Oktober 2022
Is lifi na 10 jaar ontwikkelen klaar voor een doorbraak?
Draadloze communicatie via snel oscillerende leds
Light fidelity, kortweg lifi, is een draadloze techniek voor datacommunicatie via licht, waaraan al zo’n tien jaar wordt gewerkt. Er worden lifi veel voordelen toegedicht, waarbij het zeer lage energiegebruik zeker niet onvermeld mag blijven. Maar ondanks dat het snel en veilig is, is het eerder een aanvulling op wifi dan een vervanging. Alleen al daarom betekent de komst van lifi dat we nu echt over zullen moeten op het integraal ontwerpen van gebouwinstallaties.
In bestaande kantoorgebouwen, fabriekshallen en distributiecentra zal het niet altijd direct opvallen, maar wie regelmatig met architecten en gebouweigenaren spreekt, komt al snel tot de ontdekking dat uitstekende connectiviteit tegenwoordig een van de belangrijkste basisvoorwaarden is voor een gebouw. Geen organisatie kan zonder.
Toch wordt dat steeds meer een probleem. In volle kantoren en binnensteden drukken wifi-basisstations elkaars signaal steeds vaker weg en 4G of 5G is in veel bestaande gebouwen zeker niet altijd een goed alternatief. Bovendien is in industriële omgevingen vaak sprake van veel signaalvervuiling, waarbij de wifi-signalen simpelweg niet meer door alle ruis heen kunnen dringen.
Dit is een lastig probleem, want we kunnen niet zonder draadloze communicatie. Light fidelity hoopt hiervoor echter een oplossing te bieden door geen radiosignaal, maar licht te gebruiken voor datatransmissie. Lifi is eigenlijk een al vrij oude en relatief simpele techniek. We verzenden hierbij data (1’en en 0’en) door licht aan of uit te zetten. Dat is bekende techniek, want zo werken afstandsbedieningen voor televisies en dergelijke ook al heel lang. Met de komst van ledverlichting is aan deze technologie echter een stevige impuls gegeven.
Terug naar het begin
Wie zoekt naar informatie over lifi komt al snel de naam van Harald Haas tegen. Deze Duitse hoogleraar aan de Universiteit van Edinburgh is bekend geworden door zijn Tedtalk-presentatie in 2011 waar hij als een van de eersten een demo gaf van lifi. Hij liet zien hoe data kan worden verstuurd met behulp van snel oscillerende leds. Een chip in de ledlamp geeft hierbij aan dat de lichtbron ‘uit’ of ‘aan’ moet, maar dan in een zeer hoog tempo: circa 10 miljoen keer per seconde. Door deze hoge snelheid neemt het menselijk oog dit ‘knipperen’ van een data versturende ledlamp niet waar. Daarnaast is uit onderzoek van ledfabrikanten gebleken dat het snelle oscilleren geen negatieve invloed heeft op de levensduur van leds.
Daarmee was de weg vrij voor een nieuwe, veelbelovende draadloze communicatiemethode: lifi. Immers, als mensen niet in staat zijn deze variatie in lichtintensiteit (aan en uit) waar te nemen en de ledlampen dit probleemloos aan kunnen, dan is het natuurlijk mogelijk om simpelweg bestaande ledlampen te gebruiken voor datacommunicatie via lichtsignalen. Anders gezegd, bestaande ledarmaturen zijn prima in staat als lifi-zender of -ontvanger te dienen.
Om te zorgen dat lifi-zenders en -ontvangers op basis van dezelfde afspraken functioneren, houdt de IEEE 802.11 Light Communications Task Group (www.ieee802.org) zich bezig met het standaardiseren van draadloze communicatie op basis van licht.
Schematische weergave van lifi.
Zichtbaar of onzichtbaar licht?
Nog een belangrijk aspect: het licht dat bij lifi wordt verzonden of ontvangen, hoeft niet voor mensen zichtbaar te zijn. Dat mag natuurlijk wel en kan in sommige applicaties wellicht zelfs voordelen bieden, maar het is niet noodzakelijk. Het heeft wel invloed op de geboden snelheid. Omgevingslicht heeft geen invloed op de overdracht van data. Wel moeten zender en ontvanger elkaar kunnen ‘zien’. Dit betekent dat er tussen beide een directe zichtlijn moet zijn. Het is mogelijk gebruik te maken van weerkaatsing van licht, maar de sterkte van het signaal neemt dan wel af. Lifi werkt dus met ledarmaturen die dienen als transceivers die zowel kunnen zenden als ontvangen.
De maximale afstand tussen zender en ontvanger mag 10 m bedragen. Doordat het lichtspectrum niet is gereguleerd, is er is geen toestemming, vergunning of licentie nodig om lifi-apparatuur te ontwerpen of te gebruiken.
