1. Einführung
Dass es möglich ist, mit sichtbarem Licht Daten zu übertragen wie mit WLAN oder den derzeit genutzten Mobilfunkwellen, mag für viele sicher unbekannt und verwunderlich sein, zumal über diese Möglichkeit in den Medien selten berichtet wird. Wie kann man sich eine Datenübertragung mit Licht vorstellen? Bereits das Morsen mit kurzen und langen Lichtimpulsen ist ja eine mögliche Datenübertragung mit Licht, die in ähnlicher Form auch bei der digitalen Datenübertragung Verwendung findet: Durch schnelles Ein- und Ausschalten von LEDs (ab 12 Millionen mal/Sekunde (12 MHz), bei weißleuchtenden LEDs derzeit bis 100 MHz möglich) werden Daten als Folge von Hellzeiten (Eins) und Dunkelzeiten (Null) kodiert (sog. On-Off-Keying-Modulation). In der Praxis werden in der Regel mehr oder weniger Zwischenstufen in der Helligkeit (sog. Intensitätsmodulation) und variable Ein-/Auszeiten genutzt, um mehr Daten pro Sekunde übertragen zu können [2]. Die schnellen Helligkeitswechsel sind für das Auge nicht wahrnehmbar, sie werden aber von sensiblen Fotodioden am Empfängergerät in elektrische Signale umgewandelt, die dann in verständliche Sinneseindrücke weiter verarbeitet werden.
Auch bei den meisten Fernbedienungen zum Beispiel für ein TV-Gerät löst jeder Druck auf eine Taste eine digitale Datenübertragung aus: Sender ist größtenteils eine LED im Kopf der Fernbedienung, die hier unsichtbares Infrarotlicht abgibt, das je nachdem, welche Taste gedrückt wird, als unverwechselbare Impulsfolge ausgesandt wird (10 – 20 kbit/s). Am Empfänger, dem TV-Gerät oder anderen Geräten, wird dieses Infrarotlicht-Signal empfangen und in elektrische Impulse umgewandelt, die dann das Gerät entsprechend einstellen.
Unter dem Überbegriff Optical Wireless Communication (OWC) werden alle Techniken verstanden, die Licht aus dem sichtbaren Bereich, sowie aus dem nahen Infrarot- und dem UV-Bereich zur Datenübertragung nutzen. Die Techniken werden seit ca. 15 Jahren intensiv erforscht. Mittlerweile wurden und werden weltweit zahlreiche Anwendungen mit dieser Art der Datenübertragung für verschiedenste Szenarien entwickelt. Anlass ist die wachsende Nachfrage nach schnellen und zunehmend umfangreicheren Datenübertragungen und die wachsende Zahl an Kommunikationsanwendungen (Machine-to-Machine Communication, Internet of Things, autonomes Fahren, Virtual Reality u.a.). Es besteht allgemeiner Konsens, dass die bisherigen Mobilfunkfrequenzen dafür nicht (immer) ausreichen. Hier stellt das elektromagnetische Spektrum rund um den sichtbaren Bereich einen vielversprechenden Kandidaten dar, extrem große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit übertragen zu können, was der Leistung von 5G - Datenübertragungen entspricht und diese sogar übertreffen kann. Weitere Vorteile von OWC sind: Lizenzfreie Frequenzen, keine Störung durch Mobilfunkfrequenzen, hohe Datensicherheit, da Licht nicht durch Wände dringt, hohe Energieeffizienz und nicht zuletzt eine aller Voraussicht nach bessere biologische Verträglichkeit. Die vielversprechendsten OWC-Technologien sind Visible Light Communication (VLC), Light-Fidelity (LiFi), Optical Camera Communication (OCC), die die Digital-Kamera im Smartphone als Empfänger nutzt, und Free-Space Optical Communication (FSO), was einem Richtfunk im freien Raum entspricht.
2. Visible Light Communication (VLC)
Als Pioniere der VLC-Technik für Innenräume gelten Prof. Nakagawa und seine Mitarbeiter an der Keio-Universität (Japan). LEDs der Raumbeleuchtung werden gleichzeitig als Sender genutzt. Fotodetektoren, die mit dem USB-Eingang am Endgerät verbunden sind, dienen als Empfänger. In der Regel wird VLC nur für den Downlink-Kanal genutzt. Hochleistungs-LEDs und neuere Sensormodule erreichen im Indoor-Bereich unter Verwendung von kommerziellen, echtzeitfähigen Chips maximale Datenraten von derzeit bis zu 1 Gbit/s [1] (G = Milliarde). Im Labor wurden bereits Datenraten von 10 Gbit/s [2] und mit Infrarot-Laserdioden als Sender sogar 100 Gbit/s [3] erzielt.