Die optische Kommunikation gehört zu den ältesten vortechnischen Methoden zur Übermittlung von Signalen über große Entfernungen hinweg. Reflektierende Oberflächen können Sonnenstrahlen reflektieren und sie als Signal oder Warnung auf einen bestimmten Ort richten. Diese gerichtete Reflexion ist auch ziemlich unauffällig, da sie in der Regel nur von dem beabsichtigten Empfänger gesehen werden kann.

Optische Kommunikation wird auch heute noch verwendet, vor allem in Glasfaser- und TV-Fernbedienungen. Allerdings ist HF mittlerweile das bevorzugte elektromagnetische Medium für uni- und omnidirektionale Hochgeschwindigkeitskommunikation. Die optische Kommunikation ist jedoch noch nicht gänzlich außer Acht zu lassen. Eine relativ neue Form der parallelen optischen Kommunikation gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit, da Gerätehersteller versuchen, die Ein- und Ausgänge von mobilen und ortsfesten Geräten zu erweitern.

Die ursprünglich für HF entwickelte Nachrichtentechnik MIMO (Multiple Input Multiple Output) wurde von Funkingenieuren dazu verwendet, die Bandbreite zu erhöhen und die HF-Kommunikation mit umfangreicheren Datenraten als mit einem Einzelband zu ermöglichen. Bei MIMO wird ein Signal unter Verwendung vieler Trägersignale und unterschiedlicher Frequenzen übertragen, um eine parallele Datenübertragung anstelle einer seriellen Übertragung zu ermöglichen. Auch die optische MIMO-Technik nutzt dieses Prinzip, jedoch auf der Grundlage von Licht.

Die optische MIMO-Technik nutzt sichtbares Licht, damit Beleuchtungssysteme auf eine von drei Arten mit anderen Geräten kommunizieren können. Eine Technik verwendet einen einzigen Emitter, der aus mehreren farbigen LEDs besteht. Jede LED ist ein Transmitter, und dank optischer Filterung auf der Empfängerseite überträgt jede Farbe Daten parallel zu den anderen Farben. Diese Technik wird „Lambda MIMO“ genannt.

Ein alternativer Ansatz dazu besteht beispielsweise darin, mehrere Emitter an verschiedenen Stellen einer Zimmerdecke anzubringen. Dann ist jeder Sender eine LED desselben Typs und derselben Farbe, und ein paralleler Empfänger (z. B. eine Videokamera) kombiniert die räumlich getrennten Lichtstrahlen wiederum zu einer parallelen Datenübertragung. Dieses Verfahren wird „s-MIMO“ genannt.

Ein drittes Verfahren kombiniert beide Ansätze und verwendet mehrere Emitter, die jeweils eine andere Farbe haben und an verschiedenen Stellen angebracht sind. Dieser „h-MIMO“ genannte Ansatz verwendet einen parallelen Sensor (z. B. eine Videokamera), um die räumlich und farblich getrennten Lichtwellen parallel zu dekodieren.

Zum Thema Dekodierung: Im Gegensatz zu HF-Modulationstechniken sind LEDs in der Regel einfarbig, um die Kosten niedrig zu halten, sodass eine Wellenlängenmodulation keine Option ist. Stattdessen können Techniken der Pulsbreiten- und Pulsfrequenzmodulation eingesetzt werden. HF-Techniken wie das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) erlauben zwar mehrere Nutzer, begrenzen aber die Datenraten, sodass nicht-orthogonale Mehrfachzugriffstechniken (NOMA) geeigneter scheinen.

Der Schlüssel liegt in der Steuerung der Sendeamplitude jeder Farbe und der Empfangsverstärkung jeder Farbe. Aus diesem Grund wird die normalisierte Verstärkungsdifferenz-Leistungszuweisung (NGDPA) eingesetzt, um die Komplexität zu verringern und die Effizienz zu erhöhen.

