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Powerline Communication - Übertragungsmedien

Inhaltsverzeichnis

Als Power Line Communication werden Verfahren bezeichnet bei denen Daten oder Sprache  über vorhandene Stromnetze übertragen werden. Hierzu werden eine oder mehrere modulierte Trägerfrequenzen der 50 Hz-Wechselspannung überlagert.

1. Die Ursprünge in der Rundsteuertechnik

Um die Kraftwerke gleichmäßig zu betreiben und damit die Abgabe elektrischer Energie möglichst gleichmäßig über den Tag verteilen zu können, haben schon Anfang des 20. Jahrhunderts die Energieversorgungsunternehmen Mehrtarifsysteme eingeführt. Da sich menschliche Aktivität hauptsächlich am Tage abspielt, ist natürlich der Energiebedarf in dieser Zeit besonders hoch. In der Nacht hingegen ist der Energiebedarf eher gering. Um jetzt die Kraftwerke auch in der Nacht möglichst voll nutzen zu können, wurde der sogenannte "Nachtstrom" wesentlich günstiger angeboten. So konnten geeignete Verbraucher mit hohem Energiebedarf, z.B. Nachtspeicherofen und Heißwasserspeicher, in dieser Zeit aufgeladen bzw. betrieben werden.

Abb. 1.01: Stromzähler mit Rundsteuerempfänger
Abb. 1.01: Stromzähler mit Rundsteuerempfänger [1]

Für eine genaue und nachvollziehbare Abrechnung der dem Netz entnommenen Energie werden Stromzähler mit mindestens zwei Zählereinheiten eingesetzt. Für die Umschaltung zwischen den Tarifen wurden zunächst Schaltuhren verwendet. Um aber Verbraucher gezielt ein- und ausschalten zu können sind Schaltuhren, schon wegen ihrer Empfindlichkeit und Ungenauigkeit, nicht geeignet. Daher wird eine individuelle Fernsteuerung der Verbraucher notwendig. Als Übertragungsweg wird dabei das normale Energieversorgungsnetz verwendet. Die Übertragung der Steuerbefehle erfolgt durch Impulsfolgen im Bereich von 167 bis ca. 2000 Hz, die der 50-Hz-Spannung mit einer Amplitude von ca. 1 bis 8% der jeweiligen Netznennspannung überlagert sind. Die Tonfrequenz wird zur Übertragung nach einem Code (Impulsraster) ein- und ausgeschaltet, wodurch ein "Datagramm" entsteht. Dem fernzusteuernden Verbraucher ist ein spezieller Empfänger (Rundsteuerempfänger, siehe Abb. 1.01) vorgeschaltet, der die Impulstelegramme wieder aus dem Netz ausfiltert und daraus die gewünschte Steuerinformation ableitet.

Abb. 1.02: Rundsteuereinspeisewandler in einer 110/10 kV-Umspannanlage
Abb. 1.02: Rundsteuereinspeisewandler in einer 110/10 kV-Umspannanlage [2]

Die Sendeanlage besteht aus einer Sendezentrale, die in der Regel in der Netzleitstelle ihren Standort hat, der Übertragungseinrichtung zur Einspeisestelle, einem Rundsteuersender mit zugehörigem Kommandogerät am Ort der Einspeisung, sowie der Ankopplung an das Energieversorgungsnetz über einen Einspeisewandler [2]. Der Rundsteuerempfänger wertet alle von der Sendezentrale übermittelten Impulstelegramme aus und führt nur die an ihn gerichteten Schaltbefehle an seinen Schaltausgängen aus.
Kennzeichnend für die Rundsteuertechnik (auch Trägerfrequenzanlage (TFA) genannt) ist, dass die Kommunikation nur in eine Richtung, nämlich zum Verbraucher, stattfindet.

2. Drahtfunk

Abb. 2.01: Drahtfunkempfänger TeKaDe TKD DF34G
Abb. 2.01: Drahtfunkempfänger TeKaDe TKD DF34G [3]

Eine Verfeinerung der TFA-Technik stellt der sogenannte Drahtfunk oder Telefonrundspruch dar. Hierbei werden die bestehenden Strom- und Telefonleitungen zum Verbreiten von Rundfunkprogrammen genutzt. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die benötigten Sendeleistungen wesentlich geringer sind als bei einer Abstrahlung über Funkwellen. Wenige zehn Watt HF im Lang- oder Mittewellenbereich reichen aus um einen ganzen Stadtteil zu versorgen.
Drahtfunk war in Deutschland in den 30er bis in die späten 40er Jahre in größeren Städten weit verbreitet. Während des 2. Weltkrieges wurden oft die normalen Rundfunksender abgeschaltet, damit sie nicht von den anfliegenden Bombern der Alliierten als Navigationshilfe genutzt werden konnten. Die Information der Bevölkerung erfolgte dann über Drahtfunk.
Die Schweiz betrieb noch bis 1998 ein Drahtfunknetz über Telefonleitungen. Mit der Einführung von ISDN wurden aber die im Langwellenbereich übertragenen Drahtfunksignale von Oberwellen des ISDN-Signals so sehr gestört, dass der Drahtfunk aufgegeben werden musste.

