Lifi komt eraan

Internet en licht zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. Ontelbare kilometers aan glasvezelkabels zijn de ruggengraat van het netwerk waarmee we razendsnel data de wereld rondpompen. Steeds meer verbindingen zijn echter draadloos en gebruiken radiosignalen, met een overbezet radiospectrum tot gevolg. Lifi, een draadloze netwerktechniek die werkt in het lichtspectrum, brengt verlichting.

Lifi staat voor light fidelity en is, zoals de naam al doet vermoeden, een alternatief voor wifi. In plaats van met radiosignalen werkt lifi met licht. Dat kan licht zijn in het zichtbare spectrum, infrarood of ultraviolet. De techniek is bekendgemaakt door Harald Haas, een Duitse hoogleraar die aan de universiteit van Edinburgh is verbonden. In 2011 demonstreerde hij zijn vinding in een TED Talk en sindsdien zijn wetenschappers en bedrijven bezig met de verdere ontwikkeling en het maken van producten. We zijn inmiddels acht jaar verder, maar lifi heeft op de markt voor consumenten nog geen grote doorbraak gemaakt. Er zijn echter veel ontwikkelingen gaande die daar in een paar jaar verandering in kunnen brengen. In dit achtergrondartikel praten we je bij over de techniek en de stand van zaken.

Hoe werkt het?

Het versturen van data via licht werkt met snel oscillerende leds. De knipperingen gaan zo snel dat ze voor het menselijk oog niet waarneembaar zijn. Er zijn geen speciale lampen nodig, in theorie kan iedere ledlamp, dus ook die in je huiskamer, als zender dienen. Wel is aanvullende apparatuur nodig om het licht op de juiste frequenties te laten knipperen. Omgevings- en zonlicht zijn geen probleem; een lifiontvanger kan de knipperingen scheiden van het constante licht en ongestoord communiceren. Het knipperen van de leds heeft volgens de uitvinders ook geen negatieve invloed op de levensduur. Bovendien hoeft het licht niet zichtbaar te zijn. Communicatie is mogelijk met lichtpulsen op een extreem lage helderheid of in het gedeelte van het lichtspectrum dat niet zichtbaar is voor het menselijk oog.

Lifi werkt met transceivers, die zowel licht kunnen waarnemen als licht kunnen uitzenden, om zo wederzijdse communicatie mogelijk te maken. Huidige oplossingen gebruiken daarvoor usb-dongles die aan een laptop of computer kunnen worden gekoppeld en van een infraroodzender zijn voorzien om data terug te sturen naar de lamp die als toegangspunt dient. De toegangspunten zelf moeten uiteraard aangesloten zijn op een netwerk met een bestaande internetverbinding.

Voor- en nadelen

Bij lifi moeten zender en ontvanger altijd elkaars lichtpulsen kunnen waarnemen. Dat betekent niet dat apparatuur in elkaars directe zicht moet staan, want ook via weerkaatsing is licht op te vangen, al neemt Het spectrum waarin lifi kan werken, is duizenden malen groter dan het radiospectrumde signaalsterkte dan wel af. Dit maakt ook direct duidelijk dat lifi geen volwaardige vervanger voor wifi is, omdat het bijvoorbeeld niet mogelijk is om data door muren te sturen. Lifi wordt gezien als een aanvulling op huidige technieken. Een voordeel van lifi is dat er geen interferentie met andere radiosignalen plaatsvindt. In grote steden waar het radiospectrum overbezet is met wifinetwerken, moet dat een voordeel zijn. Maar ook in bijvoorbeeld vliegtuigen of ziekenhuizen, waar interferentie grote gevolgen kan hebben, biedt lifi uitkomst. Bovendien is het spectrum voor zichtbaar licht waarin lifi kan werken, duizenden malen groter dan het radiospectrum en ook is het ongereguleerd; er is dus geen toestemming nodig om apparatuur uit te brengen die met licht communiceert. Lifi is in sommige opzichten ook te bestempelen als veiliger, omdat het gemakkelijker is om het signaal af te schermen.

