Powerline-Kommunikation / Powerline Communications (PLC)
Powerline Communications (PLC) oder auch Digital Powerline (DPL) ist der Oberbegriff für die Übertragung von Daten über das Stromkabel. Dabei werden die stromführenden Kabel parallel zur Energieversorgung auch zur Datenübertragung genutzt.
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 schnellen Internet-Anschlüssen wurde neben DSL, Satellit und Kabelnetz (TV) auch mit der Datenübertraung über Stromleitungen experimentiert. Die Stromversorgungsunternehmen sahen die Chance, ihre Stromleitungen zu den Endverbrauchern für die Datenübertragung zu nutzen. Die vielen tausend Kilometer Stromkabel das sind als sogenannte "letzte Meile" eine Alternative zum Telefonnetz der Deutschen Telekom. Das Stromnetz versorgt schließlich jeden Haushalt mit Energie. Warum nicht auch einen Internet-Zugang über das Stromkabel anbieten?
Sozusagen ein Internet-Zugang an jeder Stromsteckdose.
Die Datensignale 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-Norm.
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 wird. 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. Weil die Sendeleistung zu gering war, begrenzte das auch die Reichweite des Signals und die mögliche Bandbreite. 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 den Kabelenden treten Signalreflexionen auf. Dadurch entstehen Mehrwegeausbreitung und Vielfachechos des Signals. Das Stromkabel ähnelt deshalb einer Funkstrecke.
Bei der wissenschaftlichen Untersuchung des dreiphasigen Stromkabels (L1, L2, L3, N, PE) wurden Parallelen zum Koaxial-Kabel gefunden. Hierbei wurde auch festgestellt, dass die besten Übertragungseigenschaften dann erreicht werden, wenn die Netzenden, wie bei Netzen mit Koaxial-Kabel üblich, terminiert sind.
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 müsste dazu das gesamte Stromnetz umgebaut werden. Die Investitionskosten für diese Erweiterungen sind kaum bezahlbar.
Bekannte und grundsätzliche Probleme der Powerline-Technik
Alle Kabeltypen, die für die Datenübertragung genutzt werden, haben eines gemeinsam. Sie wurden entwickelt, um möglichst störungsfrei Signale zu übertragen. Die innenliegenden spannungsführenden Adern sind mit einem metallischen Mantel umgeben, der an beiden Kabelende geerdet bzw. mit der Masse verbunden ist. Ungeschirmte Kabel wären wie Antennen. 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 begrenzt.
Die Stromkabel, sowie die Steckdosen sind nicht geschirmt. Wenn also über das Stromkabel mit hohen Frequenzen Daten übertragen werden, dann wirken die Kabel wie Antennen, die elektromagnetische Wellen aussenden. Diese Wellen können andere Geräte und Funkdienste stören und somit unbenutzbar machen. Vor allem Kurzwellenfrequenzen sind davon betroffen.
Störpegel, die im Kabel auftreten, machen das Powerline-System instabil. Die Folge ist ein Herabsetzen der Übertragungsgeschwindigkeit. Die Schutzmaßnahmen gegen Störeinflüsse von außen 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 das problematisch werden. Wie hochempfindliche Geräte auf die Powerline-Signale reagieren konnte nie wirklich geklärt werden. In der Konsequenz müsste man bei kritischen Anwendungen jedes einzelne Gerät nachträglich aufwendig entstört.
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 Ausschaltvorgängen. Schuld sind die induktiven 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 reicht von Spannungsschwankungen bis hin zu breitbandigen Störungen, die jedes Signal, das zur Datenübertragung genutzt wird, überlagert.
Als "shared medium" kommt noch das Sicherheitsrisiko hinzu. Jeder, der am Stromnetz hängt, kann die Daten der anderen Teilnehmer abhören, die am gleichen Strang hängen. Zum Beispiel der Nachbar. Das direkte Lesen der Daten kann nur durch eine Verschlüsselung verhindert werden. Es bleibt jedoch das Risiko, dass jemand den Datenverkehr mitschneidet und es zu einem späteren Zeitpunkt 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.
Ist die Powerline-Technik als Internet-Zugang geeignet?
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 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 geeignet und bleibt allenfalls ein ortsabhängiges Angebot.
- Der Einsatz von Powerline hat einen dauerhaft gestörten Lang-, Mittel- und Kurzwellenempfang zur Folge.
Die Powerline-Technik gilt als problematisch, weil es zu unerwünschten Abstrahlungen im Frequenzbereich bis 30 MHz kommt. Dadurch bestand die Gefahr, dass Funkdienste und andere am Stromnetz angeschlossene Geräte gestört werden. Kein Stromnetzbetreiber könnte sich diese Verantwortung entziehen.
Insbesondere Funkdienste sind von der Abstrahlung betroffen. Radiosender, Radioastronomie, Flug- und Schiffsfunk, Funkdienste von Polizei, Feuerwehr und Militär, sowie die Funkbereiche der Amateurfunker wären betroffen.
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 beim 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 1.536 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 innerhalb von Gebäuden
Powerline ist das Netzwerk aus der Steckdose. Statt WLAN oder Netzwerkverkabel 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 im Haus möglich.
Es gibt auch Powerline-WLAN-Adapter, die in eine Steckdose gesteckt werden und als WLAN-Access-Point fungieren. So lassen sich auch WLAN-Geräte an das Powerline-Netzwerk 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 unausweichlichen technischen Probleme haben sich viele Firmen nach teuren Entwicklungen und aufwendigen Marketing-Aktionen wieder aus dem Powerline-Geschäft zurückgezogen. Somit ist Powerline niemals weitflächig zum Einsatz gekommen. Die Probleme sind unlösbar mit den Leitungen verbunden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gibt es weder einen bezahlbaren Weg noch technische Möglichkeiten, um die Probleme zu lösen.
Übrig geblieben ist nur eine globale Powerline-Spezifikation von 2006 und der HomePlug-Powerline-Standard, der sich in Produkten zur lokalen Vernetzung von Wohnungen (Heimvernetzung), als Alternative zu WLAN und Ethernet, wieder findet.