3. Die " letzte Meile" mit PLC (Access Powerline)

Die "letzte Meile" in einem Versorgungsnetzwerk, also die Strecke von der Niederspannungsumspannstation ("Trafohäuschen") zum Zähler oder von der Vermittlungsstelle (DSLAM) zur Telefonanschlussdose des Endkunden, ist nur mit sehr viel Aufwand und hohen Kosten herzustellen. Mit dem Aufschwung der digitalen Kommunikation sind alte Telefonanschlüsse oftmals überfordert, da sie nicht die geforderte Übertragungsbandbreiten für die neuen Dienste, wie z.B. eine schnelle Internet-Anbindung, bieten können. Ein Ersatz der veralteten Infrastruktur ist aus bautechnischen oder Kostengründen jedoch manchmal nicht möglich. In solchen Fällen kann PLC das Mittel der Wahl sein um eine moderne Kommunikation zu ermöglichen.  
Viele Energieversorgungsunternehmen betreiben parallel zu ihrem Stromnetz ein eigenes Kommunikationsnetz. Dies benötigen sie vorrangig für die interne Kommunikation und zur Steuerung des Energienetzwerkes. Das Kommunikationsnetzwerk kann physisch als separate Kupferleitungen oder Glasfaser unter- oder oberirdisch ausgeführt sein. Die Anbindung des Kommunikationsnetzwerks an das Stromnetz erfolgt auf der Niederspannungsebene mit PLC-Wandlern.

Abb. 3.01: Internet über PLC
Abb. 3.01: Internet über PLC

Zur Übertragung der Daten wird der Frequenzbereich zwischen 1 und 30 MHz verwendet. Dabei sind Datenübertragungsraten bis zu etwa 200MBit/s möglich). Diese Bandbreite müssen sich alle an einen PLC-Wandler angeschlossenen Teilnehmer teilen. Die direkte Reichweite der PLC-Übertragung beträgt im günstigsten Fall ca. 300 Meter. Darüber hinaus müssen Verstärker bzw. Repeater eingesetzt werden.
Da die Impedanz des Stromzählers beim Teilnehmer den Datenstrom nicht durchlässt, ist diesem ein Splitter/Modem vorgeschaltet. Der Splitter filtert die HF des Datenstroms heraus. Das Modem dekodiert die hereinkommenden Daten und stellt sie an einem LAN-Anschluss (Ethernet RJ45-Buchse) bereit. Zu sendende Daten werden vom Modem kodiert und über die Stromleitung an den PLC-Wandler gesendet. Dieser leitet die Daten dann in das Kommunikationsnetzwerk oder den Internet-Backbone weiter.

Durch die Verwendung des Frequenzbereiches von 1 bis 30 MHz, der ja der Kurzwellen-Bereich ist, entstehen eine ganze Reihe von Problemen. Da das PLC-Signal doch mit recht hohen Pegeln übertragen wird und Stromleitungen nicht HF-geschirmt sind, entstehen hohe Störfeldstärken. Dieser "Elektro-Smog" stört in hohem Maße die umgebenen Funkverbindungen wie sie beim Amateurfunk und auch beim Militär eingesetzt wird. PLC auf der letzten Meile wurde daher von der Regulierungsbehörde mit hohen Auflagen versehen. Diese führten dazu, dass dieses klassische PLC  in diesem Bereich praktisch nicht mehr angeboten wird.

Neue Entwicklungen
Abb. 3.02: PLC-Signalkoppler und Modem eines induktiven Datenübertragungssystems
Abb. 3.02: PLC-Signalkoppler und Modem eines induktiven Datenübertragungssystems [6]

Ein neuer Ansatz um hohe Störstrahlpegel zu vermeiden ist die symmetrische Einkopplung des Datenstroms. Statt wie bisher das Signal auf einem Leiter/Phase mit hohem Pegel zu übertragen, können über spezielle Koppler mit einer differentiellen Signalübertragung auf zwei oder mehr Leitern bei wesentlich geringeren Pegeln mehrere Kilometer auf Mittelspannungsleitungen (10/20/30kV) überbrückt werden. Mit einer theoretisch möglichen Datenrate von 500 Mbit/s (auf der Basis von HomePlug AV2/IEEE1901) eignet sich dieses Verfahren besonders gut für die Errichtung von Smart Grids. Obwohl die Umstellung des Netzes wegen der teuren Hardware kostspielig ist, lohnt sie sich für die Energieversorgungsunternehmen (EVUs), da die Folgekosten gering sind und sie exklusiven Zugang zum Kommunikationsnetz haben ohne auf die Infrastruktur von fremden Kommunikationsanbietern (GSM-Netz, DSL-Netz…) abhängig zu sein. Erste Energieversorger führten diese Technik 2014 zur Steuerung ihres Netzes und zur Verbrauchserfassung bei ihren Kunden ein.

Theoretisch ist diese Technik auch zur DSL-Versorgung von privaten Haushalten (z.B. in abgelegenen Siedlungen) geeignet, wird aber aus Sicherheitsgründen von den EVUs nicht eingesetzt. (Quelle: Fa. Eichhoff http://www.smart-grid-eichhoff.de)

4. PLC im LAN (PowerLAN, PowerLine, HomePlug)

4.1. Übersicht

Abb. 4.02: PowerLAN-Adapter
Abb. 4.02: PowerLAN-Adapter [4]

Die Vernetzung von Computer und netzwerkfähigen Multimediageräten ist über eine Variante des PLC, dem PowerLAN, möglich. Auch hier ist das Ziel von PLC die bereits vorhandenen Stromleitungen im Haus zur Datenübertragung zu verwenden, damit keine zusätzliche Datenverkabelung notwendig wird. Mehrere Hersteller bzw. Organisationen von Herstellern haben hierzu mehrere, proprietäre Spezifikationen erstellt. Als das am Markt weitaus erfolgreichste Verfahren kann HomePlug betrachtet werden.  HomePlug wird von der HomePlug Alliance spezifiziert und propagiert. Die Mitglieder der HomePlug Alliance sind Hersteller von Consumer-Elektronik (LG, Sony, ...), Hersteller von Netzwerk-Equipment (Broadcom, Cisco, devolo, ...) und Halbleiterhersteller (Atheros, Maxim, Renesas, ...). HomePlug wird ständig weiterentwickelt und befindet sich zur Zeit (2011) in der dritten Generation.
Mit ihrem Standard HomePlug 1.0 hat die HomePlug Alliance 2001 den ersten Standard für Heimnetzwerke über Stromleitungen geschaffen, der von allen zertifizierten HomePlug-Geräten am Markt unterstützt wird. Die ursprüngliche Version von HomePlug 1.0 unterstützt Datenraten bis zu 14 MBit/s (brutto). Mehrere proprietäre Erweiterungen ("HomePlug Turbo") ließen die Datenrate bis auf 85 MBit/s steigen. Mit den Erweiterungen wurde HomePlug auch multimediatauglich, da nun auch einzelne Video-Streams störungsfrei übertragen werden konnten.
Eine weitere Steigerung der Datenrate erzielte das 2005 vorgestellte HomePlug AV, das explizit auf die Übertragung von digitalen Multimedia-Streams hin optimiert wurde. Bei einer Bruttodatenrate von bis zu 200 MBit/s können unter UDP bis zu 90 MBit/s (unter TCP: 68 MBit/s) netto (= inkl. Protokoll-Header) übertragen werden. Damit können auch mehrere HD-Video-Streams gleichzeitig ruckelfrei gestreamt werden.

