LED als basis voor draadloze technologie

Uitgestuurd licht dient als communicatiedrager

Lifi is een relatief nieuwe draadloze technologie die op licht werkt en een pak sneller, veiliger en energiezuiniger is dan wifi. Wie draadloze netwerken plaatst, zal er ongetwijfeld ooit mee in contact komen. Opvallend is dat led de basis vormt voor de technologie.

De inzet van light emitting diodes als basis voor draadloze communicatie is relatief nieuw, want het systeem werd pas in 2011 ontwikkeld door de Duitse professor Harald Haas. In vergelijking met broertje wifi zou lifi tot honderd keer sneller kunnen werken. Dat is ook nodig, want draadloze communicatie is inmiddels uitgegroeid tot een nutsvoorziening zoals elektriciteit en water: velen kunnen niet meer zonder.
De enorme stijging in gebruik van draadloze toepassingen in zowel de privé als bedrijfswereld heeft dus een enorme evolutie teweeggebracht in onze samenleving. Denk aan de smartphone die ingezet wordt voor het besturen van home automation, of bedrijven die data uit machines draadloos versturen vanop de werkvloer.

Sterk toegenomen dataverkeer

De keerzijde van de medaille is het sterk toegenomen dataverbruik, waardoor er steeds een gevecht ontstaat tussen nieuwe applicaties en de maximale capaciteit van het datanetwerk. Dat datanetwerk maakt vandaag gebruik van elektromagnetische golven. Deze radiogolven hebben evenwel zekere nadelen en beperkingen. Het beschikbare spectrum is beperkt en de hardware verbruikt enorm veel energie voor de koeling. Uit onderzoek blijkt dat slechts 5,8% van het verbruikte vermogen effectief voor de data-overdracht gebruikt wordt, de rest is op het conto van koeling te schrijven. De beperkte beschikbare ruimte zorgt ook voor vertragingen. In vele gevallen kan dat geen kwaad, maar het beperkt wel de inzet in pakweg ziekenhuizen en vliegvelden.

Snelle fluctuaties

Het telkens verbeteren van draadloze verbindingen via wifi brengt ons ondertussen tot bij versie wifi 6 oftewel 802.11ax. Parallel aan deze evolutie, wordt koortsachtig gezocht naar alternatieve technieken die de genoemde nadelen niet hebben. Professor Haas nam de uitdaging aan en bedacht een compleet nieuwe techniek: lifi (light fidelity), een relatief nieuwe technologie om data draadloos met licht over te dragen via leds (light emitting diodes). Om dat wat eenvoudig voor te stellen, geeft hij het voorbeeld van een zonnecel: ‘Een zonnecel absorbeert licht en zet het om in elektrische energie. We kunnen een zonnecel daarom gebruiken om onze mobiele telefoon op te laden. Maar als het binnenvallende licht fluctueert, fluctueert ook de energie die door de zonnecel wordt geoogst. Bij zonnepanelen worden die fluctuaties er uiteraard uitgefilterd door een omvormer, maar stel nu dat we led als lichtbron gebruiken. Deze technologie laat perfect toe om zeer snel de helderheid te fluctueren, dankzij de halfgeleidertechnologie. Als we die subtiele veranderingen in de helderheid van het uitgestraalde licht ook opvangen, hebben we in feite data verstuurd. De data bevinden zich in de uitgezonden fluctuaties. De methode voor het gebruik van snelle pulsen van licht om gegevens draadloos te verzenden wordt technisch aangeduid als Visible Light Communication (VLC). VLC is een datacommunicatiemedium dat zichtbaar licht gebruikt met golflengtebanden tussen 400 THz (780 nm) en 800 THz (375 nm) als optische drager voor datatransmissie en verlichting.

