Draadloos infraroodnetwerk kan data met snelheid van 42,8 Gbit/s versturen

Traag wifi is een bron van ergernis die bijna iedereen kent. Draadloze apparaten consumeren steeds meer data, terwijl tegelijkertijd steeds meer apparaten met het netwerk worden verbonden. Het wifi-netwerk raakt hierdoor overbelast. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben hier een oplossing voor bedacht: een draadloos netwerk gebaseerd op ongevaarlijke infraroodstralen. Niet alleen biedt een dergelijke netwerk een capaciteit van meer dan 40Gbit/s, ook hoeft het netwerk niet gedeeld te worden doordat elk apparaat een eigen lichtstraal krijgt toegewezen. TU/e-onderzoeker Joanne Oh promoveerde onlangs cum laude op dit onderwerp.

Het in Eindhoven bedachte systeem is eenvoudig en in principe goedkoop van opzet. De draadloze data komt van enkele centrale ‘lichtantennes’, die bijvoorbeeld aan het plafond worden gemonteerd. Deze antennes kunnen lichtstralen die worden aangevoerd via een glasvezel, heel nauwkeurig richten. Dit zonder bewegende delen, waardoor het systeem onderhoudsvrij is en geen stroom verbruikt. Dit is mogelijk dankzij roosters in de antennes die lichtstralen van verschillende golflengtes onder verschillende hoeken uitstralen (‘passive diffraction gratings’). Door de lichtfrequentie te veranderen, verandert dus de richting van de lichtstraal. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een veilige frequentie infraroodlicht dat het kwetsbare netvlies in het menselijk oog niet bereikt, wat de techniek veilig maakt.

Automatisch overstappen op andere lichtantenne

Indien een gebruiker rondwandelt en diens smartphone of tablet buiten beeld van een lichtantenne raakt, wordt de verbinding automatisch overgenomen door een andere lichtantenne. Het netwerk houdt de exacte plaats van alle draadloze apparaten bij met behulp van het radiosignaal dat ze terug sturen. Indien extra apparaten worden toegevoegd krijgen deze vanuit dezelfde lichtantennes andere lichtgolflengtes toegewezen, waardoor de apparaten capaciteit niet hoeven te delen. Dit voorkomt daarnaast storing door omliggende wifi-netwerken.

Het huidige wifi maakt gebruik van radiosignalen, met een frequentie van 2,5 of 5 gigahertz. Het in Eindhoven bedachte systeem gebruikt infraroodlicht met frequenties die meer dan duizend keer hoger zijn, zo’n 200 terahertz. De datacapaciteit van lichtstralen is hierdoor veel hoger. Joanne Oh wist een snelheid van 42,8 Gbit/s te realiseren over 2,5 meter afstand. Ter vergelijking: de gemiddelde verbindingssnelheid in Nederland is tweeduizend keer minder (17,6 Mbit/s). Op locaties waar een snel wifi-netwerk beschikbaar is, wordt nog altijd een datasnelheid van niet meer dan 300 Mbit/s gerealiseerd. Dit is ruim honderd keer minder dan de snelheid behaald in het Eindhovense onderzoek per lichtstraal. Het Eindhovense systeem gebruikt tot nu toe de lichtsignalen nog alleen voor het downloaden. Voor uploaden worden vooralsnog radiosignalen gebruikt, omdat er voor uploaden doorgaans veel minder capaciteit nodig is.

BROWSE project

Het werk van promovendus Oh is onderdeel van het bredere project BROWSE, geleid door hoogleraar breedbandtechnologie Ton Koonen en uitgevoerd met financiële steun van de European Research Council. Joanne Oh werkte vooral aan de technologie van datatransmissie via richtbare infrarood-lichtstralen. Andere promovendi werken nog aan de techniek om nauwkeurig bij te houden waar alle draadloze apparaten zijn en aan het benodigde centrale glasvezelnetwerk achter de lichtantennes. Koonen verwacht dat het nog zeker 5 jaar duurt voordat de nieuwe technologie in de winkels ligt. Hij denkt dat apparaten met hoge dataconsumptie zoals videobeeldschermen, laptops of tablets als eerste zullen worden aangesloten op dit nieuwe soort draadloos netwerk.

De groep van Koonen is niet de enige die werkt aan ‘indoor optical wireless networks’. Wereldwijd wordt op andere universiteiten en onderzoeksinstituten onder meer onderzocht of het mogelijk is om data te verzenden via de LED kamerverlichting. Het nadeel daarvan is echter dat de bandbreedte niet hoog is en gedeeld moet worden door de aangesloten apparaten. Enkele andere groepen onderzoeken netwerkconcepten waarin infrarood lichtstralen worden gericht met beweegbare spiegels. Het nadeel daarvan is echter dat dit actieve controle van de spiegels en stroom vergt, en dat elke spiegel maar één lichtsignaal tegelijk kan behandelen. De roosters die Koonen en Oh gebruiken, kunnen vele lichtstralen en dus apparaten tegelijk aan.

Institute for Photonic Integration

Het werk van Oh en Koonen valt binnen het Institute for Photonic Integration van de TU/e. Dit is één van de wereldwijd toonaangevende onderzoekcentra op gebied van ‘photonics’; het gebruik van licht (fotonen) in plaats van elektriciteit (elektronen) om data te verzenden.