Abb. 4.01: Im PowerLAN sind die Teilnehmer über Adapter verbunden
Abb. 4.01: Im PowerLAN sind die Teilnehmer über Adapter verbunden

4.2. Installation

Die Installation eines HomePlug-Netzwerks ist sehr einfach. Jede Station im Netzwerk wird über einen Adapter, der in die nächste Wandsteckdose gesteckt wird, und einem normalen LAN-Kabel angeschlossen. Ehe die HomePlug-Adapter aber Daten untereinander übertragen können, müssen sie erst einmal feststellen, welche anderen Adapter im selben Stromnetz existieren. Jeder Adapter erkennt die anderen Adapter anhand ihrer physikalischen MAC-Adresse, die ja für jedes Gerät einzigartig ist. Damit die Geräte sich auch auf der logischen Ebene erkennen können, haben sie ein gemeinsames (Default-) Netzwerkkennwort ("HomePlug"), das im Adapter gespeichert ist.
Alle Geräte mit gleichem Kennwort befinden sich im gleichen logischen Netz und können Daten untereinander austauschen. Das Kennwort dient mit als Schlüssel zur Datenverschlüsselung. Da die Adapter Daten, die mit einem anderen Kennwort verschlüsselt sind nicht entschlüsseln können, grenzt ein Kennwort eine Gruppe von HomePlug-Adaptern gegenüber anderen HomePlug-Adaptern auf dem gleichen Stromnetz ab. So können in einem Stromnetz mehrere voneinander logisch unabhängige PowerLine-Netze aufgebaut werden.

Achtung Sicherheitsrisiko!

"Jungfräuliche" HomePlug-Adapter haben immer das Default-Kennwort "HomePlug" als Schlüssel. Wird dieser Schlüssel bei der Installation nicht geändert, kann jeder neu hinzukommende Adapter auf das Netzwerk zugreifen! Daher sollte in Netzen mit Bedarf an Abgrenzung (z.B. Wohngemeinschaft) unbedingt nach der Erstinstallation und Funktionstest des Netzwerks ein neues Kennwort vergeben werden! Dieses kann entweder durch Drücken der Taste "Encryption"/"Verschlüsseln" oder mit einer auf dem PC des Netzadministrators installierten Konfigurationssoftware vorgenommen werden.

Prinzipielle Vorgehensweise zur Erstkonfiguration mit Encrypt/Verschlüsseln-Taste:

  • Alle Adapter nebeneinander in eine Steckerleiste stecken. Der Computer darf nicht in die gleiche Steckerleiste eingesteckt sein! Einen Adapter mit dem Computer verbinden, ggf. einen zweiten Adapter mit dem DSL-Router verbinden.
  • Warten bis sich die Adapter gefunden haben (LEDs müssen entsprechend der Bedienungsanleitung leuchten). Verbindung testen (z.B. ins Internet gehen).
  • Bei allen Adaptern innerhalb der von der Bedienungsanleitung vorgegebenen Zeit (meist 1-2 Minuten) kurz die Encrypt/Verschlüsseln-Taste drücken (Abb. 4.04).
  • Warten bis sich die Adapter wieder gefunden haben. (LEDs müssen entsprechend der Bedienungsanleitung leuchten).
  • Adapter in die endgültigen Steckdosen stecken und mit den Stationen verbinden. 

Konfiguration über Software bei mehreren logischen Netzen:

  • Konfigurationssoftware auf Administrator-PC installieren
  • Alle Adapter nebeneinander in eine Steckerleiste stecken. Einen Adapter mit dem Computer verbinden, einen zweiten Adapter mit dem DSL-Router verbinden.
  • Software starten und den Netzwerkadapter auswählen (Abb. 4.03 "1.") und das Netzwerk scannen. Der richtige Adapter kann ggf. mit  dem Befehl "ipconfig /all" in der Eingabeaufforderung (Kommandozeile) von Windows herausgefunden werden.
  • Neuen Netzwerknamen für die entsprechenden Adapter vergeben (Abb. 4.03 "2.").
  • Gegebenenfalls müssen vor der Eingabe des neuen Netzwerknamens für jeden Adapter, der nicht mit dem PC über ein Netzwerkkabel verbunden ist (=Remote), die gerätespezifischen Passworte eingetragen werden ("3."). Passwort (herstellerabhängig: DEK = Default Encryption Key/ DAK=Data Access Key) und MAC-Adresse sind auf dem Aufkleber eines jeden Adapters aufgedruckt.
Abb. 4.03: HomePlug-Konfigurationssoftware (Zyxel)
Abb. 4.03: HomePlug-Konfigurationssoftware (Zyxel)
Abb. 4.04: Encryption / Verschlüsseln-Taste
Abb. 4.04: Encryption / Verschlüsseln-Taste
Abb. 4.05: Aufkleber mit Gerätedaten
Abb. 4.05: Aufkleber mit Gerätedaten