Theorie versus praktijk

Er wordt al jarenlang onderzoek gedaan naar lifi en in testopstellingen halen wetenschappers indrukwekkende snelheden met de techniek. Zo publiceerden onderzoekers van de Oxford University in 2015 al een rapport waarin ze een 224Gbit/s-verbinding met licht over een afstand van drie meter beschrijven. Lifiproducten die je nu kunt kopen, halen die snelheden bij lange na niet. Het Nederlandse Signify, het voormalige Philips Lighting, is een van de bedrijven die sinds dit jaar lifiproducten aan de man brengen. Onder de noemer Trulifi maakt Signify lifisystemen die bedoeld zijn voor de zakelijke markt, om bijvoorbeeld in kantoren een draadloos netwerk op te zetten dat de kantoorverlichting gebruikt. Het Trulifi 6002-systeem kan worden geïntegreerd in bestaande armaturen van Signify en werkt met onzichtbaar infraroodlicht. Het systeem biedt op een hoogte van 2m binnen een diameter van 2,2m snelheden tot 150Mbit/s up en down. Er zijn usb-dongles nodig om computers en laptops op het lifinetwerk aan te sluiten.

Trulifi 6002-systeem van Signify met usb-dongle en transceiver

Signify maakt ook een snellere variant die up- en downloadsnelheden tot 250Mbit/s biedt. Dat Trulifi 6013-systeem maakt echter gebruik van zichtbare lichtbundels van blauw, rood of groen licht en is een vaste point-to-pointverbinding, waarbij zender en ontvanger dus altijd op dezelfde plek moeten staan. Met deze variant mikt het bedrijf vooral op industriële omgevingen, wat begrijpelijk is vanwege de beperkingen en de gekleurde, zichtbare lichtbundels.

Ook het Franse Oledcomm brengt al lifiproducten op de markt. Vanaf september gaat het bedrijf zijn LiFiMAX-systeem verkopen. Dat bestaat uit een toegangspunt met het uiterlijk van een brandmelder, waarmee tot zestien gebruikers tegelijk verbinding kunnen maken via een usb-dongle. Het systeem van Oledcomm werkt buiten het zichtbare spectrum en biedt down- en uploadsnelheden tot 100 en 40Mbit/s. Volgens het bedrijf kan één toegangspunt een ruimte van 28 vierkante meter van signaal voorzien, maar de signaalsterkte neemt af naarmate de afstand toeneemt. Het opgegeven bereik geldt bij een minimumsnelheid van 5Mbit/s. Een combinatie van een toegangspunt en één dongle gaat zo'n achthonderd euro kosten.

Het LiFiMAX-systeem van Oledcom ziet eruit als een brandmelder en werkt met onzichtbaar licht

Dat dergelijke systemen vooralsnog op de zakelijke markt zijn gericht, is niet verwonderlijk. Voor thuisgebruik lijken de huidige oplossingen weinig voordeel te bieden. De snelheid is relatief laag en het bereik is klein. Een heel huis volhangen met lifiapparatuur is een kostbare aangelegenheid. Volgens Signify is het systeem interessant omdat de verbinding zeer stabiel is en omdat er geen interferentie met andere draadloze netwerken is. Ook stelt Signify dat de techniek zeer geschikt is voor plekken waar gevoelige informatie wordt uitgewisseld, omdat het signaal alleen op te vangen is als het ook zichtbaar is en omdat een dongle is vereist om het versleutelde signaal op te vangen.

PureLiFi mikt op integratie en gigabit-lifi

Huidige lifiproducten zijn duur, relatief langzaam en omslachtig in gebruik doordat er dongles voor nodig zijn. Een bedrijf dat daarin verandering wil brengen, is het in Schotland gevestigde pureLiFi. Het is ontstaan als spin-off van de Universiteit van Edinburgh, waar Harald Haas zijn onderzoek naar lifi deed. Haas is medeoprichter van pureLiFi en in het bedrijf actief als chief scientific officer. In de afgelopen jaren heeft pureLiFi een aantal lifiproducten gemaakt, zoals lampen en dongles om laptops met lifi te verbinden. Dat waren vooral producten om de techniek mee te testen en het bedrijf slaat nu een nieuwe weg in.

