Powerline-Kommunikation / Powerline Communications (PLC)
Powerline ist der Oberbegriff für die Übertragung von Daten über Stromkabel. Dabei werden die stromführenden Kabel dazu genutzt, um parallel zur Energieversorgung auch noch Daten zu übertragen. Powerline Communications (PLC) ist auch unter dem Begriff Digital Powerline (DPL) bekannt.
Das 230V-Netz wird schon sehr lange für die Datenkommunikation genutzt:
- hausinterne Gegensprechanlagen
- Babyphones
- Einfache Fernsteuerungen oder vernetzte Industrie-Bussysteme mit Übertragungsgeschwindigkeiten von 300 bis 4800 Bit/s.
- Inhouse Netzwerk bis 200 MBit/s
Durch die große Nachfrage nach Breitband-Internet-Zugängen wurde neben DSL, Satellit und Kabelnetz (TV) auch mit der Stromleitung experimentiert. Die Stromversorgungsunternehmen sahen die Chance ihre Stromleitungen zu den Endverbrauchern für die Datenübertragung zu nutzen. Viele tausende Kilometer Stromkabel versorgen jeden Haushalt mit Energie.
Für die Energieversorger wäre das die Möglichkeit Internet über jede Stromsteckdose anbieten zu können. Die Übertragung von Sprache und Daten über die Stromleitung ist auch deshalb von sehr starkem Interesse geworden, weil das Stromnetz als sogenannte "letzte Meile" zum Netz der Deutschen Telekom eine Alternative darstellte.
Die Datensignale, zum Beispiel aus dem Internet, werden im Trafohäuschen eingespeist und von dort über das öffentliche Stromnetz bis zu den Häusern übertragen. Dort werden die Signale vor dem Stromzähler abgegriffen und nach dem Stromzähler wieder in das Hausnetz eingespeist
Schon seit den 30er Jahren übertragen die Energieversorger in ihren Hochspannungsnetzen Steuersignale. Und vor der Liberalisierung des Telekommunikationsmarktes war es den Energieversorgungsunternehmen (EVU) erlaubt eigene Daten- und Kommunikationsnetze zu verlegen und zu betreiben. Die Nutzung blieb aber nur den EVUs selber vorbehalten. Die Technik dahinter ist die Trägerfrequenztechnik auf Hochspannungsleitungen (THF) die immer noch verwendet wird. Auf Mittelspannungsleitungen wird die Tonfrequenz-Runsteuertechnik (TRT) verwendet, um Stromzähler zwischen Tag- und Nachttarif umzuschalten.
Die CENELEC-Norm
Grundsätzlich sind die Stromnetze nur zur Energieverteilung ausgelegt. Nach dem Fernmelderecht ist das nutzbare Frequenzspektrum auf 3 bis 148,5 kHz (Cenelec-Band) eingeschränkt. Außerdem darf der Sendepegel 5 mW nicht überschreiten.
| CENELEC-Band | Frequenzbereich | Nutzer |
| - | 3 - 9 kHz | Energieversorger |
| A | 9 - 95 kHz | Energieversorger |
| B | 95 - 125 kHz | Kundenanlagen |
| C | 125 - 140 kHz | Kundenanlagen |
| D | 140 - 148,5 kHz | Kundenanlagen |
Zum Schutz vor Störungen und zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit regelt die CENELEC-Norm EN 50065-1 die Kommunikation über Stromnetze im Frequenzbereich von 3 bis 148,5 kHz. Aus diesem Grund arbeiten alle Firmen, die Powerline im Megahertz-Bereich nutzen außerhalb der CENELEC-Normierung.
NB30 - Nationale Nutzungsbestimmung 30
Die NB30 ist seit 1.7.2001 in Kraft. Sie dient den Energieversorgern als Grundlage für Breitband-Angebote auf Basis der Powerline-Technik. Dort sind Grenzwerte festgelegt. Zum Beispiel, wie hoch die maximale Leistung sein darf, die vom Kabel abgestrahlt werden darf. Funkamateure und die Vertreter der Sicherheitsbehörden (Polizei, Feuerwehr, Militär) sehen die Grenzwerte als zu hoch an und befürchten die Beeinträchtigung ihrer Funkverbindungen, wenn Powerline flächendeckend eingeführt werden sollte.
Zum Vergleich sind die Grenzwerte in Großbritannien um das 10-fache niedriger. Die Grenzwerte liegen dort in einem Bereich, wo es nachweislich zu keinerlei Problemen mit Funkdienste kommen kann. Das hatte aber zur Folge, dass alle Powerline-Bemühungen dort schon sehr früh eingestellt werden mussten.
Grundsätzliche Überlegungen zur Powerline-Technik
Jeder der sich mit Datenübertragung und die dafür ausgelegten Kabel (Telefon- und Netzwerkkabel) auskennt, weiß, dass diese Kabel grundsätzlich geschirmt sind. Hinzu kommt noch, dass die Kabelenden entweder ein Endgerät aufweisen oder terminiert bzw. abgeschlossen sind, wenn eine Station innerhalb des Kabelstrangs platziert ist. Der Grund ist einfach. An Kabelenden treten Signalreflexionen auf. Dadurch entstehen Mehrwegeausbreitung und Vielfachechos des Signals. Das Stromkabel ähnelt deshalb einer Funkstrecke.
