4.1 Optische Kommunikation: Visible Light Communication (VLC)

Visible Light Communications (VLC) ist eine Datenübertragungstechnik, bei der das Licht die Rolle des Übertragungsmediums für alle Arten von Informationen und Diensten spielt. Die Frequenz des zur Übertragung genutzten Lichtes befindet sich dabei im sichtbaren Bereich zwischen 400 THz und 800 THz (1 THz = 1000 GHz). Visual Light Communication wird derzeit weltweit intensiv entwickelt. Die Firma Signify - früher Philips-Lighting - bietet bereits High-Speed-Internetzugänge über moduliertes Licht (Trulifi) an (www.signify.com/global/innovation/trulifi). Die VLC-Technik dürfte in der nächsten Zeit in vielen Bereichen genauso leistungsfähig sein wie der kommende Mobilfunkstandard 5G bei hohen Frequenzen.

In Deutschland hat das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut [88] in Berlin (HHI) eine VLC-Technik entwickelt, bei der das Licht handelsüblicher LED-Lampen, die für die Raumbeleuchtung Verwendung finden, als Datenträger genutzt wird. Die Daten werden durch hochfrequente Modulation des Lichtstroms übertragen, was für das Auge nicht wahrnehmbar ist. Optische Sensoren (Photodioden) an den Endgeräten lesen die Daten aus dem Lichtstrom wieder aus. Umgekehrt werden die Datenströme vom mobilen Endgerät über einen Infrarotsender an die LED-Lampe zurückgesendet.

Die drahtlose optische Datenkommunikation ist eine eindrucksvolle Alternative zur bestehenden Datenübertragung mit WLAN und Bluetooth. Sie stellt eine attraktive Lösung gerade auch für Schulen dar, da hier besondere Anforderungen an den Schutz der Kinder und Jugendlichen vor den Risiken der Mobilfunkstrahlung vorliegen und zu berücksichtigen sind. Mittlerweile ist VLC als Alternative zu WLAN erfolgreich im Hegel-Gymnasium in Stuttgart zusammen mit dem Fraunhofer HHI installiert worden (www.t1p.de/opg8).

Die VLC-Technik ist als Alternative zur bestehenden Funktechnik für den Hochleistungsinternetzugang konzipiert. Die technischen Möglichkeiten reichen von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bis zu optischen WLAN-Verbindungen (engl.: LiFi = Light-Fidelity), bei denen eine Lichtquelle mehrere Geräte versorgt. Vor allem bieten Bereiche mit ständiger Beleuchtung, wie Großraumbüros, Produktionshallen, medizinische Bereiche, Flugzeugkabinen oder der öffentliche Fern- und Nahverkehr ein großes Anwendungsfeld für diese Technologie. Ihre prinzipielle Funktionsweise zeigen die Grafiken vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (www.t1p.de/vkse) und von der Firma Signify (www.t1p.de/wow3).

Nicht nur für den Indoor-Bereich ist die VLC-Technik bereits bis zur Serienreife entwickelt: Es können derzeit Datenraten von minimal 100 MBit/s bis derzeit maximal 3 GBit/s übertragen werden. Diese Datenübertragungsraten stehen denen der meisten WLAN-Standards in nichts nach.

Weitere Vorteile der VLC-Technik sind:

• Einfache optische Sender und Empfänger, handelsübliche Komponenten und Standard-Schnittstellen
• Robuste Datenübertragung ohne Sender- und Empfängerausrichtung
• Hohe Datenübertragungsraten
• Unterstützung von Mehrbenutzer-Kommunikation
• Keine Interferenzen mit Funksystemen, kein Elektrosmog
• Geringeres Störpotenzial
• Weltweit unregulierte, frei verfügbare Übertragungsfrequenzen
• Einfache Abschirmung durch lichtundurchlässige Oberflächen, daher höhere Abhörsicherheit
• Die Technik ist sogar unter Wasser einsetzbar und hat dort eine erheblich größere Reichweite als Funkwellen, die schnell absorbiert werden.

Hintergrund zur Entwicklung von VLC

Die Idee, von der Mikrowellenstrahlung auf sichtbares Licht überzuwechseln, stammt ursprünglich von der Keio-Universität in Japan; inzwischen hat sie sich weltweit verbreitet. Im Ursprungsland Japan arbeiten Firmen wie NEC, Matsushita, Shimizu und weitere intensiv an der Entwicklung von praxistauglichen Systemen, in Korea beschäftigt sich das Unternehmen Samsung damit [89]. In Deutschland sind Forscher am Fraunhofer HHI in Berlin (www.hhi.fraunhofer.de) damit befasst, im übrigen europäischen Raum mehrere Universitäten, vor allem in Edinburgh (Prof. Harald Haas) und Oxford (Prof. Dominic O’Brien). Einen umfassenden Überblick über die Technik und ihre Anwendungsmöglichkeiten bietet folgendes Dokument auf der Webseite von ieee802.org: www.t1p.de/as0e.

Aber auch bei dieser Technik muss erst die Frage nach den Gesundheitsrisiken geklärt werden, d. h.: „Die VLC-Technik muss vor ihrem Einsatz schnellstmöglich auf ihre Gesundheitsverträglichkeit und mögliche negative Effekte auf Tieren und Pflanzen untersucht werden, bevor diese auf den Markt kommen darf“ [90,91] . Allerdings gibt es Hinweise dafür, dass bei der VLC-Technik nicht mit den hohen Gesundheitsrisiken der mikrowellenbasierten Technik zu rechnen ist. Dafür sprechen folgende Unterschiede zu den Mikrowellen (cm-Wellen):

• der Mensch ist durch Schutzmechanismen evolutionär an die Frequenzen des sichtbaren Lichts angepasst;
• die Daten-Modulationen sollen nach Aussage der Entwickler im hohen MHz- bis zum GHz-Bereich liegen und damit außerhalb der mit dem Auge wahrnehmbaren Frequenzen (kein Flimmern);
• die Strahlung dringt nur Bruchteile von Millimetern in den Körper ein (gegenüber 5 - 10 cm bei Mikrowellen), tiefere Bereiche - wie das Gehirn - werden daher nicht bestrahlt;
• der bei LED-Licht schädliche, oft hohe Blaulichtanteil kann durch neuartige Beschichtungen weitgehend reduziert werden.

Trotzdem gilt auch hier die Anwendung des ALARA-Prinzips (As Low As Reasonable Achievable).