Montag, 13 Dezember 2021 12:00

LiFi-Technologie: Neue Projektanwendungen des Fraunhofer HHI gestartet

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LiFi-Platooning auf der Autobahn

LiFi (light fidelity), die drahtlose Datenübertragung durch Licht- oder Infratotsignale, ist zwar ein seit Längerem bekanntes Thema in der Forschung. Bislang kommen LiFi-Netze allerdings nur in Pilotprojekten zur Anwendung. Laut dem Fraunhofer Heinrich-Herz-Institut Berlin (HHI), das die optische Datenübertragung mitentwickelt, wird noch einige Zeit verstreichen, bis LiFi zur Massenanwendung gelangt. Doch es lohnt sich der Blick auf zwei Projekte, die in den letzten Monaten erfolgreich gestartet sind.

LiFi (light fidelity), wireless data transmission using light or infrared signals, has been a well-known topic in research for some time. So far, however, LiFi networks have only been used in pilot projects. According to the Fraunhofer Heinrich Herz Institute Berlin (HHI), which is playing a key role in developing optical data transmission, it will be some time before LiFi reaches mass application. But it is worth taking a look at two projects that have been successfully launched in recent months.

So hat der japanische Dienstleister für mobile Kommunikationsinfrastruktur Sangikyo Corporation für ein Pilotprojekt erstmals die LiFi-Technologie des Fraunhofer HHI genutzt, um fahrerlose Lkw zu vernetzen. Bei dem Versuch auf dem Tomei Highway in der Nähe von Shizuoka Ende Februar 2021 war es durch die kontinuierliche Kommunikation der an Front- und Heckstoßstange befestigten LiFi-Module möglich, drei Lkw für eine autonome Kolonnenfahrt, einen sogenannten Platoon, zusammenzuschließen. Dabei fahren die Fahrzeuge in geringem Abstand hintereinander her, was Kraftstoff und Fahrpersonal spart sowie die Sicherheit auf Autobahnen erhöht.

Beim Platooning erfolgen Gas-, Brems- und Lenkeingriffe synchron mittels Vehicle-to-Vehicle (V2V) Kommunikation. Die für das Platooning notwendige Kommunikation kann über eine Vielzahl an Kanälen erfolgen. Sie wurde bisher nur auf Basis von 5G oder WLAN-basierten Datenübertragungstechnologien getestet. Das Versuchsprojekt der Sangikyo Corporation ist das erste seiner Art, das für die Datenübertragung auf optische Kommunikation als primäre Kommunikationsquelle zwischen den Lkw setzt.

LiFi-Platooning auf der Autobahn

Dr. Dominic Schulz (Fraunhofer HHI) und Winfried Ottmann, Schuldezernent im Main-Kinzig-Kreis, machen sich stark für LiFi im KlassenzimmerFür die Demonstration hat das Sangikyo-Team an Front- und Heckstoßstangen der Lkw LiFi-Trans-ceiver angebracht, die Informationen senden, empfangen und verarbeiten können. Während der Fahrt wurde nur der voranfahrende Lkw von einem Fahrer gesteuert, während die beiden nachfolgenden Lkw autonom auf Basis der vom ersten Laster gesendeten Daten hinterherfuhren. Um die Sicherheit des Versuchs zu gewährleisten, waren die autonomen Fahrzeuge lediglich auf den Beifahrersitzen mit Sicherheitspersonal bemannt. Dabei wurde bei einer Geschwindigkeit von 80 km/h konstant ein Abstand von etwa neun Metern eingehalten.

Durch Platooning entstehen folgende Vorteile: Das automatisierte Windschattenfahren in der Kolonne reduziert den Kraftstoffverbrauch signifikant und erhöht zudem die Sicherheit auf Autobahnen. Sr. Shogo Hayashida, Manager der Sangikyo Corporation, ist vom dem Platooning-Projekt überzeugt: „Mit unserer Demonstration konnten wir das Potenzial der neuartigen LED-basierten optischen Drahtloskommunikation erfolgreich aufzeigen.“

Das Team der Abteilung ‚Photonische Netze und Systeme' des Fraunhofer HHI unterstützte Sangikyo beim Einsatz und Testen der LiFi-Technologie. Für Dr.-Ing. Dominic Schulz, Projektleiter am Fraunhofer HHI, belegten die Versuchsergebniss „die Bedeutung der LiFi-Technologie als Wegbereiter für sicheres autonomes Fahren, Smart Cities und letztlich die zunehmend vernetzte Gesellschaft.“ Über die aktuelle Demonstration hinaus untersucht das Fraunhofer HHI die optische Truck-to-Truck-Kommunikation in Kooperation mit dem Automobilhersteller Ford im EU-geförderten Forschungsprojekt ‚Vision' (Visible light based Interoperability and Networking).