Bei der wissenschaftlichen Untersuchung des dreiphasigen Stromkabels (L, N, PE) wurden Parallelen zum Koaxial-Kabel gefunden. Hierbei wurde auch herausgefunden, dass die besten Übertragungseigenschaften dann erreicht werden, wenn die Netzenden, wie bei Netzen mit Koaxial-Kabel üblich, terminiert werden.
Anstatt das Nutzsignal vor Störsignalen mit aufwendigen Verfahren zu schützen, wird das Netz vor den Störpunkten geschützt. Auf diese Weise lässt sich eine Netzstruktur schaffen, deren physikalische Eigenschaften bekannt sind.
Um Powerline einsetzen zu können sind zusätzliche Installationen notwendig. Es muss ein Filter in die Stromverteilerkästen eingebaut werden. Danach kann störungsfrei das vorhandene Stromnetz zu Kommunikationszwecken eingesetzt werden. Leider macht es diese Verfahren erforderlich das gesamte Stromnetz umzubauen. Die Investitionskosten für diese Erweiterungen wären kaum bezahlbar gewesen.
Grundsätzliche bekannte Probleme
Alle Kabeltypen, die für die Datenübertragung genutzt werden, haben eines gemeinsam. Sie wurden entwickelt, um möglichst störungsfreie Signale zu übertragen. Die innen liegenden spannungsführenden Adern sind mit einem metallischen Mantel umgeben, der an beiden Kabelende geerdet bzw. mit der Masse verbunden ist. Ungeschirmte Kabel hätte sie zu Antennen gemacht. Und zwar in beide Richtungen. Werden Signale mit hoher Frequenz übertragen, dann strahlt ein Teil der Energie ab. Anders herum nimmt das Kabel auch Energie auf. Der metallische Schirm verhindert, dass sich Störstrahlungen durch andere Kabel oder Funk-Dienste negativ auf die Datenübertragung auswirken. Genauso wird durch den Schirm eine Abstrahlung aus dem Kabel heraus weitestgehend verhindert.
Die Stromkabel, sowie die Steckdosen sind durch nichts abgeschirmt. Wenn also über das Stromkabel mit hohen Frequenzen Daten übertragen werden, dann wirken die Kabel wie Antennen, die Störstrahlen aussenden. Diese Störstrahlen können andere Geräte und Funkdienste stören und unbrauchbar machen. Vor allem Kurzwellenfrequenzen sind davon betroffen.
Störpegel, die im Kabel auftreten, machen das Powerline-System instabil. Die Folge ist eine Herabsetzung der Übertragungsgeschwindigkeit. Die Schutzmaßnahmen gegen Störeinflüsse von außen sind müssen sehr hoch sein.
Die Signale, die zusätzlich zum Strom, auf das Kabel aufmoduliert werden, stellen grundsätzlich eine Verunreinigung dar. Stromverbraucher, wie Lampen und Haushaltsgeräte dürfte das kaum stören. Doch bei anderen Geräte, wie Unterhaltungselektronik könnte es problematisch werden. Wie hochempfindliche Geräte auf die Signale reagieren konnte nie wirklich geklärt werden. Bei kritischen Anwendungen müsste jedes einzelne Gerät nachträglich aufwendig entstört werden.
Analysiert man den Frequenzgang einer Stromleitung in einem durchschnittlichen Haushalt, dann zeigen sich periodische Störungen durch die Schaltnetzteile von handelsüblichen Computern, Monitoren und Fernsehgeräten. Auch kommt es zu impulsartigen Störungen durch Ein- und Ausschaltvorgänge. Schuld sind induktive Lastanteile der Verbraucher. Weitere Störungsverursacher sind Geräte mit Universalmotoren, wie sie in Staubsaugern, Bohrmaschinen und Kühlschränken vorkommen. Die Störungen äußern sich in vielfältiger Weise. Das geht von Spannungsschwankungen bis hin zu breitbandigen Störungen, die jedes Signal, das zur Datenübertragung genutzt wird überlagert.
Als "shared medium" kommt noch das Sicherheitsrisiko dazu. Denn jeder der am Stromnetz hängt, kann die Daten der anderen Teilnehmer abhören, die am gleichen Strang hängen. Zum Beispiel der Nachbarn. Das direkte Lesen der Daten kann nur durch eine Verschlüsselung verhindert werden. Es bleibt jedoch das Risiko, dass jemand den Datenverkehr mitschneidet und zu einem späteren Zeitpunkt es doch schafft die Daten zu entschlüsseln.
Zusammenfassend lassen sich folgende gravierende Probleme nennen:
- Störpegel während des Betriebs durch An- bzw. Ausschalten von elektrischen Geräten.
- Überlagerung von Störeffekten kann den Störpegel bei bestimmten Frequenzen so vergrößern, dass die Übertragung von Nutzsignalen unmöglich wird.