PureLiFi richt zich op de ontwikkeling van componenten die fabrikanten in staat moeten stellen om hun apparaten van lifi te voorzien. Begin dit jaar presenteerde het bedrijf op het Mobile World Congress zijn gigabit optical front-end. Dat is een kleine optische module die licht kan opvangen en ook kan versturen om lificommunicatie mogelijk te maken. Het gaat in feite om een antenne die op een bestaande baseband moet worden aangesloten, bijvoorbeeld een 5g-modem in een smartphone. De optische module van pureLiFi kan overweg met gigabitsnelheden en dat werd door de fabrikant op de beursvloer gedemonstreerd. Daarbij was de component in een laptop ingebouwd. Dat leverde een downlinksnelheid van 1Gbit/s en een uplink van zo'n 450Mbit/s op.

De snelheden die pureLiFi met zijn hardware haalt, liggen veel hoger dan die van andere lifiproducten die tot nu toe op de markt zijn gebracht. In principe is de snelheid afhankelijk van de baseband, ofwel de modem, waarop de lifiantenne is aangesloten. Momenteel is ook nog extra hardware nodig om de lifisignalen te vertalen, maar pureLiFi verwacht dat dit op den duur niet meer het geval is en dat de benodigde techniek voor lificommunicatie in basebands zal worden geïntegreerd, zoals dat nu het geval is met wifi. De huidige snelheden die pureLiFi haalt, zijn gelinkt aan de snelheden van de draadloze netwerktechnieken die nu beschikbaar zijn. Mostafa Afgani, de cto van het bedrijf, zegt tegen Tweakers dat toekomstige componenten hogere snelheden zullen ondersteunen als ook basebands hogere snelheden gaan bieden.

PureLiFi heeft een kleine lifimodule gemaakt en werkt samen met smartphonefabrikanten aan de integratie ervan

PureLiFi heeft zijn optische transceiver nu zo klein gemaakt dat die ook in smartphones past. Het bedrijf zegt met smartphonefabrikanten samen te werken aan de integratie ervan. Met welke smartphonefabrikanten pureLiFi samenwerkt, wil het niet zeggen vanwege geheimhoudingscontracten. Het zal waarschijnlijk ook nog een paar jaar duren voordat de techniek daadwerkelijk in smartphones terechtkomt. Lifi in smartphones is ook niet bedoeld als vervanger voor wifi of andere draadloze technieken, maar als aanvulling.

Standaardisering: 802.11bb

Een belangrijke stap voor de komst van lifiondersteuning in producten is standaardisering en er wordt inmiddels gewerkt aan een overkoepelende standaard. Vorig jaar heeft het Institute of Electrical and Electronics Engineers daarvoor de IEEE 802.11 Light Communications Task Group geformeerd. Die werkgroep moet een wereldwijde standaard voor draadloze communicatie via licht in het leven roepen. Daarmee wordt lifi een officiële aanvulling op wifi. Nikola Serafimovski, een topman van pureLiFi, is voorzitter van de werkgroep.

Lifi wordt onderdeel van de 802.11bb-standaard en volgens de tijdlijn van het IEEE zal de eerste conceptversie daarvan in september verschijnen. Het duurt dan volgens de planning nog een kleine twee jaar voordat de standaard definitief is afgerond in juli 2021. Dat betekent niet dat lifiproducten pas daarna op de markt zullen komen, ook in de tussentijd kunnen fabrikanten al aan de slag aan de hand van de conceptversie van de standaard. Dat gebeurt bijvoorbeeld ook met routers. Al voordat de huidige 802.11ax-standaard definitief is afgerond, zijn er ax-routers te koop.

