LEDs übertragen stabile Daten bei Sonnenlicht

Helle Idee: LEDs, die im Sonnenlicht kommunizieren

An einem klaren Nachmittag, wenn das direkte Sonnenlicht 90.000 Lux übersteigt, ist Licht normalerweise der Feind der optischen Kommunikation. Dennoch hat ein kleines Team der Tokyo Polytechnic University eine funktionierende Visible-Light-Verbindung aufgebaut, die genau unter diesen Bedingungen die Kommunikation aufrechterhält. Durch die Kombination von handelsüblicher Hardware – einem Raspberry Pi, einem FPGA mit maßgeschneiderter Serializer/Deserializer-Logik (SerDes) – und einem speziell entwickelten Leitungscode namens 8B13B demonstrierten die Forscher eine stabile Datenübertragung im Freien mit bis zu 3,48 Mbit/s über etwa drei Meter, mit Paketverlustraten in der Größenordnung von 10⁻⁴–10⁻⁵ für 893-Bit-Pakete.

Signale entwickeln, die das Sonnenlicht überstehen

Visible-Light-Communication (VLC), manchmal als Li-Fi vermarktet, verspricht seit langem drahtlose Verbindungen, die die Beleuchtung huckepack nutzen. Doch die eigentliche Herausforderung im Freien ist zweifach: Umgebungslicht kann Photodetektoren überfluten, und das intrinsische elektrische sowie optische Verhalten von LEDs verzerrt die zur Datenkodierung verwendeten Wellenformen. Die neue Arbeit geht diese Probleme in Software und Hardware an. Der vom Team entwickelte 8B13B-Leitungscode nutzt ein Return-to-Zero-Format und erzwingt eine ausgewogene Anzahl von logischen Einsen und Nullen, um sichtbares Flimmern zu unterdrücken und die Synchronisation stabil zu halten. Entscheidend ist, dass sich die Empfängerlogik auf die steigenden Flanken optischer Pulse konzentriert, anstatt sich auf Pulsbreiten zu verlassen, die anfällig für datenabhängige Schrumpfung durch die LED-Physik sind. Dieser Wechsel macht die Verbindung robust gegen jene Art von Pulsverzerrung, die viele VLC-Prototypen für den Außeneinsatz scheitern lässt.

An der optischen Front kombinierten die Forscher mehrere Photodioden mit einem schmalbandigen optischen Filter am Empfänger, um das Breitbandrauschen des Sonnenlichts zu reduzieren. Diese Kombination – sorgfältige Kodierung, Timing der steigenden Flanke und optische Filterung – ermöglicht es einer einfachen LED-Lampe, als Datensender mittlerer Geschwindigkeit unter Bedingungen zu fungieren, die zuvor hochspezialisierte Hardware erforderten. Alle wichtigen elektrischen Komponenten, einschließlich des LED-Treibers, der Photodetektoren und des FPGA-Boards, sind im Handel erhältlich, was das Experiment leicht reproduzierbar macht.

Die Implementierung verbindet kostengünstiges Computing mit programmierbarer Logik. Ein Raspberry Pi generiert den Datenstrom und sendet ihn über ein standardmäßiges Serial Peripheral Interface (SPI) an den FPGA; der FPGA implementiert den SerDes und den 8B13B-Encoder/Decoder in Verilog. Diese Architektur hält den Sender einfach, während zeitkritische Aufgaben an den FPGA ausgelagert werden. Die Forscher veröffentlichten auch ihren SerDes-Quellcode, was die Hürde für andere Labore und Studententeams senkt, das Ergebnis zu reproduzieren und darauf aufzubauen.

Die Veröffentlichung sowohl von Schaltplänen als auch von FPGA-Code ist ein wichtiger Schritt, um VLC zu einer zugänglichen, experimentellen Plattform zu machen, statt zu einer geschlossenen, proprietären Technologie. Es ermöglicht akademischen Gruppen, Bastlern und Transportlaboren, reale Szenarien schnell zu testen und Ansätze auf einer gemeinsamen Basis zu vergleichen. Für eine Technologie, die oft in streng kontrollierten Innenräumen demonstriert wird, ist eine solche Offenheit genau das, was das Feld braucht, um sich in Richtung operativer Tests zu bewegen.

Einordnung in die Landschaft der drahtlosen Kommunikation

Hochgeschwindigkeits-VLC-Demonstrationen gibt es schon seit geraumer Zeit: Laborsysteme, die fortschrittliche Modulationsverfahren und spezialisierte Emitter verwenden, können Gigabit pro Sekunde über kurze Distanzen übertragen. Aber diese Experimente finden normalerweise in der Dunkelheit oder in Innenräumen statt und basieren auf Optiken und LEDs, die speziell für die Kommunikation und nicht für die allgemeine Beleuchtung entwickelt wurden. Der Prototyp der Tokyo Polytechnic verfolgt einen anderen Ansatz: Er opfert Höchstgeschwindigkeit zugunsten von Robustheit, Reproduzierbarkeit und Kosten. Mit 3,48 Mbit/s über ein paar Meter ist die Verbindung langsamer als viele Li-Fi-Demos in Innenräumen, zeichnet sich aber durch ihre Stabilität unter direktem Sonnenlicht aus.