- Stark schwankende Impedanzen und Dämpfungen in Abhängigkeit der Frequenz, Zeit und Standort.
Powerline als Breitband-Internet-Zugang?
Die Stromnetzbetreiber haben mit dem Slogan "Internet aus der Steckdose" einige Jahre vor der Einführung den Markt auf die Powerline-Technik vorbereitet. Doch nur kurze Zeit später wurden alle Powerline-Initiativen wieder eingestampft. Die Gründe sind vielfältig.
- Die Bandbreite des Stromkabels ist äußerst beschränkt. So müssen sich die ca. 50 bis 150 Nutzer einer Ortsnetzstation eine Bandbreite von 2 MBit/s teilen.
- Regulatorische Versäumnisse und fehlende EU-Standards haben den Powerline-Befürwortern das Leben schwer gemacht.
- Die Powerline-Technik ist zu kompliziert und zu teuer.
- Powerline ist nicht für das Massengeschäft tauglich und bleibt allenfalls ortsabhängige Angebote vorbehalten.
- Der Einsatz von Powerline hat einen dauerhaft gestörten Lang-, Mittel- und Kurzwellenempfang zur Folge.
Die Technik äußerte sich als problematisch, weil es zu unerwünschten Abstrahlungen im Frequenzbereich bis 30 MHz gekommen ist. Dadurch bestand die Gefahr, dass Funkdienste und am Stromnetz angeschlossene Geräte gestört wurden. Kein Stromanbieter wollte sich diese Verantwortung aufbürden.
Insbesondere Funkdienste sind von der Abstrahlung betroffen. Radiosender, die Radioastronomie, Flug- und Schiffsfunk, die Funkdienste von Polizei, Feuerwehr und Militär, sowie die Funkbereiche der Amateurfunker wären unbrauchbar geworden.
Die globale Powerline-Spezifikation
Die globale Powerline-Spezifikation basiert auf der Technologie des spanischen Chipherstellers "Design on Systems on Silicon". Die Spezifikation wurden von der Open PLC European Research Alliance (OPERA) Anfang 2006 verabschiedet.
Das PLC-Netzmodell kennt vier Geräteklassen. Es gibt je eine Bridge zwischen Internet und Mittelspannungsnetz (~10 kV) des Energieversorgers, sowie zwischen Mittelspannungsnetz und Niederspannungsnetz (230 V). Dann gibt es noch einen Repeater im Niederspannungsnetz und dem Endkundenanschluss. Auf der physikalischen Ebene wird mit Notches gearbeitet, um die empfindlichen Kurzwellenanwendungen vom Powerline-Signal fern zu halten.
Die Übertragung findet auf Basis von OFDM statt. Es nutzt 1536 Subträger und erreicht maximal 8 Bit/s/Hz. 200 MBit/s belegen mindestens 25 MHz im Kurzwellenspektrum.
Es gibt ein achtstufiges Quality-of-Service (QoS) für VoIP, Streaming und VLANs.
Powerline als Vernetzungsalternative
Powerline ist das Netzwerk aus der Steckdose. Statt WLAN oder Netzwerkverkabelung zu installierenn können auch hausinterne oder wohnungsinterne Stromleitungen zur Vernetzung zweier oder mehrerer PCs genutzt werden. Die PCs können überall dort stehen, wo eine Steckdose vorhanden ist. In der einfachsten Variante werden die PCs über Powerline-HomePlug-Adapter für Ethernet oder USB mit dem Stromnetz verbunden. Die Datenkommunikation ist dann über die Stromleitungen in der ganzen Wohnung oder Haus möglich.
Es gibt noch Powerline-WLAN-Adapter, die in eine Steckdose gesteckt werden und als WLAN-Access-Point fungieren. So lassen sich auch auch WLAN-Geräte an das Powerline-Netz anbinden.
Die Adapter gibt es in den Geschwindigkeitsvarianten 28 MBit/s, 85 MBit/s und 200 MBit/s. Mit einem Router kann so jeder PC gleichzeitig Zugang zum Internet haben.
Mit einfachsten Mitteln kan ein Netzwerk über die vorhandenen Stromkabel aufgebaut werden. Es müssen keine neuen Leitungen gezogen werden. Und die Konfiguration der Geräte ist mit der beiliegenenden Software fast ein Kinderspiel.
Fazit
Aufgrund der enormen unausweichlichen technischen Probleme haben sich viele Firmen nach teuren Entwicklungen und aufwendigen Marketing-Aktionen wieder aus dem Geschäft zurückgezogen. Somit ist Powerline niemals weitflächig zum Einsatz gekommen. Die Probleme sind unlösbar mit den Leitungen verbunden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gibt es keinen bezahlbaren Weg oder technische Möglichkeiten, um die Probleme zu lösen.
Übrig geblieben ist nur eine globale Powerline-Spezifikation von 2006 und der Home-Plug-Standard, der sich in Produkten zur lokalen Vernetzung von Wohnungen (Heimvernetzung), als Alternative zu WLAN und Ethernet, wieder findet.
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