Ein HomePlug-Adapter kann bis zu 14 MAC-Adressen anderer Adapter in einer Liste speichern. Somit können sich in einem logischen HomePlug-Netz bis zu 15 Adapter befinden, die direkt angesprochen werden können. Kommt ein weiterer Adapter hinzu, wird der älteste Eintrag in der Liste durch die MAC-Adresse des neuen Adapters ersetzt. Dieser Vorgang benötigt einige Zeit und verzögert die Datenübertragung. Passiert so etwas ständig, kann die Datenrate einbrechen. Daher sollten logische Netze möglichst nicht mehr als 15 Teilnehmer haben. Größere Netze, sollten wenn möglich, in mehrere kleine aufgeteilt werden. Ein physisches Netz kann aus maximal 253 Adaptern bestehen. Da aber alle das selbe Medium benutzen, sollten, unabhängig von der Anzahl der logischen Netze, nicht mehr als 10 Adapter gleichzeitig Daten übertragen.

4.3. Funktionsweise

Die Elektroinstallation in einem Gebäude ist bekanntermaßen ja nur für die Verteilung von elektrischer Energie mit einer Netzfrequenz von 50Hz bzw. 60Hz vorgesehen. Die Nutzung dieses "Mediums" zur Kommunikation mit höheren Frequenzen birgt etliche technische Probleme.
Gewöhnlich sind in einem Gebäude unterschiedliche Leitungstypen, die mit unterschiedlichen Lasten bzw. Impedanzen "abgeschlossen" sind, zu finden. Solch ein Netzwerk hat ein frequenzabhängiges Amplituden- und Laufzeitverhalten, das sich, auch noch abhängig von der Zeit und veränderlichen Lasten, in weiten Bereichen verändern kann. Powerline-Netzwerke werden auch durch interne und externe Störsignale stark beeinflusst. Phasenanschnittsteuerungen in Dimmern, Schaltnetzteile und die Bürsten von Elektromotoren erzeugen Störspannungen, die auch noch wegen der Dämpfung des Kabels von Ort zu Ort unterschiedlich stark sind. Einstrahlungen, wie sie durch Amateurfunk entstehen können, wirken sich ebenfalls störend auf die bei der Datenübertragung verwendeten Frequenzen aus.
Bei solchen unvorhersehbaren Voraussetzungen muss sich ein Kommunikationssystem an das jeweilige Umfeld stark anpassen können. Um dieses zu erreichen kombiniert HomePlug eine adaptive, robuste Übertragungstechnik mit hocheffektiven Fehlerkorrekturverfahren.

HomePlug Bitübertragungsschicht

Wie bei vielen digitalen Übertragungsverfahren (DSL, DVB, WLAN, ...) kommt auch bei HomePlug OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) zum Einsatz. Bei diesem Mehrträgerverfahren werden, statt einem einzelnen Träger, 84 (HomePlug AV:1155) Träger im Frequenzbereich von 4,5-21 MHz (HomePlug: 2-30MHz) gleichzeitig moduliert.Ein Teil der Träger wird allerdings unterdrückt (maskiert) um Interferenzen mit dem Amateurfunk usw. zu vermeiden. Zeitlich aufeinander folgende Daten werden in Streams mit niedriger Datenrate auf eine große Anzahl von Trägern verteilt.

Das Verteilungsmuster soll dazu führen, die Auswirkungen auch von zeitlich länger anhaltenden Störungen einzelner oder auch einer Gruppe benachbarter Träger so auf den seriellen Datenstrom im Empfänger zu verteilen, dass eine Korrektur möglichst bereits durch einen bitweise arbeitenden internen Fehlerschutz erreicht werden kann. Für die Modulation der einzelnen Träger kann, abhängig von der Verbindungsqualität, DBPSK (Differential Bit Phase Shift Keying), DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) (HomePlug AV zusätzlich: 16/64/256/1024- QAM (Quadrature Amplitude Modulation)) verwendet werden (Abb. 4.06). Welches Modulations-verfahren und welche Träger bei einer Verbindung zwischen zwei Adaptern eingesetzt wird, wird ständig anhand der Fehlerrate überwacht. Stark gestörte Träger werden gegebenenfalls abgeschaltet.

Abb. 4.06: Spektrum HomePlug AV
Abb. 4.06: Spektrum HomePlug AV

Bestimmte Informationstypen, wie Broadcast Pakete, können mit diesem Verfahren (Channel Adaptation = Kanalanpassung) nicht ausreichend sicher übertragen werden. Stattdessen wird hierzu eine spezielle Modulationsart (ROBO = ROBust OFDM), die eine DBPSK mit einer sehr starken Fehlerkorrektur und einer mehrfachen Bit-Wiederholung in Zeit und Frequenz verbindet, eingesetzt. ROBO-Frames werden auch als "Messfühler" für die Kanalanpassung verwendet.

HomePlug Sicherungsschicht (Media Access Control)

Heimnetzwerke müssen in der Lage sein eine Vielzahl unterschiedlicher Übertragungsprotokolle zu beherrschen, um Anwendungen wie z. B. einfachen Filetransfer oder QoS (Quality of Service) -forderndes Streaming oder VoIP unterstützen zu können. Zur nahtlosen Integration solcher  setzt HomePlug weitestgehend auf den Standard IEEE802.3 auf, in dem die Eigenschaften von Ethernet beschrieben werden. Vor der Übertragung über die Stromleitung ergänzt HomePlug Ethernet-Frames mit Verschlüsselung und Management-Informationen.

