Beacons und LiFi: Alternativen zu WLAN?

Datenübertragung in größeren Gebäuden wie Museen oder Bürokomplexen erfolgt zumeist über kabelgebundene oder WLAN-Systeme. Letztere stoßen aber schnell an Grenzen. Praktische und zukunftsweisende Alternativen – insbesondere für den Einsatz in Ausstellungshäusern und Museen – können Beacons und lichtbasierte Datenübertragung sein. KommunikationsRaum. erklärt, was sich dahinter verbirgt.

Das Internet of Things ist auch im professionellen Bereich längst zum Standard für die drahtlose Vernetzung von Geräten geworden. Doch stellen drahtgebundene Systeme immer noch die Mehrheit der Installationen im Bereich Digital Signage – allerdings einen recht verschleißanfälligen. Sie können nur mit einer begrenzten Häufigkeit umgesteckt werden, bevor sie nur noch lose sitzen. Außerdem sind derartige Systeme ziemlich unflexibel und oft genug aufwendig und teuer in der Wartung. Das Verlegen von Kabeln ist in manchen schwer zugänglichen Bereichen mühsam, wenn nicht sogar unmöglich. Kein Wunder also, dass drahtlose, WLAN-gestützte Alternativen zur Datenübertragung immer häufiger fest verlegte Kabelverbindungen ersetzen. Was die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit angeht, kommt WLAN jedoch schnell an seine Grenzen.

Mit zunehmender Anzahl von Nutzern und steigendem Datenübertragungsvolumen verschlechtern sich sowohl Datenrate als auch die Zeiten der Kommunikationszyklen, denn für alle Inhalte steht nur eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung. Wenn dann noch andere drahtlose Verfahren wie beispielsweise Bluetooth-Anwendungen dazukommen, nimmt das Funkchaos nur weiter zu. Dadurch können kritische Störungen entstehen, denn die Geräte funken teilweise in den gleichen Frequenzbereichen. Das führt zu Mehrfachbelegungen der Kanäle und Interferenzen. Der Einsatz von WLAN für die Datenübertragung war zudem in der Vergangenheit bisweilen nicht nur wegen der Störerhaftung für viele Museen problematisch. Auch andere Faktoren behindern bisweilen den Einsatz von WLAN – insbesondere in denkmalgeschützten Räumlichkeiten oder Architekturen, deren Beschaffenheit die WLAN-Verbindung behindert oder stört. Das betrifft nicht nur Museen und Ausstellungshäuser, sondern auch Konferenz- und Büroumgebungen. Gelten im ersten Fall nicht selten dicke Mauern als WLAN-Bremse, sind es im zweiten oft Sicherheitsbedenken, die den WLAN-Einsatz nicht angeraten sein lassen.

Alternative 1: Beacon-Technologie

Für bestimmte Einsatzzwecke, in denen es vor allem darauf ankommt, Besucher oder Gäste mit Informationen zu versorgen, gibt es jedoch praktische Alternativen. Sie alle haben gemeinsam, dass hier Daten nur an Nutzer übermittelt werden, jedoch umgekehrt keine Informationen fließen. Bei sogenannten Beacons, zu Deutsch „Leuchtfeuer“, handelt es sich um kleine Bluetooth-Sender, die an beliebigen Stellen installiert werden können und zumeist eine Reichweite von zehn Metern bieten. Sobald sich ein Smartphone- oder Tablet-Besitzer den Beacons nähert, registriert der Sender dies via Bluetooth Low Energy (BLE) und kann eine Nachricht an das Mobilgerät übermitteln.

Beacons können andersherum jedoch nichts empfangen, es handelt sich um reine Sender. Die auf dem Beacon gespeicherte Nachricht wird an das Endgerät gesendet, wo sie als Push-Nachricht auf dem Bildschirm erscheint. Durch die entfernungsabhängige, unterschiedliche Signalstärke zwischen Beacon und Empfänger kann auch der Standort des Empfängers sehr genau bestimmt werden. In Kaufhäusern, Supermärkten oder Museen können die Beacons beispielsweise genutzt werden, um sich durch die Räumlichkeiten leiten zu lassen. Für die Vernetzung mit den Minisendern ist die Installation einer entsprechenden App auf dem Mobilgerät nötig. Nur so können die Informationen empfangen werden. Die Beacon-Technologie wurde vor allem durch Apple bekannt: Der Unterhaltungselektroniker brachte die Minisender unter der Bezeichnung iBeacon heraus.

