WLAN AUS DER LAMPE! Chatten, snappen und twittern wir bald auch mit Licht?

 

Vorlesungen, Seminare, Praktika, die hier bei uns zu diesem Thema passen:

In den ersten Semestern wird Grundlagenwissen vermittelt. Hierzu zählen unter anderem Grundlagen der Elektrotechnik, Mathematik und Physik, Signalverarbeitung, Nachrichtentechnik und Informationstechnik, Informatik und Programmierung, Elektronik und Schaltungstechnik. Anschließend kann man sich Vorlesungen, Praktika und Seminare zusammenstellen. Exemplarisch seien drei unterschiedliche Veranstaltungsarten aufgeführt, die für das LiFi-Thema hilfreich sind.

Kurztitel Inhalt
Visible Light Communi­cations
(Vorlesung)
Diese Vorlesung vermittelt Fachwissen zur Freiraum-Datenübertragung mittels sichtbarem Licht. Die Vorlesung umfasst die Grundlagen der Lichttechnik, stellt zahlreiche intensitätsbasierte Modulationsverfahren vor und erklärt die Prinzipien von LEDs und Photodetektoren sowie zugehörige Schaltungstechniken. LiFi steht im Vordergrund dieses Lehrmoduls. Optische Kommunikation, Mobilfunkkommunikation und Unterwassertechniken sind Vorlesungen zu ähnlichen Themen. .
Real-Time Signal Processing Lab
(Praktikum)
In diesem Labor wird teamweise ein Thema bearbeitet und vorzugsweise in Hardware realisiert, beispielsweise auf einem Mikrocontrollerboard. Abschließend wird das Ergebnis in Form eines Vortrags anderen Gruppen präsentiert.
Informations- und Codierungs­theorie
(Seminar)
Auch in diesem Seminar werden Soft-Skills vermittelt. Studierende erwerben durch ein Literaturstudium Kenntnisse zu einem aktuellen Thema aus dem Bereich der Übertragungstechnik, beispielsweise LiFi-Aspekte, präsentieren ihr Thema im Rahmen eines Vortrags und verfassen einen kurzen Bericht..

 

Ein paar Details zu diesem Thema:

WLAN, auch WiFi genannt, kennt jeder. Hat man WLAN-Zugang, ist man wie zu Hause. WLAN bietet vielfältige Möglichkeiten, besitzt aber auch Nachteile. Weil die ganze Nachbarschaft WLAN hat, passiert es in Innenstädten und Hotspots immer häufiger, dass nicht genug Kanäle frei sind. Dann reduziert sich die Übertragungsrate, salopp als "Geschwindigkeit" bezeichnet. Dies hängt damit zusammen, dass WLAN funkbasiert ist und das unlizensierte Funkspektrum im 2.4 GHz und im 5 GHz Bereich oftmals ausgelastet ist. Bösartigerweise kann es auch passieren, dass eine WLAN-Verbindung abgehört oder ein WLAN-Netz von anderen genutzt wird. Jeder, der sich in der Nähe eines WLAN-Routers befindet, ist einer gewissen Strahlungsdosis ausgesetzt – diese ist in den eigenen vier Wänden naturgemäß am höchsten.

Eine interessante Alternative besteht darin, Kunstlicht als Übertragungsmedium zu nutzen, denn Licht kann gleichzeitig zur Beleuchtung sowie für Kommunikations- und/oder Lokalisierungszwecke verwendet werden. Hierzu werden üblicherweise LEDs verwendet, die mehrere Millionen mal in der Sekunde ein- und ausgeschaltet werden können. Für das Auge sind keine Helligkeitsschwanken erkennbar. In Analogie zu WiFi spricht man von LiFi (Light Fidelity). Zur Datenübertragung und -lokalisierung ist keine zusätzliche Stromversorgung erforderlich, deshalb ist LiFi eine umweltfreundliche Technologie. Das Bestreben, veraltete Lichtquellen durch LEDs zu ersetzen, kann mit der LiFi-Technologie kombiniert werden. Lichtwellen stören keine Funksignale und dringen nicht in Wände ein. Somit kann das gesamte optische Spektrum in benachbarten Räumen wiederverwendet werden und die Datensicherheit erhöht sich im Vergleich zu WiFi. LiFi-Systeme sind weltweit lizenzfrei und können nicht nur WiFi-Installationen (zum Beispiel in Wohn-, Büro-, Einzelhandels- sowie öffentlichen Umgebungen) ergänzen, sondern auch in elektromagnetisch störungsempfindlichen Bereichen (wie Flugzeugkabinen und Krankenhäusern) bzw. umgekehrt in Umgebungen mit starker elektromagnetischer Strahlung (wie in Fertigungshallen und Kraftwerken) eingesetzt werden. LiFi ist eine Internet-of-Things-Anwendung und verbessert beispielsweise SmartLighting. LiFi eignet sich sowohl für Innen- als auch für Außenanwendungen, wie auf den Fotos zu sehen ist. Die LED-basierte Car-to-X-Kommunikation gilt als Plattform für autonomes Fahren.

 

Schwierigkeiten, die es zu lösen gilt:

LiFi funktioniert nur, wenn die Beleuchtung aktiviert ist. Wer Nachts das Licht ausschaltet, ist nicht erreichbar. Diese Problematik kann jedoch durch eine Kombination mit infrarotem Licht vermieden werden. Kritischer sind Ausfälle, wenn die direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger blockiert ist, zum Beispiel wenn man ein mobiles Gerät in eine Tasche steckt. Diesbezüglich wird an sog. hybriden Fallback-Lösungen gearbeitet.