Homeplug verwendet zwei unterschiedliche Frame-Typen. Ein Long Frame besteht aus einem Start-Separator (Start of Frame (SOF) Delimiter), den Nutzdaten und dem End-Separator (EOF= End of Frame). Ein Short Frame besteht aus einem Antwort-Separator (Response Delimiter) und dient als Teil der Stop-und-warte-Funktion beim Automatic Repeat Request (ARQ = automatische Wiederholungsanfrage). Ein ARQ löst die erneute Übertragung von beschädigt empfangenen (und verworfenen) Datenpaketen aus.

Abb. 4.07: Struktur der HomePlug Frames
Abb. 4.07: Struktur der HomePlug Frames

Die Separatoren (Delimiter) sind besonders robust kodiert und können wegen der Bandbreitenspreizung sogar bei Pegeln von einigen dB unter dem Grundrauschen sicher detektiert und dekodiert werden. Sie enthalten u.a. Timing-Informationen, die zur Synchronisation dienen. Das Frame Control-Feld des SOF-Delimiters enthält Informationen über den Typ, Priorität und Länge des Frames und ein Index für die Kanalanpassung. Das Frame Control-Feld des EOF-Delimiters enthält weitere Informationen über den Typ des Frames, eine Wiederholung einiger Daten des SOF-Delimiters und die Priorität des jeweiligen Frames. Mit den Informationen im Frame Control-Feld des Response Delimiters kann ein positives oder negatives Acknowledge oder eine Fehlermeldung wegen mangelnder Ressourcen an den Sender der Daten zurückgemeldet werden.
In den 17 Bytes des Frame-Headers des Nutzdatenfelds stehen die Absenderadresse, die Zieladresse des Frames und Informationen über eine eventuelle Segmentierung der Quellinformation. Wenn ein Ethernet Frame nicht komplett in ein HomePlug Frame passt, wird es aufgeteilt. Dies ist notwendig, weil die maximale Länge in einem Long Frame auf 160 Symbole ( ca. 1,3 ms) begrenzt ist.
Anhand der 2 Byte langen Frame Check Sequence (FCS) können im Empfänger nicht korrigierte Fehler im Nutzdatenfeld erkannt werden.

Wie beim Ethernet und beim WLAN müssen sich alle Teilnehmer in einem physischen Netz das Übertragungsmedium teilen ("Shared Medium"). Dieses begrenzt die Datenratenübertragungsrate, weil immer nur ein Teilnehmer zur Zeit das Medium benutzen kann. Kollisionen von Datenpaketen, die gleichzeitig von zwei oder mehr Stationen abgeschickt werden sind daher unvermeidlich. Um solche Kollisionen zu erkennen und zu vermeiden wird bei HomePlug 1.0 eine Variante des Protokolls CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) eingesetzt. Bei diesem Verfahren hört eine Station bevor sie  sendet zunächst die Leitung ab, um festzustellen, ob nicht schon ein Datenverkehr zwischen anderen Stationen stattfindet. Erst bei freier Leitung wird gesendet und auch während der Sendung wird mitgehört, um festzustellen, ob eine Kollision mit einer Station auftritt, die zufällig zum gleichen Zeitpunkt mit dem Senden begonnen hat (Collision Detect). Wurde eine Kollision bemerkt, wird sofort die Aussendung von Datenpaketen beendet. Ein Zufallsgenerator bestimmt dann denn Zeitpunkt wann wieder gesendet werden darf.

HomePlug AV kann zusätzlich ein TDMA- (Time Division Multiple Access-) Protokoll eingesetzen, das jedem HomePlug AV-Adapter ein fest vorgegebenes, periodisches Zeitfenster zur Datenübertragung auf dem Medium  zuweist. Hierdurch kann jedem Adapter, abhängig vom jeweils aktiven Dienst, eine feste Übertragungsbandbreite garantiert (QoS = Quality of Service) werden, was sich besonders bei Echtzeitanwendungen und beim Streaming positiv auf eine konstante Datenübertragungsrate auswirkt.
Möglich ist diese Zuweisung, weil es beim HomePlug AV einen übergeordneten Central Coordinator (CCo) gibt, der in periodischen Abständen ein Bakensignal aussendet. Das Bakensignal ist mit der Phasenlage der Netzwechselspannung fest verknüpft und synchronisiert die anderen Adapter in einem HomePlug AV-Netzwerk.

Abb. 4.08: Synchronisation des HomePlug AV-Netzes mit der Netzwechselspannung
Abb. 4.08: Synchronisation des HomePlug AV-Netzes mit der Netzwechselspannung

Im Prinzip kann jeder HomePlug AV-Adapter in einem HomePlug AV-Netzwerk die Funktion des CCo übernehmen. Maßgeblich ist lediglich der Zeitpunkt der Aktivierung des Adapters. Der zuerst eingesteckte Adapter eines logischen Netzwerk übernimmt immer diese Funktion. Verlässt der Adapter das Netz wird über abgestimmte Protokolle automatisch ein Nachfolger bestimmt.

4.4. Datenraten

HomePlug 1.0

Datenraten können können in mehreren Schichten gemessen werden. Da von Schicht zu Schicht immer mehr Header und Metadaten ("Protocol Overhead") an die Nutzdaten zugefügt werden, sinkt die Datenrate je mehr man in die höheren Protokollebenen kommt. Zu unterscheiden sind hier z.B.:

  • Übertragungsschicht (OSI-Layer 1/Physical Layer): Dies ist die Datenrate mit der Daten als Nutzdaten in einem HomePlug-Frame übertragen werden.
  • Sicherungsschicht (OSI-Layer 2/MAC-Schicht): Dies ist die Datenrate mit der die Daten eines Ethernet-Frames übertragen wird.
  • Transportschicht (OSI-Layer 4/TCP-Layer): Dies ist die Datenrate der Nutzdaten in einem TCP-Frame.
Tab. 1: Abhängigkeit Schicht/Datenrate
Tab. 1: Abhängigkeit Schicht/Datenrate

Wie schon zuvor festgestellt wurde, können HomePlug-Netzwerke unter völlig unterschiedlichen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Diese Umgebungsbedingungen (Frequenzgang der Elektroinstallation, Störquellen, ...) bestimmen ausschließlich den in HomePlug-Netzwerken erreichbaren Datendurchsatz. Ausschlaggebend ist die Anzahl der Träger der OFDM, die zur Übertragung verwendet werden können, welche Modulationsart gewählt werden kann und welches Kodierungsverfahren zur Fehlerkorrektur (FEC = Forward Error Correction) eingesetzt werden muss. Tabelle 2 zeigt die Abhängigkeit der Datenrate allein von der Fehlerkorrektur. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass alle 84 Träger benutzt werden können. Können nicht alle Träger benutzt werden sinkt die Datenrate proportional.

