersicherheits- und Datenschutzrisiken entsprechend der Art der eingesetzten Anwendungen zu managen. Glühlampen, Leuchtstofflampen und Halogenlampen können nicht so schnell moduliert werden wie LEDs.
Dieser Artikel ist Teil der Aktivitäten im Rahmen des LEFIS-Themennetzwerks.
Autor:
Prof. Dr. Javier Areitio Bertolín – E-Mail:
Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.
Leiter der Forschungsgruppe Netzwerke und Systeme. Universität Deusto
Literaturverzeichnis:
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