05/08/2024
Door Ad Spijkers
Combinatie van licht en bekabeld netwerk zorgt voor snelle datacommunicatie in ziekenhuizen en industrie.
De productie in moderne Industrie 4.0-scenario's is gericht op voortdurende verandering. Bij orderwijzigingen op korte termijn moeten machines, robots en meetinstrumenten snel kunnen worden verplaatst en in omgebouwde productieprocessen worden geïntegreerd. Hetzelfde geldt in de gezondheidszorg. Hier moeten indien nodig bijvoorbeeld röntgen- en echoapparatuur door de kliniek kunnen worden verplaatst.
Data-overdracht via licht
Dataoverdacht met licht is niet nieuw. Afstandsbedieningen voor huishoudelijke apparaten (bijvoorbeeld televisies) werken al decennia met (infrarood) licht.De hoeveelheid over te brengen data is echter gering en niet tijdkritisch.
In het Lincnet-project gebruiken nderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlijn licht om grote hoeveelheden data over te dragen naar machines en robots, in ziekenhuizen en in de industrie. De combinatie met elektriciteitsnetwerken en het snelle 5G-netwerk zorgt voor krachtige maar goedkopere draadloze netwerken voor gebouwen. Bij gebruik in ziekenhuizen worden de apparaten draadloos in het netwerk geïntegreerd – met minder elektromagnetische emissies. De industriële productie wordt aanzienlijk flexibeler.
In beide gevallen zijn conventionele netwerken waarin machines en apparaten via WLAN zijn verbonden niet altijd optimaal. In productiehallen kunnen de verschillende draadloze netwerken op onvoorspelbare wijze interfereren. In gevoelige omgevingen zoals de operatiekamer van een ziekenhuis zijn elektromagnetische emissies van radionetwerken ook problematisch, waar strikte limieten gelden. Er zijn ook risico's voor de databeveiliging. Hoewel het dataverkeer versleuteld is, blijft het draadloze netwerk zichtbaar voor potentiële aanvallers.
Licht en elektra
De onderzoekers van Fraunhofer HHI in Berlijn werken samen met projectpartners aan een veelbelovende oplossing: datatransmissie via licht. In het Lincnet-project (LiFi-enabled 5G for INDustrial and MediCal NETworks, door LiFi-ondersteunde 5G voor industriële en medische netwerken) maken de onderzoekers gebruik van de mogelijkheid om data te verzenden door lichtpulsen te moduleren. In de handel verkrijgbare LED's dienen als lichtbron en fotodiodes worden gebruikt als ontvangers.
Het concept beoogt de combinatie van het snelle 5G-datanetwerk met datatransmissie via het bestaande elektriciteitsnetwerk (Powerline Communication) om de data in elke kamer te brengen en daar draadloos over de laatste meters te verzenden met behulp van licht (LiFi). De lichtsignalen dringen niet door muren heen. Dit vermindert de elektromagnetische emissies en is zuiniger met energie. Powerline Communication elimineert ook de noodzaak van dure installatie van extra kabels voor het netwerk.
De consortiumleider van Lincnet, Devolo Solutions in Aken, is verantwoordelijk voor de ontwikkeling en optimalisatie van de communicatie via het elektriciteitsnet. Via een LiFi-module worden data uit het elektriciteitsnet omgezet in stuursignalen voor de lamp. Het licht wordt continu helderder en donkerder gemoduleerd. De LED's sturen hun gegevens naar eindapparaten die zijn uitgerust met ontvangst- en zendeenheden. De signaalveranderingen vinden 200 miljoen keer per seconde plaats en worden niet door het menselijk oog waargenomen.
LiFi
LiFi heeft duidelijke voordelen ten opzichte van op radio gebaseerde datatransmissie. De transmissie is uiterst robuust en krachtig. In lokale netwerken zijn latentietijden van minder dan 2 ms en overdrachtssnelheden tot 1 Gb/s mogelijk. Licht dringt niet door muren heen en is daardoor niet af te luisteren. Bovendien wordt de datatransmissie niet beïnvloed door andere radionetwerken of door machines met stoorstraling en kunnen deze niet worden verstoord. Omdat de data alleen binnen de lichtkegel worden verzonden, kunnen veel machines of apparaten tegelijkertijd van gegevens worden voorzien zonder dat de via lichtsignalen verzonden data elkaar storen.
Fraunhofer HHI heeft LiFi helpen ontwikkelen en levert ook een belangrijke bijdrage aan de standaardisatie. Voor het Lincnet-project hebben de onderzoekers een plafondmodule ontwikkeld met een digitale signaalprocessor (DSP). Deze haalt de gegevens uit de stroom en zet deze om in elektrische signalen voor het moduleren van de lichtbron. De LED stuurt de data vanaf het plafond naar het eindapparaat dat in de lichtkegel is geplaatst, bijvoorbeeld een robot in de productie of een echoapparaat in de kliniek. In de lichtkegel worden de data net zoals in een kabel afgesloten. Het is net zo veilig en krachtig als een bekabeld netwerk, alleen zonder kabels.
Licht heeft nog een voordeel. Gebruikers kunnen het lichtspectrum gebruiken zoals zij dat willen, omdat de regelgeving in de radiosector niet van toepassing is op licht. Voor het gebruik van een frequentie hoef de exploitant geen aanvraag in te dienen of licentiekosten te betalen.
Schaalbare LiFi-netwerken
De onderzoekers werken in het project aan verdere verbeteringen aan LiFi-netwerken. In plaats van LiFi via Powerline Communication met het elektriciteitsnet te verbinden, ontwikkelen ze een combinatie met snelle Ethernet-gebaseerde netwerken. Hoewel de verbinding van draadloze toegangspunten via Ethernet gebruikelijk is, wordt hier ook een gecentraliseerde aanpak gebruikt, vergelijkbaar met die in mobiele 5G-netwerken.
Ethernet verbindt elke LiFi-plafondmodule met een centrale computer die de LiFi-transmissies op een fijnmazige manier coördineert en zo de transmissieprestaties aanzienlijk verhoogt. Voor real-time besturing van robots of high-end scenario’s in de geneeskunde zijn schaalbare Ethernet-kabels in combinatie met LiFi een mooie combinatie.
Voor bedrijven en ziekenhuizen kan Lincnet een impuls geven aan verdere digitalisering. Ook kan het de positie van Duitsland bevorderen door competenties op het gebied van optische draadloze communicatie op te bouwen.
Foto: Devolo Technologies