Optische drahtlose Kommunikation: Vor- und Nachteile von OWC

Definition von OWC

Bei OWC handelt es sich um eine Wireless-Technologie, die Lichtwellen und optoelektronische Elemente nutzt, um Daten auszutauschen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Konnektivitätsoptionen verwendet OWC keine physischen Glasfasern für die Datenübertragung. Stattdessen nutzt sie den freien Raum als Übertragungsmedium und arbeitet mit den folgenden Lichtspektren:

• Sichtbares Lichtspektrum: 380 Nanometer bis 700 Nanometer (nm).
• Infrarotspektrum (IR): 750 nm bis ein Millimeter.
• Ultraviolettspektrum (UV): Zehn nm bis 400 nm.

Um Informationen zu übertragen, verwendet OWC einen Encoder, einen Modulator, eine Quelle und eine Transmitteroptik. Halbleitergeräte wie LEDs und Laserdioden dienen als Lichtquelle. Diese Elemente werden in der Regel an der Decke montiert oder in ein Dach mit Transmitteroptik integriert. Das Übertragungssystem muss die Sicherheitsstandards für Augen und Haut einhalten. Das Informationssignal, das die Daten enthält, wird auf ein Trägersignal aufmoduliert. Hierbei kommen unter anderem folgende moderne Modulationsverfahren zum Einsatz:

• Intensitätsmodulation/Direkterkennung.
• Pulsamplitudenmodulation.
• Pulspositionsmodulation.
• Trägerlose Amplituden- und Phasenmodulation.
• Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM).

Nachdem der Transmitter die Daten in optische Signale für die Übertragung umgewandelt hat, wird das modulierte Licht durch den Freiraumkanal übertragen. OWC verwendet eine Vielzahl von Komponenten für den Datenempfang. Dazu gehören ein Fotodetektor, zum Beispiel eine Fotodiode oder eine Avalanche-Diode, die eingehende Lichtsignale erkennen kann, ein Verstärker für die Verbesserung der Signalqualität, ein Demodulator zur Extraktion der Originaldaten und ein Decoder zur Umwandlung des Signals.

Der Empfänger muss sich in einem weiten Blickfeld (Wide Field of View, WFOV) befinden, um das optische Signal zu erfassen. Außerdem sollte er aus Gründen der spektralen Effizienz flach genug sein, damit ein Erfassungsbereich gewährleistet ist. Wenn ein Clientgerät das optische Signal vom Transmitter empfängt, wird es vom Empfänger demoduliert und dekodiert, um die ursprünglichen Daten zu extrahieren.

Vorteile von OWC

Die optische drahtlose Kommunikation bietet unter anderem die folgenden Vorteile:

Hohe verfügbare Bandbreite

Im Gegensatz zu Hochfrequenzen (Radio Frequencies, RF) ist das OWC-Spektrum unreguliert und unlizenziert. Theoretisch kann die optische drahtlose Kommunikation Bandbreiten im Petahertzbereich nutzen. Das sichtbare Licht- und das IR-Spektrum bieten typischerweise Bandbreiten von mehreren hundert Terahertz. Das UV-Spektrum ermöglicht zwar eine ähnliche Bandbreite, ist aber aufgrund seiner höheren Absorption und Streuung weniger verbreitet.

Die derzeitigen Technologiestandards und Geräte können diese hohen Frequenzen wegen technischer Einschränkungen und Sicherheitsbedenken nicht unterstützen. Da das optische Spektrum jedoch nicht überlastet ist, ist damit zu rechnen, dass OWC in künftigen 6G-Netzen höhere Datenraten ermöglichen wird.

Standardisierte Technologie

OWC verwendet in erster Linie den Bereich des sichtbaren Lichts und Teile des IR-Spektrums. Die Nutzung des UVC-Bands gewinnt für die drahtlose Solid-State-Geräte-, Unterwasser- und WFOV-Kommunikation langsam an Bedeutung. Je nach Lichtquelle gibt es verschiedene Arten von OWC, zum Beispiel:

• Visible Light Communication (VLC)
• IR
• FSO-Kommunikation (Free-Space Optical Communication)

Diese Technologien sind von einigen Regulierungsstellen standardisiert worden, wobei der Grad der Standardisierung variiert. Unternehmen setzen in der Regel VLC und IR in Innenräumen sowie FSO im Freien ein, wo es unpraktisch ist, Kabel zu verlegen.

