Optische Datenübertragung Li-Fi-System überträgt 1 GBit/s bei einer Latenz unter 100 ns

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Bicker Elektronik GmbH

Die optische Datenübertragung bietet sich überall dort an, wo Funknetzwerke an ihre EMV-Grenzen stoßen oder Kabel schnell verschleißen. Mit Li-Fi-Grathus hat ein Fraunhofer ein echtzeitfähiges Vollduplex-System vorgestellt, das Gigabit-Raten liefer.

In der Fabrikautomation ist eine zuverlässige und breitbandige sowie kabellose Kommunikation notwendig. Für bewegliche Maschinenteile, Roboter oder große rotierende Anlagen sind physische Kabel oft ein mechanischer Schwachpunkt. Klassische Funklösungen wie WLAN oder 5G wiederum leiden in stark metallischen Umgebungen unter Reflexionen und sind anfällig für elektromagnetische Störungen (EMV).

Mit dem System Li-Fi Grathus adressiert das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS genau diese Lücke. Es nutzt Licht zur Datenübertragung (Light Fidelity) und ermöglicht eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung über Distanzen von bis zu 10 Metern. Da die Übertragung rein optisch erfolgt, ist sie per Definition immun gegen jegliche EMV-Einflüsse im Werkstattumfeld.

Deterministische Echtzeit für Motion Control

Aus Sicht der Systemintegration ist die Latenz der entscheidende Faktor. Das IPMS gibt für Li-Fi Grathus eine deterministische, vorhersagbare Latenz von unter 100 Nanosekunden an. Das System arbeitet im Vollduplex-Betrieb, sendet und empfängt also simultan ohne Zeitverluste. Durch diese extrem kurzen Laufzeiten eignet sich das Modul für anspruchsvolle Closed-Loop-Steuerungen (Motion Control) und fügt sich nahtlos in taktsynchrone Netzwerke ein.

Hardwareseitig unterstützt das System gängige Industrial-Ethernet-Standards wie Profinet, EtherCAT, EtherCAT G, SERCOS III sowie das Time Sensitive Networking (TSN). Neben Standard-Gigabit-Ethernet sind auch USB 3.0/3.1-Schnittstellen verfügbar. Für das Management sowie für Diagnose- und Sicherheitssignale steht zusätzlich ein separater Seitenkanal mit 1 MBit/s zur Verfügung.

Eine Mehrwegelinse ersetzt Beamsteering

Der klassische Nachteil vieler optischer Freistrahl-Kommunikationssysteme (Free Space Optics, FSO) ist die hohe Anforderung an die Sichtverbindung (Line of Sight) und die meist hochpräzise mechanische Ausrichtung. Systeme mit aktiver Strahlsteuerung (Beamsteering) oder adaptiver Optik treiben zudem die Systemkosten in die Höhe.

Das Fraunhofer IPMS umgeht dieses Problem bei Li-Fi Grathus mithilfe einer patentierten Mehrwegelinse. Diese optische Konstruktion ermöglicht einerseits höhere Sendeleistungen, ohne die Grenzwerte der Augensicherheit (Laserklasse 1) zu überschreiten. Andererseits wird das Abstrahl- und Empfangsprofil so aufgeweitet, dass eine Ausrichtung der Module per Hand ausreicht. Eine aufwendige optische Justierung ist nicht erforderlich, wodurch das System zu einer Plug-and-play-Lösung im robusten Metallgehäuse wird.

Typische Einsatzszenarien und Evaluierung

Das Anwendungsspektrum reicht vom Retrofit bestehender Anlagen über Backhaul-Verbindungen für Wireless-Access-Points bis hin zu fahrerlosen Transportsystemen (AGVs). Letztere können die hohe Bandbreite nutzen, um an Ladestationen innerhalb von Sekunden große Mengen an gesammelten Sensordaten hoch- oder herunterzuladen. Auch als verschleißfreier Ersatz für Schleifringe in großen rotierenden Maschinen bietet sich die optische Strecke an.

Um Entwicklern den Einstieg zu erleichtern, bietet das Fraunhofer IPMS die Technologie ab sofort als Evaluierungskit an. Das Set beinhaltet zwei Grathus-Transceiver-Module, mit denen sich eine kabelgebundene 1-Gbps-Ethernet-Verbindung testweise direkt durch die optische Strecke ersetzen lässt. (heh)

(ID:50821452)