Toepassingen

Lifi is vooral interessant voor communicatie op hoge snelheid op korte afstanden. Een voor de hand liggende toepassing is het maken van een thuis- of bedrijfsnetwerk waarbij computers en laptops via de verlichting in kamers of kantoren aangesloten zijn op het netwerk en internet. Daarvoor zijn nu nog dongles nodig, maar bedrijven als pureLiFi zien een toekomst voor zich waarbij lifitransceivers een standaardonderdeel worden, net zoals een wifichip en -antenne dat nu in veel apparaten zijn. Allerlei elektronische apparatuur in huis zou dan met lifi verbonden kunnen worden, van computers, smartphones en tablets tot tv's en koelkasten.

Vanwege de hoge overdrachtsnelheden die mogelijk zijn, is lifi ook interessant voor het draadloos verbinden van virtualreality- en augmentedrealitybrillen met computers. Het is momenteel al mogelijk om sommige vr-headsets draadloos te verbinden; huidige oplossingen gebruiken daarvoor het 802.11ad-protocol, ook bekend als WiGig, dat op een frequentie van 60GHz werkt. Die wifivariant is geschikt voor dataoverdracht over korte afstanden, iets waarin lifi ook sterk is. Er zijn momenteel nog geen vr-brillen die met lifi werken, maar het zou goed kunnen dat fabrikanten hier achter de schermen al aan werken. PureLiFi noemt dit specifiek als een markt waarop lifi uitkomst moet bieden. Dat bedrijf ziet lifi ook als een manier voor onderlinge communicatie tussen auto's. Auto’s hebben in veel gevallen al ledlampen en daarmee is de infrastructuur dus al grotendeels aanwezig.

Vanuit de luchtvaartindustrie is er al jaren concrete interesse in lifi en dat is niet verwonderlijk. Interferentie is een heikel punt bij draadloze verbindingen in vliegtuigen en lifi biedt in dat opzicht geen enkel risico. Volgens vliegtuigbouwers levert het gebruik van lifi ook gewichtsbesparing op, doordat er minder bekabeling nodig is. Er zijn momenteel nog geen vliegtuigen in de lucht die daadwerkelijk gebruikmaken van lifi, maar verschillende maatschappijen en bedrijven experimenteren ermee en hebben demonstraties getoond.

PureLiFi werkt bijvoorbeeld samen met Astronics, een leverancier van vliegtuiginterieurs. Dat bedrijf toonde in april op een beurs een lifiverbinding op basis van infrarood licht met een snelheid van 60Mbit/s, wat voldoende is om 4k-video's te streamen. In vliegtuigen kan lifi bijvoorbeeld in het leeslampje boven stoelen worden verwerkt. Door gebruik te maken van infrarood werkt de verbinding ook zonder zichtbaar licht te geven. Volgens Astronics is de techniek volwassen en is het slechts een kwestie van tijd voordat lifi naar vliegtuigen komt.

Airbus zei twee jaar geleden al de techniek te omarmen en met uitvinder Haas in gesprek te zijn over integratie in vliegtuigen. Airbus wil lifi ook inzetten in de cockpit van vliegtuigen, om daar veilige draadloze dataoverdracht mogelijk te maken in een afgesloten ruimte. Air France-KLM demonstreerde in juni een vliegtuigcabine met daarin het LiFiMAX-systeem van het Franse Oledcomm. Volgens de maker van het systeem wordt het vanaf eind dit jaar daadwerkelijk in gebruik genomen in vliegtuigen. Het lifinetwerk zal dan in verbinding staan met de entertainmentsystemen in passagiersstoelen.

De Europese Commissie geeft binnen zijn Horizon 2020-financieringsprogramma ook geld uit aan onderzoek naar het gebruik van lifi in vliegtuigcockpits. Dat gebeurt met het project Aircraft Light Communication, waarvan pureLiFi deelnemer is. Het Schotse bedrijf heeft daarvoor ruim 266.000 euro aan Europese subsidie gekregen. Het doel van het project is aantonen dat lifiverbindingen succesvol traditionele draadloze technieken in een cockpit kunnen vervangen. Nu worden daar wifi en bluetooth
gebruikt, en de projectgroep wil aantonen dat lifi deze technieken kan vervangen en ook veiliger is. Het onderzoek is in 2017 begonnen en moet in juni 2021 afgerond zijn.