LEDs sind langsamer als Laser. Laser können pro Sekunde deutlich öfter ein- und ausgeschaltet werden. Folglich ist bei LED-basierten LiFi-Systemen die Datenrate begrenzt. In den ersten kommerziellen LiFi-Produkten werden derzeit Datenraten bis etwa 50 Mbit/s angeboten, in der Forschung ist man in Laborumgebungen und bei kleinen Abständen bei etwa 10 Gbit/s – vergleichbar mit WiFi. An der Technischen Fakultät tragen wir mit modernen adaptiven Modulationsverfahren, Verfahren der fehlerkorrigierenden Codierung und dem Einsatz von LED-Arrays zur Forschung bei.

Umgebungslicht ist einerseits erwünscht. Qualitativ gibt es kein besseres Licht als Sonnenlicht und man spart Stromkosten. Andererseits kann Umgebungslicht den Photodetektor übersteuern. In Kiel arbeiten wir an empfängerseitig angebrachten optischen Blenden zur Unterdrückung von Umgebungslicht, beispielsweise in Form von LCD-Displays, die wir vom Fernsehmonitor und von adaptiven Schweißerbrillen kennen. Auch arbeiten wir an SmartLight-Methoden: Ein Regelkreis sorgt dafür, dass vorhandenem Sonnenlicht nur soviel Kunstlicht hinzugefügt wird, wie bezüglich der Helligkeit notwendig. Dadurch kann der CO2-Verbrauch verringert werden.

Eine weitere Schwierigkeit besteht im Übersprechen zwischen LiFi-Lichtquellen, die sich im gleichen Raum befinden. Je mehr modulierte Lichtquellen eingesetzt werden, umso höher ist die erreichbare Datenrate. Mit abnehmendem Abstand überlappen sich jedoch die Leuchtkegel stärker, es kommt zu störendem Übersprechen. An der Technischen Fakultät entwickeln wir Algorithmen, um Verluste aufgrund der Interferenz zu reduzieren. In Kombination mit LCD-Displays wird eine besonders hohe Leistungsfähigkeit erwartet.

 

Studentische Projekte zu diesem Thema:

Es gibt vielfältige Möglichkeiten für Studierende, an spannenden und zukunfsorientierten Forschungs- und Entwicklungsaufgaben nicht nur mitzuwirken, sondern diese auch zu gestalten. Im Rahmen des Bachelorstudiums bietet sich dazu beispielsweise das sog. studentische Projekt an. In Teamarbeit wird semesterbegleitend ein Thema bearbeitet. Zum Thema LiFi seien exemplarisch zwei Beispiele genannt.

Jedes Jahr findet auf dem Gelände der Technischen Fakultät eine Feier statt. Dazu wird vor der Mensa eine Getränkeausgabe aufgebaut. Um die Kommunikation zwischen dieser Getränkeausgabe und der Theke in der Mensa zu erleichtern, haben Studierende eine lichtbasierte digitale Übertragungsstrecke konzipiert und in Form eines Prototyps mit Hilfe von RGB-LEDs, Mikrocontrollerboards und Photodetektoren inklusive Software- und Schaltungsentwicklung realisiert. Auf dieser technischen Basis kann man sich in einer weiteren Ausbaustufe ein Campusnetzwerk vorstellen, welches Kabel ersetzt. Eine andere Gruppe hat eine optische Ethernet-Übertragung konzipiert und realisiert, damit beispielsweise ein Notebook drahtlos mit einem Router kommunizieren kann.

Doch nicht nur im studentischen Projekt haben Studierende Zugang zu Forschungs- und Entwicklungsthemen. Alle Lehrstühle bieten bezahlte HiWi-Jobs für Bachelor- und Masterstudierende an. Im Rahmen einer HiWi-Tätigkeit ist beispielsweise ein LED-basierter Breitbandstrahler entstanden, dessen Lichtspektrum digital einstellbar ist. Mit diesem Breitbandstrahler kann Licht besonders hoher Qualität erzeugt werden.

Ferner bieten Abschussarbeiten (d.h. Bachelor- und Masterarbeiten) sowie Auslandsaufenthalte vielfältige Möglichkeiten zur Umsetzung von Ideen. Bachelor- sowie Masterarbeiten sind an der Technischen Fakultät forschungsorientiert und werden in der Regel von Doktoranden co-betreut. Das Thema LiFi findet umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten. Ein großer Flugzeughersteller interessiert sich beispielsweise dafür, die Leselampen der Passagiere auch zur Datenkommunikation zu verwenden, um elektromagnetische Störungen durch WiFi in der Kabine zu vermeiden. In Kooperation mit einem Zentrum für Ozeanforschung wird an lichtbasierten Verfahren gearbeitet, um Bio-Fouling zu reduzieren. Im Rahmen eines EU.SH-Projekts wird Licht verwendet, um autonome Unterwasserroboter miteinander kommunizieren zu lassen und um deren Positionen präziser schätzen zu können. Im Rahmen von Promotionsverfahren und Abschlussarbeiten wird das oben genannte Verfahren zur adaptiven Ausblendung von Umgebungslicht bei der LiFi-Übertragung weiterentwickelt. Es werde Licht – und es ward Licht. Wir sind auf Eure schöpferischen Beiträge gespannt!

 

 

Interesse an weiteren Forschungsfragen:

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