Tab. 2: Abhängigkeit Fehlerkorrektur/Datenrate (HomePlug 1.0)
Tab. 2: Abhängigkeit Fehlerkorrektur/Datenrate (HomePlug 1.0)

 

HomePlug AV

Tab. 3: Zusammenhang zwischen Modulation und Datenrate
Tab. 3: Zusammenhang zwischen Modulation und Datenrate

Von den insgesamt 1155 Trägern, die bei HomePlug AV zur Verfügung stehen, können wegen der Maskierung der Amateurfunkfrequenzen nur 917 Träger zur Datenübertragung verwendet werden. Da unter halbwegs normalen Bedingungen bei HomePlug AV nur ein Typ von Fehlerkorrektur (Turbo Convolution Code) eingesetzt wird, ist die Datenrate nur von der Anzahl der verwendbaren Träger und der verwendeten Modulationsart abhängig. Beide Faktoren sind wiederum von der Verbindungsgüte abhängig. Daher kann die Datenrate zwischen 20 und 200MBit/ schwanken. Bei extrem schlechten Verbindungen wird die ROBO-Kodierung verwendet, was die Datenrate auf 4 bis 10 MBit/s sinken lässt. 
Tabelle 3 zeigt die Datenmengen, die ein einzelner Träger bei den unterschiedlichen Modulationsarten gleichzeitig übertragen kann.

Abb. 4.09: QPSK und 1024 QAM im Vergleich
Abb. 4.09: QPSK und 1024 QAM im Vergleich

4.5. Reichweiten

Die Reichweite von Powerline Communication wird von zwei Parametern  beeinflusst: Sendeleistung und akzeptabler Störstrahlung. Mit dem Erhöhen der Sendeleistung erhöht sich natürlich auch die abgegebene Störstrahlung. Hierzu gibt es gesetzliche Vorschriften, die es einzuhalten gilt. Die für HomePlug erlaubten Grenzwerte reichen aus, um unter idealen Bedingungen Reichweiten von über 200 Metern zu erzielen, was für eine Anwendung in einem privaten Haushalt mehr als ausreichend wäre. Nur herrschen in keinem Haus ideale Verhältnisse. Neben der Dämpfung der Leitungen und den von den angeschlossenen Elektrogeräten erzeugten Störspannungen spielt auch die Struktur der Verkabelung eine wichtige Rolle.

Abb. 4.10: PLC-Phasenkoppler
Abb. 4.10: PLC-Phasenkoppler [5]

HomePlug überträgt seine Signale auf nur einer Phase. In den meisten Häusern jedoch sind die Elektroinstallationen so ausgelegt, dass verschiedene Bereiche, Räume oder Etagen über unterschiedliche Phasen versorgt werden. Da der Stromzähler, wie auch FI-Schalter, für HomePlug-Signale unüberwindbare Sperren sind,  kann eine Datenverbindung über Phasen hinweg nur durch ein induktives Übersprechen des HomePlug-Signales in die anderen Phasen zustande kommen. Dieses geschieht dort, wo die Leitungen aller drei Phasen parallel verlaufen, z.B. im Verteilerkasten und in den Zuleitungen zu E-Herd oder Durchlauferhitzer. Das übersprechende Signal ist dabei aber einer so hohen Dämpfung unterworfen, dass die Verbindungsqualität darunter leitet, was im günstigsten Fall nur zu einer niedrigeren Datenrate führt. In extremen Fällen kann dann nur der Einbau eines Phasenkopplers helfen, der das Signal kapazitiv in die anderen Phasen einkoppelt.

Der Einbau eines Phasenkopplers darf nur von einem Fachmann vorgenommen werden!

Neben Stromzählern und FI-Schaltern erzeugen auch Steckerleisten mit Verlängerungskabel  oder Überspannungsschutz eine hohe Dämpfung für das HomePlug-Signal. Ein gleichzeitiger Betrieb von Computer und HomePlug-Adapter an einer solchen Stromversorgung ist praktisch nicht möglich, weil das Schaltnetzteil des Computers über das Netzkabel ein sehr hohes Störsignal rückwärts ins Netz einstrahlt, das das Powerline-Signal praktisch bis zur Unkenntlichkeit zerstört. Computer und Adapter sollten nach Möglichkeit immer direkt an zwei getrennten Wandsteckdosen angeschlossen werden.