Sichtbares Licht hat komplementäre Stärken zum Funk. Es stört keine HF-empfindlichen Geräte, bietet ein sehr großes ungenutztes Spektrum um sichtbare Wellenlängen herum und kann durch den Beleuchtungsstrahl räumlich begrenzt werden. Das macht VLC attraktiv als zusätzlichen Kanal für die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur (V2I), das Auslesen von Kurzstreckensensoren oder Informationsbaken, die in Straßenlaternen und Verkehrssignale eingebettet sind. Forscher, die hybride Systeme modellieren, haben vorgeschlagen, VLC mit anderen Bändern – einschließlich Terahertz-Verbindungen – zu kombinieren, sodass jedes Medium die Schwächen des anderen abdeckt. Diese hybriden Ansätze unterstreichen, dass praktische Einsätze wahrscheinlich Technologien mischen werden, anstatt einen einzigen Gewinner zu küren.

Potenzielle Anwendungsfälle und praktische Hürden

Das Team der Tokyo Polytechnic stellt seine Arbeit in den Kontext intelligenter Transportsysteme (ITS): Ampeln, Straßenlaternen oder Einheiten am Straßenrand könnten den Status von Kreuzungen, Kamera-Feeds oder Warnungen vor toten Winkeln direkt an Kameras oder Photodioden-Arrays an Fahrzeugen senden. Ein lichtbasierter Broadcast-Kanal könnte Telemetrie mit hoher Wiedergabetreue und geringer Latenz an nahegelegene Empfänger liefern, ohne die überlasteten HF-Bänder zu beanspruchen. Da der Prototyp kostengünstig ist und weit verbreitete Teile verwendet, könnten Kommunen und Automobilhersteller die Idee ohne millionenschwere Infrastrukturprogramme testen.

Es bleiben jedoch erhebliche Hürden. Sichtbares Licht erfordert eine Sichtverbindung oder nahezu eine Sichtverbindung, sodass Montagepositionen, Verdeckungen durch Fahrzeuge und die Strahllenkung zu technischen Problemen werden. Wetter und atmosphärische Streuung (Regen, Nebel, Staub) dämpfen optische Verbindungen; während schmalbandige Filterung dem Sonnenlicht entgegenwirkt, beseitigt sie keinen Nebel oder Partikelstreuung. Der Uplink bleibt eine offene Designfrage: Autos und Geräte bräuchten Sender oder müssten andere Kanäle (HF, Infrarot oder kamerabasierte Reflexion) nutzen, um Daten zurückzusenden. Und die Skalierung auf eine stadtweite Abdeckung erfordert robustes Multiplexing, Adressierung und Medienzugriffskontrolle (MAC), was immer noch aktive Forschungsgebiete sind.

Zukünftige Wege: Optik, Modulation und Standards

Es gibt klare technische Wege, um Reichweite und Durchsatz zu verbessern. Optiken (Linsen und Konzentratoren) können die empfangene Signalleistung erhöhen, ohne die Treiberströme der Emitter zu steigern. Fortschrittliche Modulation und Multiplexing – OFDM, WDM oder räumliches Multiplexing (MIMO) – können die Kapazität vervielfachen, erhöhen aber die Komplexität. Materialforschung an schnelleren LEDs und OLEDs hat Laborverbindungen bereits in Richtung Gigabit-Geschwindigkeiten getrieben; die Kombination besserer Emitter mit der Art von robuster Kodierung, wie sie im 8B13B-System verwendet wird, könnte die Lücke zwischen Laborgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit im Freien schließen. Feldtests, die den kostengünstigen Ansatz des Prototyps mit hochwertigen Optiken und Fahrzeugintegration kombinieren, würden zeigen, ob die Idee über den Proof-of-Concept hinaus skalierbar ist.

Ebenso wichtig sind Standards und Interoperabilität. Für ITS-Anwendungen benötigt ein lichtbasierter Broadcast-Kanal vereinbarte Nachrichtenformate und sicherheitsorientierte Failover-Verfahren, damit ein Verlust der optischen Verbindung keine gefährlichen Fehlinterpretationen verursacht. Die reproduzierbare Open-Source-Haltung, die das Team eingenommen hat, ist ein vielversprechender Anfang: Sie ermöglicht es Konsortien, Stadtlaboren und Industriepartnern, gemeinsam an Hardware und Protokollen zu arbeiten, anstatt grundlegende Bausteine neu zu erfinden.

Das Ergebnis der Tokyo Polytechnic ist keine endgültige Antwort auf die drahtlose Überlastung in Städten oder die Vernetzung autonomer Fahrzeuge, aber es ist ein praktischer Schritt in Richtung einer realen VLC: ein klar beschriebener, reproduzierbarer Bausatz, der das Sonnenlicht übersteht und von Studenten oder Ingenieuren mit einem bescheidenen Budget gebaut werden kann. Wenn die Community den offenen Code und die Schaltpläne übernimmt, ist in den nächsten zwei Jahren mit Folgetests zu rechnen, die Reichweite, Robustheit und die Integration in Fahrzeuge und Verkehrssysteme vorantreiben.

Quellen

• Electronics and Signal Processing (Fachzeitschrift) — „A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code“
• Tokyo Polytechnic University — Graduate School of Engineering (Forscher Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — frühe Li-Fi-Forschung und Demonstrationen