Tal van mogelijkheden
Lifi klinkt veelbelovend, maar de eerlijkheid gebiedt: veel applicaties zitten nog in de beginfase. Doordat lifi nog niet standaard wordt geïntegreerd in laptops of smartphones zijn de mogelijkheden nu nog beperkt. Laptops hebben bijvoorbeeld speciale dongles nodig, zoals we die ook in het begin van het wifi-tijdperk vaak zagen. Van de smartphone-fabrikanten lijkt tot nu toe alleen het Chinese Oppo hiermee aan de slag te zijn gegaan. Er wordt echter hard gewerkt aan lifi-componenten die in IT- en andere apparatuur kunnen worden geïntegreerd (zie kader ‘Eerste bedrijven en projecten’).
Interessant is verder dat de communicatie van zender naar ontvanger op meerdere manieren kan worden gefaciliteerd. Het kan allereerst puur draadloos via punt-naar-punt of door meerdere gebruikers aan één transceiver te koppelen (multipoint). Anderzijds testen enkele luchtvaartmaatschappijen een aanpak waarbij het lifi-signaal eerst via glasvezelbekabeling tot in de buurt van de stoelen van passagiers wordt gebracht. Daar wordt het signaal via een led/zender draadloos beschikbaar gesteld aan de passagiers. Een dergelijke aanpak kan natuurlijk ook prima in bijvoorbeeld kantoor of een fabrieksomgeving worden toegepast.
Overigens wijkt de aanpak waarbij een lifi-signaal eerst via een glasvezelkabel naar een specifieke locatie wordt gebracht conceptueel natuurlijk niet zo veel af van de manier waarop we gebruik maken van mobiele data via wifi, 4G of 5G. Ook dan ‘reist’ het signaal vaak grotendeels via (glasvezel)kabels en wordt pas bij een mast of basisstation in de omgeving van de gebruiker draadloos verder gestuurd. Duidelijk is echter wel dat een op lifi-technologie gebaseerde infrastructuur vraagt om een zekere mate van architectuur-denken bij het ontwerp.
Lifi werkt met led-armaturen die dienen als transceivers
Energiegebruik
De overdrachtssnelheden zijn bij lifi indrukwekkend. Althans, op papier. Al in 2015 werden snelheden van 224 Gb per seconde gemeld, door een team van de Universiteit van Oxford. De lifi-producten die momenteel commercieel verkrijgbaar zijn, halen dat soort snelheden echter niet en zitten afhankelijk van de beoogde toepassingen en het gebruikte licht eerder in de buurt van 40 Mbps (bijvoorbeeld Oledcomm) of 250 Mbps (onder andere Signify). Wifi op basis van de 802.11ac -standaard haalt momenteel maximaal 250 Mbps.
Vanaf het begin van de ontwikkeling van lifi was duidelijk dat er nog een voordeel aan deze techniek zit: veel minder energiegebruik. Led gebruikt veel minder energie dan eerdere generaties lampen. Wifi-basisstations genereren veel warmte. Deze warmteproductie moet worden weggekoeld en dat kost relatief veel energie. Op de website van lifi.nl – de organisatie die in Nederland het gebruik van lifi stimuleert – staat daarom: ‘Ledverlichting is zeer energie-efficiënt en het stroomverbruik door overdracht van gegevens is te verwaarlozen.’ Hoe groot dit energievoordeel in de praktijk precies zal zijn, is vooralsnog lastig aan te geven. Pas als we ervaring hebben met meer grootschalige toepassingen, kan daadwerkelijk worden gemeten.
Laptops hebben voor lifi speciale dongles nodig.
Veiligheid en security
De voordelen van lifi zijn daarmee duidelijk. Toch hebben we een belangrijk punt nog niet genoemd: security. Doordat zender en ontvanger elkaar moeten kunnen zien en het signaal in principe de kamer niet verlaat, is het veel lastiger om signalen door middel van bijvoorbeeld een ‘man in the middle’-aanpak op te vangen en te manipuleren. Ook de maximale afstand van 10 m maakt onderscheppen van data lastig(er). In eerste instantie lijkt het feit dat zender en ontvanger elkaar moeten kunnen zien dus wellicht een nadeel, in de praktijk biedt het ook voordelen. Encryptie is uiteraard ook bij lifi mogelijk, de transceivers lezen immers zelf de data niet. Versleutelen en dergelijke gebeurt via de actieve apparatuur voor en na de verzendende en ontvangende transceivers. Andere security-vragen zijn nog niet goed beantwoord. Kan een lifi-transceiver bijvoorbeeld worden verblind?
Interessante tijden voor systems engineers
Wie goed naar lifi kijkt ziet al vrij snel dat het hier niet om een één-op-één vervanging van wifi gaat. De toepassingsmogelijkheden zijn eerder aanvullend op elkaar. Al lijkt met name de fabrieksomgeving een belangrijke applicatieterrein te gaan worden (geen interferentie). Voorlopig zullen we vooral combinaties van lifi en wifi gaan zien, zeker in de startfase van deze nieuwe trend.