4.6. Sicherheit

Da die Möglichkeit besteht, z.B. in Mehrfamilienhäuser, dass HomePlug-Signale auch über die Grenzen des Wohnungsbereiches eines Benutzers hinaus zu empfangen sind, dürfen keine unverschlüsselten Rohdaten übertragenen werden, damit sie vertraulich bleiben und so die Privatsphäre gewahrt bleibt. Dies wird bei HomePlug dadurch erreicht, dass mittels Verschlüsselung logische Netze eingerichtet werden.
Bei HomePlug 1.0 wird das symmetrische Verschlüsselungsverfahren DES (Data Encryption Standard) eingesetzt, das mit 56-Bit langen Schlüsseln arbeitet. Das DES-Verfahren gilt seit einigen Jahren allerdings als kompromittiert, sodass von den Herstellern oft proprietäre Varianten (z.B. DESpro von devolo) eingesetzt werden. HomePlug AV verwendet zur Verschlüsselung das modernere AES (Advanced Encryption Standard) mit 128-Bit -Schlüsseln. AES wird als sicher betrachtet.
Jede HomePlug-Station verfügt über eine Tabelle von Schlüsseln und die dazugehörigen Schlüsselauswahlwerte (EKS = Encryption Key Select). Die EKS-Werte dienen als Index oder Kennung für die Schlüssel. Wird ein HomePlug-Frame gesendet wird der Frame Body (siehe Abb. 4.07) mit einem Schlüssel aus der Tabelle verschlüsselt und der zum Schlüssel gehörige EKS wird im Frame Header mit übertragen. Zur Entschlüsselung verwendet die empfangene Station den EKS um aus der eigenen Schlüsseltabelle den richtigen Schlüssel zu wählen.
Alle Übertragungen in einem HomePlug-Netzwerk sind zusätzlich über einen gemeinsamen Netzwerkschlüssel (NEK = Network Encryption Key), der bei der Installation als Netzwerkname festgelegt wird, geschützt. Um an der Kommunikation in einem Netzwerk teilnehmen zu können, muss ein Adapter also NEK und EKS, bzw. die Kombination daraus,  des Netzwerks kennen. Um einer neuen Station diese Informationen  zu übermitteln, wird bei der Installation der gerätespezifische DEK  (Default Encryption Key) des neuen Adapters zum Verschlüsseln der Übertragung eingesetzt.

4.7. Varianten und Weiterentwicklungen

HomePlug AV2

Geräte nach der HomePlug AV2-Spezifikation von 2011 sind seit 2013 im Markt. Mit Homeplug AV 2 kann eine theoretische Datenrate von bis zu 1 GBit/s (auf PHY-Layer) erreicht werden. Praktisch sind, unter idealen Bedingungen, bis zu 600 MBit/s bzw. 750 MBit/s zu erzielen. Damit sollen bandbreitenintensive Anwendungen wie das Streamen von mehreren parallelen HD-Signalen, IPTV in mehreren Räumen oder Online Gaming mit geringer Latenzzeit möglich sein.

HomePlug AV2 ist rückkompatibel und interoperabel zu HomePlug AV1, HomePlug Green PHY und IEEE1901 konformen Geräten. Eine leichte Aufrüstung bzw. Erweiterung bestehender HomePlug-Netze ist somit gewährleistet.

Die beträchtliche Steigerung des Datendurchsatzes beruht auf mehreren Neuerungen:

Erweiterung des Frequenzspektrums

Der von HomePlug AV1 verwendete Frequenzbereich von 2 bis 30 MHz wird bei HomePlug AV2 auf 86 MHz erweitert. Damit kann die Anzahl der Träger von 917 (HomePlug AV1) auf 3455 erhöht werden. Der Abstand zwischen den Trägern beträgt jeweils 24,414 kHz. Zur Modulation wird eine 4096-QAM unter OFDM verwendet.

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)

Die HomePlug AV2-Spezifikation beinhaltet auch eine MIMO-Funktionalität, die es erlaubt mehrere Datenströme unabbhängig voneinander zu übertragen. Hierzu verfügt jeder HomePlug-Adapter zwei voneinander unabhängige Sender und vier Empfänger. Übertragt HomePlug AV1 die Daten nur über den Neutralleiter, kann HomePlug AV2 paarweise alle drei Leitungen (Neutral-, Phase- und Masseleitung) nutzen. Dabei bestehene parallele Verbindung über Phase und Neutralleiter (Abb 4.11 (1)) sowie Phase und Masseleiter (2) oder Neutralleiter und Masseleiter (3). Die Kommunikation via Phase und Neutralleiter stellt zudem die Kompatibilität zu früheren Powerline-Generationen sicher. Die Datenübertragungsrate jedes Datenstrom kann an die Eigenschaften des jeweiligen Übertragungsweges angepasst werden ("Beamforming").

Abb. 4.11: MIMO Sende- und Empfangsoptionen bei HomePlug AV2.
Abb. 4.11: MIMO Sende- und Empfangsoptionen bei HomePlug AV2.
High Efficiency PHY Protocol Data Unit Structure(PPDU)

HomePlug AV2 verfügt über eine hocheffiziente physische Paket-Struktur, das Latenzzeiten verringert. Durch die Verringerung des Datenoverheads wird, gerade bei hohen Datenraten, die Netzwerkeffizienz erhöht.

Energiespar-Modi

Eine weitere Verbesserung ist die Energieeffizienz wenn sich das Gerät im Standby-Modus befindet. Jede Station in Standby hat ein definiertes, vom Bakensignal synchronisiertes Zeitfenster, in dem sie kurz "aufwacht" (= "Awake Window") und eine Kommunikation aufbauen kann. Unter den Stationen werden Managementbefehle ausgetauscht, sodass alle Stationen wissen, wann welche Station verbindungsbereit ist.

 

HomePlug Green PHY

HomePlug GP setzt auf die Technik von HomePlug AV auf, ist aber im Prinzip nur eine stark abgespeckte Variante. HomePlug GP wurde entworfen um den Anforderungen des Smart Grid (Intelligentes Stromnetz) zu entsprechen. In Haushaltsgeräte integriert, sollen über ein Heimnetzwerk Zählerstände, Thermostate oder der Ladezustand des Akkus des Elektroauto usw. abgelesen und beeinflusst werden können. Hierzu sind keine großen Datenmengen zu transportieren; es stehen niedrige Produktionskosten und eine niedrige Leistungsaufnahme des Systems im Vordergrund.
HomePlug GP verwendet ausschließlich QPSK als Modulation und kommt damit auf etwa 10 MBit/s. Die Leistungsaufnahme beträgt nur ein Viertel der eines herkömmlichen HomePlug AV-Adapters.