Vor- und Nachteile von Beacons

Aufgrund der niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten kann man beliebige Räume mit Beacons flächendeckend ausrüsten. Damit eignen sie sich auch für Museen, Ausstellungsräume und Galerien. Bei der Annäherung an ein Ausstellungsstück erhalten Besucher detaillierte Informationen zu diesem Werk. Außerdem werden sie so durch die Ausstellung navigiert und finden sich schneller zurecht. Datenschutzrechtlich stellen Beacons kein großes Problem dar, da sie keinerlei Daten empfangen und verarbeiten können. Die auf Smartphones oder Tablets installierten Apps empfangen und verarbeiten dagegen sehr wohl solche persönlichen Daten. Sie können z. B. Bewegungsprofile erstellen und analysieren, wo sich beispielsweise in einem Ausstellungsraum ein Besucher wie lange aufgehalten hat. Die Verarbeitung solcher Informationen ist grundsätzlich nur mit der Einwilligung des Betroffenen möglich. Zudem muss der Nutzer in Deutschland dem Empfang von Push-Nachrichten zustimmen. Der Versender der Nachrichten ist dabei in der Pflicht, diese Einverständniserklärung für jeden einzelnen Nutzer nachweisen zu können. Fehlt diese, droht eine Abmahnung.

Alternative 2: Lichtbasierte Datenübertragung

Die optische Datenübertragung nutzt dagegen Visible Light Communication (VLC), manchmal auch LiFi genannt (von Light Fidelity). Hierbei werden Daten mithilfe von Lichtfrequenzen zwischen 400 und 800 Terahertz übertragen. Ähnlich einem Morsecode werden die Daten durch das Flackern von LED-Leuchten, die mit einem vorgeschalteten Chip ausgerüstet sind, übertragen. Die Voraussetzung ist eine ungestörte Sichtverbindung zwischen Lichtemitter und dem Empfängersensor. Für das menschliche Auge sind diese Lichtsignale nicht zu bemerken, der Betrachter nimmt lediglich eine ruhig leuchtende Lichtquelle wahr.

Durch die Nutzung des Lichtspektrums gibt es keinerlei Störungen von oder durch funkbasierte Systeme. Und: Die möglichen Bandbreiten von bis zu 12,5 Gigabit pro Sekunde sind zehn Mal schneller als bei verfügbaren WLAN-Funklösungen. Für größere Distanzen hat das Dresdner Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) den sogenannten „LiFi-Hotspot“ entwickelt. Dieser kann sich auf einer Fläche von ca. 5 x 5 m gleichzeitig mit mehreren Nutzern bei Datenraten bis 100 Megabit pro Sekunde austauschen. Grundsätzlich können aber auch größere Entfernungen bis zu 30 Metern noch bedient werden. LiFi-Installationen erlauben die Erweiterung vorhandener Infrastrukturen, ohne dass weitere unabhängige und kostenträchtige Kommunikationskanäle eingerichtet werden müssen. Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn bereits konventionelle Technologien von anderen Anwendungen genutzt werden oder der Einsatz von funkbasierten Systemen nicht möglich ist.

Mit LiFi vor Lauschern und Hackern sicher

Neben der hohen Nettodatenrate und der Echtzeitfähigkeit spielen natürlich Sicherheitsaspekte eine große Rolle. Zwar stellt die notwendige Sichtverbindung zwischen Emitter und Empfängersensor einen der Hauptschwachpunkte der optischen Datenübertragung dar. Diese Einschränkung ist jedoch nicht nur nachteilig, denn der Zugriff auf den Datenstrom ist nur durch die direkte Einführung eines Empfängers in den Übertragungskanal möglich. Damit ist das unbemerkte Abhören von Kommunikationen praktisch unmöglich und ebenso sicher wie der direkte Zugriff über einen Stecker oder Kabelanschluss. Wer ohne Sichtverbindung im Nebenraum sitzt, hat keine Chance, unerlaubt an Daten zu gelangen.