Er zijn meer situaties waarin radiosignalen niet werken of ongewenst zijn. Lifi kan bijvoorbeeld onder water worden gebruikt, in tegenstelling tot wifi. Radiogolven worden door water geabsorbeerd, terwijl elektromagnetische straling in het lichtspectrum diep in het water kan doordringen. Ook in ziekenhuizen en op industriële locaties waar het gebruik van radiosignalen niet is toegestaan, biedt lifi uitkomst.

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA heeft de opkomst van lifi evenmin langs zich heen laten gaan. Het Kennedy Space Center ging in 2015 een vijfjarige samenwerking aan met het Amerikaanse bedrijf Light Visually Transceiving System. Destijds zei de ruimtevaartorganisatie dat lifi misschien kan
worden gebruikt in ruimtevaartuigen die bemande missies naar Mars gaan uitvoeren.

Lifi kan ook rekenen op interesse van instanties die het gebruik van radiofrequenties reguleren. Nu het radiospectrum steeds voller raakt, kijken dergelijke instanties naar alternatieven. Zo liet het Nederlandse Agentschap Telecom vorig jaar een onderzoek uitvoeren naar lifi en daarin kwam het tot de conclusie dat de techniek een 'goede en snelle aanvulling op wifi' op kan zijn. Het agentschap adviseerde om te beginnen met testprojecten, en bij de bouw van huizen en kantoren al rekening te houden met de integratie van lifi.

De Internationale Telecommunicatie-unie heeft begin dit jaar officieel de ITU G.9991-standaard voor communicatie via licht in het leven geroepen. Via de IEEE-werkgroep wordt aan een officiële lifistandaard gewerkt, maar om de techniek te promoten hebben bedrijven en telecomproviders onlangs ook gezamenlijk de Light Communications Alliance opgericht. Die alliantie wil duidelijk maken wat de toepassingen en mogelijkheden van lifi zijn. Tussen de oprichters staan bedrijven als Nokia, Liberty Global, Orange en pureLiFi. Het samenwerkingsverband wil in de komende tijd whitepapers over lifi gaan publiceren en wereldwijd evenementen gaan organiseren. Ook is het de bedoeling dat meer fabrikanten en bedrijven die bezig zijn met lifi, zich bij de alliantie aansluiten.

Tot slot

De snelheid van lifi is vrijwel onbeperkt, en het spectrum van zichtbaar en onzichtbaar licht is gigantischLifi zal draadloze netwerktechnieken als wifi en 5g nooit volledig vervangen, omdat het minder geschikt is voor het afleggen van lange afstanden en niet door muren kan. De techniek is echter veelbelovend als aanvulling op het overvolle radiospectrum. De snelheid van lifi is vrijwel onbeperkt, en het spectrum van zichtbaar en onzichtbaar licht is gigantisch. In de komende jaren gaan we steeds meer over lifi horen en zal het steeds vaker worden ingezet. In ieder geval op plekken waar radiosignalen voor problemen kunnen zorgen, zoals in vliegtuigen, lijkt inzet van de techniek een no-brainer.

Als het aan bedrijven als pureLiFi ligt, gaan consumenten over een paar jaar ook in allerlei andere situaties data via licht versturen. Om dat mogelijk te maken moeten fabrikanten ertoe worden overgehaald om lifitranceivers in te bouwen in apparaten als smartphones, laptops en tv’s. De komst van kleine modules en de integratie van lifi in de 802.11bb-standaard zijn daarvoor belangrijke voorwaarden en daaraan is over een paar jaar voldaan. Het lijkt daarmee slechts een kwestie van tijd totdat lifi breder wordt opgepakt op de consumentenmarkt.