Daarmee treden voor systems engineers interessante tijden aan. Want waar passen we traditionele wifi toe en waar lifi? Speelt hierbij vooral de signaalkwaliteit een hoofdrol? Het energiegebruik? Het feit dat er toch al ledverlichting aanwezig is, of gaat het juist om alle ruis die wifi onbetrouwbaar maakt? Hoe gaan we dan slim om met de zichtlijnen tussen zender en ontvanger? En hoe laten we wifi en lifi op elkaar aansluiten?
Systems engineers zullen hiervoor nauw moeten samenwerken met technici die zich bezig houden met andere gebouw- en ict-installaties. Bijvoorbeeld de mensen die lichtplannen voor gebouwen ontwerpen. Tot op heden wordt een verlichtingsinstallatie vrijwel altijd volledig separaat ontworpen. Nu echter verlichting en connectiviteit via een en dezelfde infrastructuur gaan lopen, speelt er dus naast ergonomie en arbowetgeving nog veel meer.
Ontwerp van verlichting en communicatie-voorzieningen zal veel meer geïntegreerd moeten worden
Geïntegreerd ontwerpen
Het ontwerpen van de verlichting en van de communicatievoorzieningen zal dus veel meer geïntegreerd moeten worden. Een extra uitdaging hierbij wordt dat ook bij lifi een deel van de datacommunicatie via bekabeling zal verlopen. Daarmee zitten we dus al op drie disciplines die nauw moeten gaan samenwerken: verlichting, bekabeling, draadloos.
Andere trends op het gebied van gebouwbeheersing en -automatisering spelen hier natuurlijk ook een rol. Zal het bij deze netwerkbekabeling bijvoorbeeld altijd om glasvezel (moeten) gaan? Waarschijnlijk hoeft dat niet. Er kan bijvoorbeeld ook gebruik worden gemaakt van single pair ethernet dat door middel van adapters aansluit op lifi, maar evenzogoed op veldbussen als het om een industriële omgeving gaat. Maar hoe gaan we dan bijvoorbeeld met power over ethernet in combinatie met lifi om?
Ervaring opdoen
Een grote toepassing van lifi zal nog even duren. De huidige lifi-producten zijn nog relatief duur en bestaande apparatuur als laptops en tablets hebben onhandige dongles nodig om überhaupt een lifi-signaal te kunnen verwerken. Bovendien zijn de snelheden nog relatief laag.
Ook moet nog worden nagedacht hoe we omvangrijke communicatiearchitecturen kunnen ontwerpen die in staat zijn om lifi optimaal te integreren. Daar staat natuurlijk tegenover dat het installeren van lifi-transceivers op zich uiterst eenvoudig is. Het zullen er relatief veel zijn, maar ingewikkeld is het plaatsen zeker niet. Komt de markt eenmaal op gang, dan zou het ook wel eens snel kunnen gaan. De voordelen van lifi zijn er in elk geval groot genoeg voor.
Eerste bedrijven en projecten
Lifi is als technologie al ruim tien jaar bekend. In deze periode is een aantal interessante projecten en testen uitgevoerd die inzicht geven in de mogelijkheden. Ook levert een aantal bedrijven inmiddels lifi-producten:
• Signify levert onder de naam ‘Trulifi’ lifi via onzichtbaar infraroodlicht 150 Mbps up en down. Dit gebeurt via een systeem dat op een hoogte van 2 m een diameter van 2,2 m van signaal kan voorzien. Het bedrijf biedt ook een variant met zichtbaar licht dat 250 Mbps via een vaste point to point-verbinding mogelijk maakt.
• Oledcomm levert ‘Lifimax’, een lifi-basisstation dat met onzichtbaar licht 16 gebruikers kan ondersteunen. Afhankelijk van het model zijn de snelheden 40 of 100 Mbps.
• PureLifi is een Schots bedrijf opgericht door onder andere Harald Haas, hoogleraar Universiteit van Edinburgh. Zij richten zich vooral op lifi-componenten die andere fabrikanten in hun apparatuur kunnen integreren. Deze componenten halen inmiddels 1 Gbps up en 450 Mbps down.
Projecten
• De Universiteit van Oxford lijkt tot nu toe het lifi-wereldrecord in handen te hebben: 224 Gbps over een afstand van 3 m.
• Astronics levert vliegtuiginterieurs waarin lifi-communicatie via een glasvezelverbinding tot in de buurt van de stoelen van passagiers wordt gebracht, waar het signaal vervolgens draadloos gebruikt kan worden.
• Airbus werkt aan projecten waarbij lifi wordt ingezet in cockpits voor communicatie voor piloten.
• AirFrance-KLM demonstreerde reeds een cabine waarin Oledcomm’s Lifimax-systeem was geïntegreerd.
Tekst: Robbert Hoeffnagel
Fotografie: Signify