Keine elektromagnetische Interferenz (EMI)

Die meisten EMI-Anwendungsfälle betreffen den RF-Bereich, was als Hochfrequenzinterferenz (Radio Frequency Interference, RFI) bezeichnet wird. Infolgedessen entsteht bei OWC keine EMI wie bei herkömmlichen Wireless-Netzwerken. Da Licht nicht in der Lage ist, feste Hindernisse, beispielsweise Wände, zu durchdringen, gibt es keine EMI. Das gilt selbst für benachbarte Räume, die dieselben Netzwerkfrequenzen nutzen. Andere elektronische Nahfeldgeräte im selben Raum können zwar EMI erzeugen. Aber diese Störungen betreffen eher die niedrigeren als die von OWC verwendeten hohen Frequenzen.

Sicherheit

OWC erzeugt kleine Zellgrößen, die die Sicherheit erhöhen, indem sie die Übertragung auf bestimmte Bereiche beschränken. Abhören ist weniger wahrscheinlich, weil der Zugang zum Firmengelände beschränkt ist, wobei OWC das Risiko durch diese Signalbegrenzung weiter reduziert. Für Angreifer ist es schwieriger, ein OWC-Netzwerk zu hacken, selbst wenn sich der Lauscher in einem angrenzenden Raum befindet, da die Signale nicht durch Wände dringen können. Stark gerichtete Strahlen gewährleisten, dass die Daten nur an Empfänger innerhalb der LOS übertragen werden.

Punktuelle Verbreitung per Spot Diffusion

Unternehmen können mit einem intelligenten MIMO-Link-Design (Multiple Input, Multiple Output) die OWC-Leistung verbessern. Im Networking-Bereich verwenden Fachleute verschiedene Methoden, um OWC-Systeme zu gestalten. Eines der gängigsten Designs nutzt einen Multispot-Diffusionssender. Diese Technologie lenkt optische Signale auf mehrere Stellen in einem Raum. Bei diesem Design ist eine exakte Positionierung von Sender und Empfänger nicht mehr unbedingt erforderlich, was das System benutzerfreundlicher macht. Darüber hinaus bietet es in Unternehmensumgebungen Mobilität und minimiert Störungen durch Abschattungen.

Geringe Implementierungskosten

Kabel im gesamten Unternehmen zu verlegen, ist teuer und kostet manchmal Tausende von Euros. Da das optische Spektrum, in dem OWC arbeitet, nicht reguliert ist, lässt es sich kostenlos nutzen, ohne dass Lizenzgebühren für das RF-Spektrum anfallen. Unternehmen können die Kosten weiter senken, indem sie LEDs und Laserdioden verwenden, anstatt herkömmliche Networking-Geräte zu installieren. Der Einsatz von LEDs und Laserdioden in Wohn- und Geschäftsräumen hat seit den 2000er Jahren aufgrund ihrer Energieeffizienz und Vielseitigkeit stark zugenommen. Im Betrieb verbrauchen LEDs und Laserdioden weniger Strom, was zu niedrigeren Gesamtkosten für Installation und Betrieb führt.

Hybride Netzwerke

Durch die Integration von Glasfasern und OWC-Netzwerkelementen entsteht ein hybrides Netzwerk. Bei diesem Netzwerktyp setzen Unternehmen mehrere optische Wireless Access Points am gesamten Standort ein, oft in verschiedenen Räumen, und verbinden sie per Glasfaser. Hybride Netzwerke umfassen sowohl LOS- als auch Nicht-LOS-Kommunikationstechnologien. Unterschiedliche Richtungsebenen zwischen dem Sender und den Netzwerkgeräten ermöglichen On-Site-Mobilität, Multipoint-Kommunikation und höhere Datenraten.

Nachteile von OWC

Obwohl OWS etliche vielversprechende Vorteile bietet, bringt es auch einige der folgenden Probleme mit sich.

Geringe Reichweite

Aufgrund von Sicherheitsvorschriften für Augen und Haut ist die maximal zulässige Sendeleistung für OWC-Systeme relativ gering. Optische Transmitter mit geringer Leistung können innerhalb eines einzelnen Raums effektiv arbeiten. Aber OWC-Geräte können keine Daten von einem Raum zum anderen übertragen, da sichtbares und IR-Licht keine festen Hindernisse durchdringen kann. Somit ist die Reichweite von OWC auf wenige Meter begrenzt. Aus diesem Grund lässt sich OWC in Unternehmen mit Außenanlagen oder Innenbereichen mit großen Räumen und Hallen nicht sonderlich gut skalieren.

LOS immer notwendig

Für eine effektive OWC-Kommunikation müssen Sender und Empfänger eine direkte Sichtverbindung aufrechterhalten. Sie geht verloren, wenn Sender und Empfänger nicht richtig positioniert sind. Das kann in Umgebungen vorkommen, in denen die On-Site-Mobilität und die Platzverhältnisse verhindern, dass mehrere Clientgeräte ihre Ausrichtung beibehalten.