Interessanterweise zeigen experimentelle Daten, dass Kanaldatenraten von bis zu 55 MBit/s sowohl mit Gain Ratio Power Allocation (GRPA) als auch mit NGDPA erreicht werden können. Obwohl beide effizient sind, ist NGDPA leicht im Vorteil. Summenraten von 110 MBit/s sind mit zwei Quellen unter Verwendung von NOMA-Techniken realisierbar.

Geht Ihnen ein Licht auf?

Es gibt so viele HF-Techniken und -Protokolle, mit denen unsere Geräte so gut kommunizieren können – warum also sollte jemand eine optische Technik verwenden, die so sehr von Nähe und Sichtlinie abhängig ist? Tatsächlich sprechen viele Gründe und Anwendungsmöglichkeiten für diese intelligente Beleuchtungstechnik.

Erstens sind für die optische Kommunikation keine Lizenzen und Genehmigungen erforderlich. Keine FCC-, TÜV- oder anderen teuren internationalen Standards, die eingehalten werden müssen. Zweitens ist diese Technik immun gegen elektromagnetische Störungen. Interferenzen anderer HF-Quellen wirken sich nicht auf die Leistung aus und nicht einmal sehr hohe EMP- bzw. Spike-Werte – wie etwa beim Anlassen eines schweren Motors – ziehen die Datenintegrität in Mitleidenschaft.

LEDs und optische Empfänger sind zudem kostengünstiger als Antennen, HF-Frontends, Filter und mehr. Zwar haben LED-basierte optische Divergenzstrahl-Kommunikationssysteme nur eine relativ kurze Reichweite, aber es gibt dennoch zahlreiche Anwendungen, die diese Eigenschaften nutzen können.

Krankenhausbetten beispielsweise, die MIMO für die Übertragung von Vitaldaten wie Herzfrequenz, Blutdruck usw. nutzen, benötigen keine HF-Bandbreite, haben feste Standorte für Sender und Empfänger (was eine hohe Zuverlässigkeit bedeutet) und werden nicht von Blitzeinschlägen oder anderen starken Störimpulsen beeinträchtigt, die die Daten beeinflussen können.

Sensoren in Motoren können drahtlos und mit sehr hoher Störfestigkeit ausgelesen werden. Sogar bidirektionale Kommunikation ist möglich, wenn verschiedenfarbige LEDs und gefilterte optische Empfänger verwendet werden. MIMO-basierte Kommunikation kann beispielsweise in jeden Flugzeugsitz eingebaut werden, sodass die Passagiere ihre mobilen Geräte während des Fluges nutzen können, ohne dass die Navigations-HF gestört werden.

Auch Hersteller von Mobiltelefonen sind sich der zahlreichen Vorteile der Nicht-HF-Kommunikation bewusst. So verfügt die S10-Reihe von Samsung beispielsweise bereits über 4x4 MIMO-Arrays, die Download-Geschwindigkeiten bis zu 2 GBit/s und Upload-Geschwindigkeiten von 120 MBit/s ermöglichen. Apple hat in seinen iPhone 12-Modellen ebenfalls ein 4x4 MIMO-Array integriert.

Und auch Laptops, Tablets, Uhren und andere Geräte können Vorteile aus dieser Technologie ziehen. Sie könnte sogar in Autos eingesetzt werden, um die von uns absorbierte HF-Energie zu reduzieren. Supermärkte verwenden MIMO, um Preisanzeigen zu bedienen, und sparen so Zeit und Geld, wenn die Preise steigen.

Fazit

MIMO wurde ursprünglich für die HF-Technik eingeführt. Es erweitert die Bandbreite und unterstützt die Hochfrequenzkommunikation mit höheren Datenraten, als dies mit einem Einzelband möglich ist. MIMO überträgt Signale unter Verwendung zahlreicher Trägersignale bzw. unterschiedlicher Frequenzen, um parallele statt ausschließlich serielle Datentransfers zu ermöglichen. Auch die optische MIMO-Technik nutzt dieses Prinzip, jedoch auf der Grundlage von Licht. Kostengünstige LED-basierte und lichtbasierte Kommunikation mit mehreren Wellenlängen ist immun gegen HF-Rauschen und erreicht gute Kurzstrecken-Datenraten durch parallele Datenübertragun