Hybride Datennetzerke Abhörsichere Datennetze mit Licht

Sowohl in der Industrie als auch in Krankenhäusern müssen sensible Daten geschützt werden. Ein Ansatz ist die Datenübertragung per Licht mit handelsüblichen LEDs und Photodioden in Kombination mit Powerline. In einem Projekt ist ein Deckenmodul mit DSP entstanden.

Sollen sensible Daten mit schnell und sicher übertragen werden, dann bieten sich entweder speziell abgesicherte Funknetzwerke an oder man überträgt die Daten mit Licht. Im Projekt LINCNET des Fraunhofer-Instituts HHI sollen speziell in Krankenhäusern und industriellen Fertigungsanlagen mit Licht übertragen werden. Zum Einsatz kommt Visible Light Communication (VLC). Bei dieser Übertragungstechnik werden Daten über Lichtsignale gesendet. Das ist vor allem in Umgebungen mit hohen Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit und Datensicherheit wichtig.

In der Industrie müssen bei kurzfristigen Auftragsänderungen Maschinen, Roboter und Messinstrumente schnell neu platziert werden und in die umgebaute Fertigungsabläufe integriert werden. Gleiches gilt im Gesundheitswesen. In beiden Fällen sind herkömmliche Netzwerke, in denen Maschinen und Geräte mit WLAN angebunden sind, nicht immer optimal. In Produktionshallen können sich die verschiedenen Funknetzwerke unvorhersehbar stören. In sensiblen Umgebungen wie beispielsweise im Operationssaal eines Krankenhauses sind auch elektromagnetische Emissionen der Funknetzwerke problematisch, dort gelten strenge Grenzwerte. Hinzu kommen Risiken für die Datensicherheit. Der Datenverkehr ist zwar verschlüsselt, das Funknetz bleibt für potenzielle Angreifer aber prinzipiell sichtbar.

Modulation von Lichtimpulsen

Am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin arbeiten Forscher gemeinsam mit Projektpartnern an einer vielversprechenden Lösung: die Datenübertragung über Licht. Im Projekt LINCNET, das Akronym steht für LiFi-enabled 5G for INdustrial and MediCal NETworks, nutzen die Fraunhofer-Forscher die Möglichkeit, Daten durch Modulation von Lichtimpulsen zu übertragen. Als Lichtquelle dienen handelsübliche LEDs und als Empfänger kommen Photodioden zum Einsatz.

Das Konzept sieht vor, das schnelle 5G-Datennetz mit der Datenübertragung über das vorhandene Stromnetz per Powerline Communication zu kombinieren. Damit lassen sich die notwendigen Daten in jeden Raum bringen und sie dort mittels Lichts (LiFi) auf den letzten Metern drahtlos zu übertragen. Die Lichtsignale dringen nicht durch Wände. Das reduziert elektromagnetische Emissionen und ist energieeffizienter.

Mit PLC entfällt außerdem die kostspielige Verlegung zusätzlicher Kabel für das Netzwerk. Für die Entwicklung und Optimierung von PLC ist der Konsortialführer von LINCNET, das Aachener Unternehmen devolo Solutions GmbH, zuständig. Die Daten aus dem Stromnetz werden über ein LiFi-Modul in Steuersignale für das Licht umgewandelt. Das Licht wird kontinuierlich heller und dunkler moduliert. Die LEDs senden ihre Daten an Endgeräte, die mit Empfangs- und Sende-Einheiten ausgestattet sind. Die Signaländerungen erfolgen 200 Millionen Mal pro Sekunde und werden vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen.

Maschinen oder Geräte gleichzeitig mit Daten versorgen

Gegenüber der funkbasierten Datenübertragung hat LiFi klare Vorteile. Die Übertragung ist extrem robust und leistungsstark. In lokalen Netzwerken ermöglicht sie Latenzzeiten unter 2 ms und Übertragungsraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde. Projektleiter Lennert Bober nennt weitere Vorteile: „Licht dringt nicht durch Wände und ist somit abhörsicher. Zudem wird die Datenübertragung nicht von anderen Funknetzwerken oder von Maschinen mit Störstrahlung beeinträchtigt und kann diese auch nicht stören.“

Da die Daten nur innerhalb des Lichtkegels übertragen werden, lassen sich viele Maschinen oder Geräte gleichzeitig mit Daten versorgen, ohne dass die Lichtsignale einander stören.

Das Team des Fraunhofer HHI nutzt seine jahrzehntelange Expertise im Bereich der lichtgestützten Datenübertragung. Das Fraunhofer HHI hat LiFi mitentwickelt und trägt auch maßgeblich zur Standardisierung bei. Für das Projekt LINCNET haben die Forschenden ein Deckenmodul mit digitalem Signalprozessor (DSP) entwickelt. Es extrahiert die Daten aus dem Stromfluss und verwandelt diese in die elektrischen Signale für die Modulation der Lichtquelle. Die LED sendet die Daten von der Decke an das im Lichtkegel platzierte Endgerät, also beispielsweise einen Roboter in der Fertigung oder ein Ultraschallgerät in der Klinik. Im Lichtkegel sind die Daten ebenso abgeschottet wie in einem Kabel. „Es ist so sicher und performant wie ein Kabelnetzwerk – nur ohne Kabel“, erklärt Projektleiter Bober.

Das Lichtspektrum beliebig nutzen

Für die Industrie hat Licht einen weiteren entscheidenden Vorteil. Anwender können das Lichtspektrum nach Belieben nutzen, denn die im Funkbereich etablierten Regulierungen gibt es bei Licht nicht. „Sie müssen keine Anträge auf Nutzung einer Frequenz stellen und keine Lizenzgebühren zahlen“, ergänzt Bober.

Die Forscher vom Fraunhofer-Institut HHI arbeiten im Projekt parallel bereits an einer weiteren Verbesserung von LiFi-Netzwerken. Statt LiFi via Powerline Communication mit dem Stromnetz zu verbinden, entwickeln sie auch eine Kombination mit schnellen Ethernet-basierten Netzwerken. Während die Backhaul-Anbindung von Drahtlos-Zugangspunkten über Ethernet üblich ist, findet hier zusätzlich ein zentralisierter Ansatz, ähnlich wie in 5G Mobilfunknetzen, Anwendung. Als sogenanntes Fronthaul-Netzwerk verbindet Ethernet jedes LiFi-Deckenmodul mit einem zentralen Computer, der LiFi-Übertragungen feingranular koordiniert und somit die Übertragungsleistung deutlich steigert. „Für die Echtzeit-Steuerung von Robotern oder Highend-Szenarien in der Medizin sind hochskalierbare Ethernet-Leitungen im Verbund mit LiFi eine wunderbare Kombination“, sagt Bober.

Für Unternehmen wie auch Krankenhäuser kann LINCNET einen spürbaren Schub für die weitere Digitalisierung geben und durch den Aufbau von Kompetenzen in der optischen Drahtloskommunikation die technologische Souveränität in Deutschland fördern. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert die 15 Projektpartner von LINCNET mit insgesamt 3,3 Mio. Euro.

Localhost – Der IP-Insider-Podcast: Folge 2

LiFi – Datenübertragung mit Licht: was sie kann und wofür sie sich eignet

(ID:50121124)