Um dieses Problem zu lösen, bringt man die Sender häufig an der Decke an. Auf diese Weise lässt sich ein besseres Abstrahlmuster erreichen und sicherstellen, dass sich die Empfänger im Sichtfeld befinden. Diese Anordnung kann jedoch zu einer Mehrwegeausbreitung führen, bei der Reflexionen von Wänden und anderen Oberflächen die Signale beeinträchtigen. Dadurch verringert sich das Signal-Rausch-Verhältnis, und es kommt zu Intersymbolinterferenz (ISI).

Mehrwegeausbreitung

Opake Objekte, wie Wände, Decken oder Möbel, stören das Clientgerät oder schatten es ab. Dies trägt zur Mehrwegeausbreitung bei, indem mehrere Strahlen vom Sender über verschiedene Wege zum Empfänger gelangen. In diesem Fall nehmen einige Signalkomponenten den ursprünglichen LOS-Pfad, während andere vor der Erkennung an Oberflächen reflektiert oder gestreut werden. Infolgedessen erreichen die Signalkomponenten den Empfänger in unterschiedlichen Abständen, was zu einer Ausbreitungsverzögerung führt. Diese Mehrwegeausbreitung und Verzögerungsspanne führen zu Kanalverzerrung und ISI.

Intersymbolinterferenz

Wie erwähnt, gibt es in OWC-Systemen keine EMI. Bei OWC kann es jedoch zu EMI-ähnlichen Störungen mit ISI kommen. Diese treten auf, wenn sich ein Symbol, beziehungsweise Informations-Bit, aufgrund von Mehrwegeausbreitung oder Signalverzögerungen mit aufeinanderfolgenden Symbolen überschneidet. Diese Datenüberlagerung verschlechtert die Qualität der empfangenen Signale. Ein intelligentes Link-Design und die Ausrichtung der Strahlen können ISI in OWC-Netzwerken verringern.

Atmosphärische Störanfälligkeit

OWC-Empfänger können unterschiedliche Lichtquellen erkennen, zum Beispiel natürliches Sonnenlicht und verschiedene Leuchtmittelarten. Dies ist ein häufiger Effekt, der als Schrotrauschen oder Helligkeitsrauschen bekannt ist. Temperatur- und Druckbedingungen können ebenfalls atmosphärische Störungen verursachen. Dazu gehören:

• Signalabsorption
• Streuung
• Brechung
• Dämpfung

Diese Schwankungen können sich auf Amplitude, Phase und Signalintensität des OWC-Signals auswirken und unter Umständen Flimmern verursachen oder die Fehlerquote erhöhen. Deshalb sind Outdoor-OWC-Systeme, etwa die FSO-Kommunikation, in Gebieten mit häufig wechselndem Wetter weniger geeignet.

Optoelektronische Fehler

OWC-Netzwerke sind aufgrund der Einschränkungen optoelektronischer Geräte anfällig für Rauschen und Leistungsprobleme. LEDs, Laserdioden und Fotodetektoren sind äußerst empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und haben eine begrenzte Lebensdauer. Die bei Li-Fi (einer drahtlosen OWC-Technologie, die Daten mithilfe von Licht überträgt) verwendeten LEDs sind anfällig für optische Rückkopplungen und Verschmutzung. Auf Empfängerseite besitzen Fotodioden große Erfassungsbereiche, weisen aber einen begrenzten Spektralbereich auf. Hohe Dunkelströme und Kapazitäten in Fotodioden können Signalqualität und Konnektivität verschlechtern.

Regelmäßige Erneuerungen

Die Wartungskosten für OWC-Netzwerkgeräte können über die gesamte Lebensdauer wesentlich höher sein als die für Glasfasernetze. Die durchschnittliche Lebensdauer von LEDs oder Laserdioden liegt typischerweise zwischen zwei und fünf Jahren, während Glasfasern in der Regel bis zu 40 Jahre halten. OWC-Unternehmensnetzwerke müssen möglicherweise häufiger gewartet und alle drei bis vier Jahre erneuert werden. Daher eignet sich OWC besser für Fahrzeugnetzwerke, Ampeln und IoT, wo derartige Austauschaktionen üblich sind.

OWC versus traditionelle Glasfaser

Im Vergleich zu OWC ist die herkömmliche Glasfasertechnik gut etabliert. Beide Technologien weisen einige Gemeinsamkeiten und große Unterschiede auf, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

Fazit

OWC kann in Innenbereichen per Li-Fi-Technologie implementiert werden. Die Entwicklung von Smart-City- und Fahrzeugnetzwerken basiert ebenfalls auf OWC. Gleichzeitig kommt FSO bei Funkmasten für das Verkehrsmanagement und Freiflächenübertragungen zum Einsatz. Unternehmen mit Innenräumen können hybride Netzwerke nutzen, um die Datenrate und Mobilität zu verbessern.