HomePlug Access BPL

Homeplug "Access Broadband Power Line" ist in Zusammenarbeit mit Stromversorgern entstanden, die über das Hauskabel eine Breitbandanbindung den Haushalten anbieten wollen.

CoaxLine

CoaxLine verwendet als Übertragungsmedium nicht die Stromleitungen eines Hauses, sondern die Koaxial-Leitungen der TV-Signalverteilung. Die Funktionsweise beruht auf HomePlug AV und hat auch deren Leistungsdaten. Vorteilhaft ist, dass das Medium abgeschirmt ist und somit keine Störstrahlung von den Leitungen ausgeht. Auch können aufgrund der besseren Leitungsqualität des Koaxialkabels größere Distanzen (bis zu 700 Meter) überwunden werden.
Nachteilig ist, dass das PLC-Signal in Kabelanlagen eventuell den Rückkanal von Breitbanddiensten stören kann.

4.8. Kompatibilität 

HomePlug-Produkte sind auf Kompatibilität getestet und sind nach den HomePlug-Spezifikationen und den IEEE1901 Powerline-Standards zertifiziert. Alle Geräte, auch unterschiedlicher Hersteller, mit dem HomePlug-Zertifikat können miteinander kommunizieren, nicht aber mit mit Geräten, die auf anderen Powerline-Technologien (wie z.B. HD-PLC, das in Japan sehr verbreitet ist) basieren.
HomePlug 1.0 ist nicht kompatibel zu HomePlug AV. HomePlug AV-Adapter sind meist rückwärtskompatibel zu HomePlug 1.0, können dann allerdings nur die Datenübertragungsraten von HomePlug 1.0 erzielen.
HomePlug AV, HomePlug GP und HomePlug AV2 ist kompatibel untereinander und zu Geräten nach IEEE1901.

4.9. Technik

Wie ein HomePlug-Adapter aufbaut ist, soll an dieser Stelle anhand des HomePlug AV-Chipsatzes  von Atheros vorgestellt werden. Dieser Chipsatz besteht aus zwei Integrierten Schaltungen, dem Media Access Controller (MAC) mit PHY INT6400 und dem Analog Frontend-/Treiberbaustein INT1400.

Abb.4.12: Blockbild eines HomePlug AV-Adapters
Abb.4.12: Blockbild eines HomePlug AV-Adapters

Herz des Media Access Controllers ist ein embedded 32-Bit RISC-Prozessor ARM926EJ-S, der unter einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS) mit einer dedizierten MAC-Firmware läuft. Unterstützt von einer DMA- (Direkt Memory Access-) Hardware hat die CPU schnellen Zugriff auf das externe SDRAM, der als Zwischenspeicher für die zu übertragenden Datenpakete dient. Als interner Arbeitsspeicher dient ein Onchip-SRAM.
Über ein I/O-Interface werden die Status-LEDs angesteuert und der Encrypt/Verschlüssel-Taster abgefragt. Der Transport der Datenpakete von und zu den physischen Interfaces (PHY) wird mittels mehrerer schneller interner Bussysteme vorgenommen.
Als Schnittstelle zum analogen Treiber-IC INT1400 dient für zu sendende Daten ein Digital-Analog-Wandler (DAC). Empfangene Daten kommen über ein Analog-Digital-Wandler (ADC) herein.
Im Treiber-IC befindet sich das TX-Filter, bestehend aus einem 30 MHz-Tiefpassfilter (LPF) und einem programmierbaren Treiberverstärker. Abhängig von der Verbindungsqualität kann die Verstärkung des Treibers in 2dB-Schritten auf bis zu 30dB gesteigert werden.
Empfangene Daten durchlaufen zunächst ein Bandpassfilter (BPF) um das Nutzsignal herauszufiltern. Ein nachfolgender programmierbarer Verstärker kann, abhängig von der Signalqualität, in 2dB-Schritten mit bis zu 60dB Verstärkung das Signal auf eine ausreichend hohe Amplitude bringen.
Die Einkopplung des HomePlug-HF-Signales in das Stromnetz erfolgt mit einem Transformator. Der von der Treiberstufe erzeugte Strom induziert auf der Sekundärseite des Trafos eine Spannung, die sich der 50 Hz-Wechselspannung überlagert. Der Trafo dient gleichzeitig auch der galvanischen Trennung des Adapters von der Netzspannung und sorgt somit für einen sicheren Berührungsschutz.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto "Abb. 1.01: Stromzähler mit Rundsteuerempfänger": Lizenz: GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)
Quelle: "Drehstromzaehler_01_KMJ.jpg" by KMJ at the German language Wikipedia http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADrehstromzaehler_01_KMJ.jpg

[2] Foto "Abb. 1.02: Rundsteuereinspeisewandler in einer 110/10 kV-Umspannanlage": Lizenz: Creative Commons http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
Quelle: "wandler_k.jpg" von Gerhard Kirmse http://www.rundsteuerung.de/

[3] Foto "Abb. 2.01: Drahtfunkempfänger TeKaDe TKD DF34G"
Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von radiomuseum.org - Gerd Gareiss

[4] Foto "Abb. 4.02: PowerLAN-Adapter"
Quelle: DEVOLO Pressefoto http://www.devolo.com/products/dLAN-Powerline/dLAN-500-AVplus/pictures/dLAN-500-AVplus-Bilder-de.zip

[5] Quelle: Mit freundlicher Genehmigung aus  "EICHHOFF Phasenkoppler Einbauanleitung -Kundeninfo--1.pdf"

[6] Foto "Abb. 3.02: PLC-Signalkoppler und Modem eines induktiven Datenübertragungssystems"
Quelle: Fa. Eichhoff, 36110 Schlitz (http://www.smart-grid-eichhoff.de)

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