 Afstandsbediening als voorbeeld

De lifitechnologie zoals ontwikkeld door Haas mag dan nieuw zijn, er is wel degelijk al een voorbeeld die al langer overal ingeburgerd is: de good old afstandsbediening. Die maakt eveneens gebruik van ledlicht, al is de communicatie hier beperkt tot kleine datastroom aan een lage snelheid met zo’n 10.000 à 20.000 bits per seconde. Om de tv in- en uit te schakelen of een kanaal weg te zappen is dat prima, maar daar stopt het ook. Toch is het principe vergelijkbaar: via lichtsignalen communicatie overdragen. Harald Haas slaagde erin om deze techniek verder uit te diepen. Concreet wordt er een kleine microchip aangebracht aan een ledlichtbron. Die chip laat toe om duizenden parallelle datastromen bij zeer hoge snelheden te versturen. Zo wordt bijvoorbeeld het versturen van zware videobestanden een eitje. De clou van het verhaal is dat er hiervoor geen speciale ledlampen nodig zijn: in principe is elke bestaande ledlamp bruikbaar als communicatiehub. Dat brengt ons meteen bij de voordelen van dit systeem, want led is zoals u ongetwijfeld weet enorm energiezuinig. Bovendien zijn ze alomtegenwoordig: overal ter wereld worden ondertussen ledlampen gebruikt en in zeer diverse omstandigheden: in ziekenhuizen, in vliegtuigen, straatverlichting, op de smartphone (ledlamp), zelfs in koplampen van wagens. Dit zijn in essentie allemaal bruikbare bronnen voor lifi. Het zou bijvoorbeeld in theorie mogelijk zijn dat wagens via hun ledkampen communiceren met elkaar over hun richting en snelheid om zo ongelukken te voorkomen.

Aandachtspunten 

Een kanttekening wordt gemaakt bij het gebruik in gebouwen, want de lichtstralen van lifi gaan in tegenstelling tot de elektromagnetische wifistralen niet door muren. Dat maakt lifi wel tot een zeer veilig communicatiemedium, want malafide captatie van de verzonden gegevens is zo zeer moeilijk. Het ontbreken van elektromagnetische radiogolven maakt lifi ook een veilig alternatief voor omgevingen waar gevoelige elektronische apparatuur draait.
Om de communicatie te garanderen moet de lamp wel altijd aan blijven. De leds kunnen wel worden gedimd tot op een niveau dat het lijkt alsof ze uit staan. Een ledlamp hoeft bij lifi dus niet zichtbaar aan te staan om data te verzenden.
Vraagtekens plaatsen we ook nog bij de praktische inzet in de industrie, in het bijzonder daar waar rook en stof aanwezig zijn.

Rits aan toepassingen

Lifi is in principe net als wifi geschikt voor bilateraal verkeer en kan dus in beide richtingen gegevens verzenden. De uplink en downlink kunnen op een aantal manieren worden gescheiden, namelijk door golflengte, tijd, code en ook door ruimtelijke of optische scheiding.
Om praktische en financiële redenen zal lifi echter waarschijnlijk alleen voor downlink worden geïmplementeerd, omdat de downloadsnelheid het knelpunt is van bestaande technologieën zoals wifi. Lifi kan overigens gewoon naast wifi bestaan, het zichtbare licht verstoort de radiogolven niet. Zo kan wifi dus zorg dragen voor de uplink, terwijl lifi een veel snellere download mogelijk maakt. Er zijn al testen uitgevoerd waarbij data met 1 gigabyte per seconde werden verstuurd, veel sneller dan de gemiddelde wifiverbinding. In de toekomst moet het door aangepaste leds en systemen zelfs mogelijk worden om een snelheid van 15 Gbps te behalen. Bovendien werkt lifi ook in omgevingen met een hoge dichtheid, waardoor meer mensen gebruik kunnen maken van het lifinetwerk.

Praktisch

Om lifi te installeren is naast led en een intelligente chip uiteraard ook een verbinding nodig met netwerkkabels naar elke lamp. In professionele omgevingen is dat vaak geen enkel probleem, maar in residentiële woningen ligt dat moeilijker. Fabrikanten maken zich sterk dat PoE (Power over Ethernet) voldoende is om elk lichtpunt van stroom te voorzien.