LiFi-Kommunikation verbindet also die Flexibilität der drahtlosen Kommunikationstechnologie mit der Sicherheit herkömmlicher kabelgebundener Lösungen. Es sind keine offenen Kontakte vorhanden. Das System bleibt auf jeder Seite der Kommunikation vollständig geschlossen. Aufgrund der potenziell hohen Datenraten müssen Verbindungen oft nur kurzzeitig aufrechterhalten werden, zum Beispiel beim Herunterladen neuer Firmware oder beim Hochladen von Sensordaten.

LinkRay-Beispiel aus der Museumspraxis

Im Petersen Automotive Museum in der Museum Row von Los Angeles, USA, ist die LinkRay-Technologie bereits im Einsatz, um das Erlebnis für die Besucher zu steigern. Das Museum ist eine gemeinnützige Organisation und hat sich auf die Geschichte des Automobils und damit zusammenhängende Bildungsprogramme spezialisiert. Als erstes Museum in den USA setzt das Petersen Automotive Museum auf LinkRay, um die Besucherzahlen zu steigern und gleichzeitig ein neues Publikum zu erreichen. „Das Petersen Automotive Museum ist eine prestigeträchtige Institution mit seltenen Fahrzeugen, die in einer High-Tech-Umgebung ausgestellt werden“, so John Baisley, Professional Imaging & Visual Systems SVP von Panasonic.

„Das Museum war der ideale Partner für die Einführung von LinkRay, da dort bereits unsere Projektoren und Displays eingesetzt wurden. Sie können den Besuchern nun ein einzigartiges, interaktives Erlebnis mit informativen Optionen bieten, die weit über die Exponate hinausgehen.“ Denn die ausgestellten Automobile werden nun um die Möglichkeit bereichert, über mobile Inhalte, die per Licht übertragen werden, mit den Ausstellungsstücken zu interagieren. Die LinkRay-Technologie ist in die kostenlose Petersen Automotive Museum App integriert und ermöglicht so den Zugang zu verschiedenen Optionen, wie dem Ticketkauf oder zukünftige Angebote für Ausstellungen. So können viele Menschen gleichzeitig mehr über ein Ausstellungsstück oder eine Ausstellung erfahren, indem sie ihre Smartphones interaktiv einsetzen – das ist etwas, das bei statischen Displays nicht möglich ist.

LiFi im Rahmen der Ausstellungsgestaltung

In Museen kann das Konzept der Ausstellungsgestaltung beispielsweise beinhalten, dass Besucher entweder mit Leihgeräten oder ihren eigenen Smartphones oder Tablets ihre Runden durch die Ausstellungsräume drehen. Mittels LiFi ließen sich derartige mobile Geräte schnell an im Raum befindliche Projektoren oder Displays anbinden. Lichtbasierte Datenübertragungskonzepte bieten also klare Vorteile, da sie ein sicheres und zuverlässiges Netzwerk einbeziehen, das nicht von der Anzahl seiner Nutzer abhängt.

Zudem können sie Möglichkeiten zur Geo-Lokalisierung und so das Kreieren einer personalisierten Umgebung realisieren. Mit entsprechenden Apps werden dann beliebige Inhalte wie Texte, Videos und Musik und auch die Lichtsteuerung für Kunstwerke zu einem individuellen Besuchserlebnis. Wer vor einem Bild oder einer Skulptur steht, kann beispielsweise von der beleuchtenden LED die dazugehörigen Multimedia-Infos auf sein Smartphone oder Tablet erhalten. Die Besucherwege können anhand thematischer Vorgaben beliebig angepasst werden, Interferenzen und Überlastungsstörungen wie bei WLAN-gestützten Systemen sind bei noch so großen Besucherzahlen ausgeschlossen.