In Hessen wird der erste LiFi-Klassenraum getestet

Ein anderes Pilotprojekt will die drahtlose Datenübertragung per Licht in Klassenzimmern ermöglichen, über deren Digitalisierung gerade in Zeiten der SARS-Cov-2-Pandemie heiß diskutiert wurde. Das Fraunhofer HHI stattete den Klassenraum einer Berufsschule in Gelnhausen (Main-Kinzig-Kreis) mit der neuartigen LiFi-Technologie aus. Die Installations- und Testphase, die mehrere Monate dauerte, wurde im Frühjahr 2021 abgeschlossen. Forscher des Fraunhofer HHI nahmen dann die LiFi-Installation in Betrieb. Somit entstand Deutschlands erster vernetzter LiFi-Klassenraum.

Was ist LiFi

Light-Fidelity-Netzwerke, kurz LiFi, übertragen Daten mit Licht und damit um ein Vielfaches schneller als elektromagnetische Wi-Fi-Systeme. In einem LiFi-Netzwerk lassen sich stabile Übertragungsraten von 10 Gbit/s und mehr erzielen. LiFi setzt dabei voraus, dass zwischen Sender und Empfänger eine Sichtverbindung ohne Hindernisse besteht. Während elektromagnetische Wellen durch Wände dringen und ein Wi-Fi-Hotspot leicht mehrere Räume versorgen kann, ist das bei LiFi nicht ohne weiteres möglich. Will man die optische Datenübertragung etwa im Büro nutzen, muss jeder Raum mit der Technologie ausgerüstet sein, damit ein Nutzer beim Arbeiten mit einem mobilen Gerät (z.B. einem Tablet oder Smartphone) nicht permanent die Verbindung verliert. Diese Einschränkung von LiFi ist aber zugleich auch sein Sicherheitsvorteil. WiFi-Netzwerke bieten Angriffspunkte für externe Hacker – bei LiFi kann der Zugriff auf ein System nur erfolgen, wenn man sich in einem Raum mit dem LiFi-Hotspot in einer Reichweite von wenigen Metern aufhält.

Auch in austauschbaren Leiterplatten könnte LiFi laut dem Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme (IMPS) bald Einzug halten. Platinen sind bislang über Hochfrequenz-Kabel und mechanisch-fragile Stecker miteinander verbunden – dies begrenzt ihre Lebensdauer wenn sie ausgewechselt und neu verbunden werden sollen. Eine kabellose Lösung sind LiFi-Module, die sich direkt auf den Platten verlöten lassen.

Für die Produktions- und Fertigungsindustrie sind LiFi-Netzwerke ebenfalls von besonderem Interesse. Kritische Infrastrukturen lassen sich mit LiFi sicher vernetzen – der begrenzte Aktionsradius bietet einen enormen Sicherheitsvorteil, da er Einwirkungen von außerhalb verhindert. Zudem muss die Datenverbindung über Lichtwellen nur solange bestehen bleiben, wie sie ad hoc benötigt wird. Sind die Informationen übertragen, erlischt das Signal sofort.

Die LiFi-Technologie kann als Alternative oder Ergänzung zum weitverbreiteten WLAN eingesetzt werden. Um Daten mit hohen Geschwindigkeiten mobil zu übertragen, wird bei LiFi das optische Spektrum verwendet. Die Frequenz der generierten Lichtimpulse ist dabei so hoch, dass das menschliche Auge das Flackern des Lichts nicht wahrnehmen kann. Klassische Funknetzwerke werden durch LiFi entlastet. Zugleich ist der Schutz vor unbefugtem Zugriff sichergestellt, da die Kommunikation nur in einem räumlich begrenzten, mit LiFi ausgeleuchteten Bereich möglich ist.
Die Kommunikationszellen des LiFi-Systems sind teilweise mit mehreren optischen Frontends ausgestattet und auf diese Weise miteinander vernetzt. Dies sorgt für eine unterbrechungsfreie Kommunikation. Laptops und andere Endgeräte mit angeschlossenen USB-LiFi-Modulen können daher mobil im Klassenraum genutzt werden. Dabei erreicht das System Verbindungsgeschwindigkeiten von bis zu 500 Mbit/s.

Der erste vernetzte LiFi-Klassenraum Deutschlands wird nun intensiv von Lehrkräften, Schülerinnen und Schülern getestet, um wichtige Nutzererfahrungen zu sammeln, so dass das System weiter verbessert werden kann. In den kommenden Monaten sollen im Dialog zwischen den Forschenden und der Schule Erfahrungen ausgetauscht und weitere Ideen zur Einbindung des LiFi-Systems in den Schulalltag gesammelt werden.

Der Main-Kinzig-Kreis will mit dem Pilotprojekt eine Vorreiterrolle bei der Evaluation von LiFi übernehmen, sich von den praktischen Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Funklösungen überzeugen und bei der Digitalisierung der Schulen aktiv mitwirken, indem Schülerinnen und Schüler das zukunftsorientierte System testen. Auch andere Berufsschulen haben bereits Interesse an LiFi-Netzen angemeldet.