Hohe Datenraten, Robustheit, geringer Energiebedarf, Datensicherheit, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Netzwerkfähigkeit: Die Anforderungen an den Austausch von Daten sind enorm im Umfeld der Fertigungs- und Prozessautomatisierung, in der Industrieanlagen immer komplexer werden und immer mehr Sensoren, Maschinen, Steuer- und Regeleinheiten miteinander kommunizieren. Mit diesen Anforderungen wächst die Nachfrage nach einem Ersatz der heute vorherrschenden drahtgebundenen Feldbus-Systeme. Denn drahtlose Systeme versprechen insbesondere bei beweglichen oder bewegten Anlagenteilen wie bei Greifarmen oder Hebe-Einrichtungen eine höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit als verschleißanfällige und teure Spezialkabel oder Schleifringe. Des Weiteren ermöglichen sie einen schnelleren Aufbau und bieten mehr Flexibilität. Nicht zuletzt sind sie immer dann gefordert, wenn das Verlegen einer Signalleitung von der Sensorik oder Aktorik zur Steuereinheit gänzlich unmöglich oder sehr aufwendig ist und sich so deutliche Kosteneinsparungen in Montage und Instandhaltung erzielen lassen.

Der Stand der Technik

Stand der Technik in industriellen Anlagen sind heute drahtgebundene Übertragungsprotokolle, die von wenigen kbit/s bis zu 12,5 Gbit/s reichen. Repräsentativ seien Ethernet 10/100/1000Base-T, Ethercat, Profibus oder Profinet genannt. Höhere Datenraten werden beispielsweise mit 10GBaseT oder PCIe mit Kupferleitungen oder 100GbE über Glasfaser erreicht. Im Vergleich dazu existieren verschiedene funkbasierte Techniken, die allerdings bezüglich der Nettodatenrate und Zuverlässigkeit kritisch hinterfragt werden müssen. Dazu zählen beispielsweise IEEE 802.11n oder 802.11ac mit theoretischen Bruttodatenraten von 600 Mbit/s beziehungsweise 1300 Mbit/s. Betreibt man ein derartiges Netzwerk in einem bestimmten Bereich mit Hindernissen, EMV-Störern und mehreren Teilnehmern, kann die Nettodatenrate durch die zeitweilige Störung des Übertragungskanals reduziert sein. Eine echtzeitfähige Kommunikation ist mit diesen draht­losen Techniken fast unmöglich und stets mit Einschränkungen verbunden.

Im Gegensatz zu den Funklösungen arbeitet die optische drahtlose Kommunikation – auch als Li-Fi-Technologie bekannt – mit einer im THz-­Bereich physikalisch begrenzten Bandbreite. Anders als bei funkbasierter Kommunika­tion gibt es weltweit keine staatliche Regulierung des Spektrums. Eine praktische Begrenzung der Datenrate ist durch verfügbare optoelektronische Bauelemente gegeben, die zur Modulation und Demodulation eingesetzt werden. Anders als bei Funktechniken ist eine auf Licht basierende drahtlose Kommunikation wesentlich unempfindlicher gegenüber Stör­einflüssen. Neben den hohen Nettodatenraten mit bis zu 12,5 Gbit/s sorgen Li-Fi-Systeme für eine stabile Funktion in EMV-belasteten Bereichen. Sie können bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten – hauptsächlich im sichtbaren und nahen infraroten Bereich.

Aktuell existieren Li-Fi-Systeme mit verschiedenen proprietären Ansätzen. Darüber hinaus befassen sich diverse Organisationen mit der Standardisierung. Der IEEE-Standard 802.15.7 etwa bietet Datenraten von wenigen kbit/s bis zu 100 Mbit/s. Höhere Datenraten sind aktuell in Diskussion. Die Infrared Data Association (IrDA) hat bekannte Standards (SIR, MIR, FIR, VFIR) mit bis zu 16 Mbit/s sowie neuere Versionen (Giga-IR) bis 1 Gbit/s veröffentlicht. An Versionen für Datenraten von 5 und 10 Gbit/s wird aktuell gearbeitet.

Sichtverbindung – Nachteil und Vorteil zugleich

Der größte Nachteil und Vorteil der Li-Fi-Technik zugleich ist die Not­wendigkeit einer Sichtverbindung. Mehrwege-Ausbreitung, wie sie von der Infrarot-Fernbedienung bekannt ist und für ein einfaches Handling genutzt werden kann, ist bei höheren Datenraten theoretisch denkbar. Mit heute verfügbaren Technologien sind diese aber nicht in einem konkurrierenden Marktumfeld umsetzbar. Deshalb fokussiert sich Li-Fi vor allem auf Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Multipunkt-Lösungen. Insofern lassen sich Kabel, Stecker sowie Funkstrecken mit Sichtverbindung durch Li-Fi-Lösungen mit hohen Datenraten, Echtzeit-Fähigkeit und Störsicherheit ersetzen. Im Gegensatz dazu bieten klassische Funknetze eine möglichst große Mobilität bei vergleichsweise geringen Datenraten, wohingegen die Echtzeit-Fähigkeit meist keine Rolle spielt.

So funktioniert Li-Fi

Allgemein besteht ein Li-Fi-HotSpot-Datenlink aus einem fest installierten optischen Sende-/Empfangsmodul, das einen Zugangspunkt für einen definierten räumlichen Anwendungsbereich darstellt. Ein zweites optisches Modul kann in diesem Bereich platziert werden und eine Datenverbindung aufbauen. Wichtig bei Li-Fi-HotSpots ist der Abstand zwischen beiden Modulen sowie die Spotgröße des ausgesendeten Lichts. In erster Näherung verändert sich die Spotgröße linear mit dem Abstand. Die Distanz lässt sich vergrößern, bis die minimale Sensitivität des Empfängers erreicht ist. Alternativ ist der Abstrahlwinkel reduzierbar, um die Distanz weiter zu ver­größern. Ein großer Vorteil von Li-Fi: Mehre Datenlinks können im Raummultiplexverfahren parallel aufgebaut werden, ohne dass Interferenzen zwischen den einzelnen Verbindungen bestehen. Und jede Verbindung kann ­dabei mit der maximal verfügbaren ­Datenrate arbeiten. Optional besteht die Möglichkeit, Zeitmultiplexverfahren einzusetzen, um Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen aufzubauen.

Neben der stationären Montage sind Anwendungen denkbar, bei denen sich zwei Li-Fi-Module auf einem Schienensystem zueinander bewegen. Ist beispielsweise eine bewegliche Kamera zur Prozesskontrolle installiert, können die Vidoedaten während der Bewegung drahtlos in Echtzeit übertragen werden. Eine Lösung mit Kabeln hätte hier Nachteile bei Robustheit und Langlebigkeit. Zwar könnten spezielle Kabelketten diesen Nachteil kompensieren; jedoch wären dann die Geschwindigkeiten der sich bewegenden Module begrenzt.