Es tut sich was auf dem LiFi-Markt

Ob sich LiFi in Zukunft als ernsthafter Konkurrent zu bestehenden WLAN-Lösungen etablieren kann, hängt auch von den Kosten ab. Derzeit wird im Markt vor allem über günstige Preise konkurriert – da können neue, noch nicht verbreitete Produkte naturgemäß erst einmal nicht mithalten. Trotzdem ist das Fraunhofer IPMS bereits mit einer Reihe von Interessenten im Gespräch, um verschiedene Anwendungslösungen zu realisieren. Diese Entwicklungen stehen allerdings noch sehr am Anfang, und die beteiligten Unternehmen halten sich zum jetzigen Zeitpunkt noch mit Aussagen zurück. Derzeit entwickeln die Forscher z. B. Lösungen für die optische Datenkommunikation an Netzwerktelefonen. Auch wer sich unter großen, kommerziellen Mediensteuerungsexperten umhört, trifft beim Thema noch auf einige Zurückhaltung. Zur Frage, inwieweit Visible Light Communication etwa bei Crestrons drahtloser Präsentationslösung AirMedia das als Übertragungsstandard genutzte WLAN ersetzen kann, hieß es beim Unternehmen, derartige Überlegungen spielten derzeit keine Rolle.

Trotzdem gehen inzwischen erste Unternehmen mit LiFi-basierten Produkten an den Markt. Beispielhaft sei hier das LinkRay-Konzept genannt, das von Panasonic entwickelt wurde. LiFi-typisch verwendet die LinkRay-Plattform LED-Licht, um digitale Inhalte auf mobile Endgeräte zu übertragen. Dadurch werden Displays für Digital Signage, Reklame- und Infowände sowie Lichtquellen in Ausstellungen zu Tools für die direkte Nutzeransprache auf Smart phones. Das System kann sowohl auf engstem Raum als auch auf größere Distanzen eingesetzt werden. Im Falle einer Museums- oder Ausstellungsumgebung gilt es zudem, eine ganze Reihe von Exponaten unterscheiden zu können. So ist die für iOS und Android erhältliche LinkRay-App imstande, die jeweilige Licht-ID aus dem indirekten, von der eigentlichen LED-Quelle reflektierten Licht zu ermitteln und dem gerade vor dem Objekt stehenden Besucher die korrekten Informationen anzuzeigen. Auch bei Global LiFi Tech spielt VLC die zentrale Rolle. Das 2016 gegründete kanadische Unternehmen bietet eine Vielzahl von Konzepten und Lösungen für unterschiedliche Bereiche an – vom Gesundheitssektor übers Büro bis zum Einsatz in Industrie, Transport oder Museen.

LiFi in Konferenzsituationen

Die LiFi-Technik eignet sich auch sehr gut für Anwendungsszenarien wie etwa eine Konferenzumgebung. Veranstaltungsteilnehmer könnten z. B. ihre eigenen mobilen Endgeräte wie Smartphones, Tablets oder Laptops via LiFi mit dem Firmennetzwerk verbinden. Denn neben der hohen Sicherheit gegenüber unerwünschten Mitlauschern bietet LiFi mit seiner hohen Bandbreite einen weiteren Anwendungsvorteil. Anders als im WLAN-Netz, das bei einer steigenden Zahl von Nutzern dem einzelnen Anwender immer kleinere Datenübertragungsraten zur Verfügung stellt, entfällt diese Einschränkung bei lichtbasierter Übertragung.

Ein Beispiel aus der Praxis: Auf der Insel Mainau begann unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich- Hertz-Institut (HHI) bereits im Frühjahr 2015 das Projekt „VLC Mainau“ mit dem Ziel, einen vorhandenen Konferenzraum mit LiFi-Technologie auszurüsten. Zwei Jahre später wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen. Die Aufrüstung des Konferenzraumes erfolgte in mehreren Aufbauschritten und sollte Erkenntnisse für praxisorientierte Parameteroptimierung liefern.

Damit war diese LiFi-Installation außerhalb einer Laborumgebung die erste in Deutschland und einer der bislang wenigen Feldtests dieser Art weltweit. Dabei wurde im Konferenzraum ein Kommunikationssystem auf LiFi-Basis installiert. In der zweiten Projektphase erfolgte die Erweiterung auf mehrere Nutzer und einen flexiblen Zugang zum Internet. In der Projektphase lief die Systeminstallation laut Fraunhofer HHI völlig fehlerlos ab. Auch die Nutzerreaktionen seien sehr positiv gewesen. Diese Art der funkfreien, mobilen Datenkommunikation sei besonders für Orte und Situationen geeignet, an denen Funktechnik aus gesundheitlichen oder technischen Gründen nicht angebracht ist.

Autor: Richard Meusers