PowerLAN

Ein PowerLAN-Adapter von Devolo

PowerLAN, auch dLAN (direct LAN) oder Powerline Communication (PLC) genannt, bezeichnet eine Technik, die vorhandene Stromleitungen zum Aufbau eines Netzwerks zur Datenübertragung mitnutzt, so dass keine zusätzliche Verkabelung notwendig ist. Technisch gesehen handelt sich beim PowerLAN um eine Trägerfrequenzanlage, die über Adapter realisiert wird. Diese werden in eine Steckdose gesteckt und über eine eingebaute Ethernet-Schnittstelle mit einem Endgerät (z.B. einem PC, Drucker oder einer Spielekonsole) verbunden. Das Datensignal vom angeschlossenen Endgerät wird vom sendenden Adapter im Hochfrequenzbereich (in der Regel zwischen 2 und 30 MHz) auf die Stromleitung moduliert und vom empfangenden Adapter wieder demoduliert. Daher spricht man bei den PowerLAN-Adaptern auch von Modems.

Aufgrund der hochfrequenten Übertragung können von einem PowerLAN Störungen anderer Dienste im selben Frequenzband ausgehen, denen Hersteller entsprechender Adapter mit Anpassungen der Sendeleistung begegnen. Gleichzeitig unterliegt PowerLAN aber auch Dämpfungseffekten und Störeinflüssen, die Reichweite und Übertragungsleistung negativ beeinflussen können. Da innerhalb der Sendereichweite eines PowerLAN die Daten frei verteilt werden (vergleichbar mit der Verfügbarkeit von Daten per Funk bei WLANs), muss die Datensicherheit mit Hilfe von Verschlüsselungsmethoden gewährleistet werden.

Über Adapter nach dem weit verbreiteten Homeplug- bzw. Homeplug AV-Standard lassen sich Daten mit maximal 200 Mbit/s mit einer Reichweite von bis zu 200 Metern übertragen. Mit Adaptern nach dem mediaxtream-Standard können bis zu 882 Mbit/s bei bis zu 300 Metern Reichweite erzielt werden.

Funktionsweise

Beim PowerLAN werden die in einem Haushalt vorhandenen elektrischen Leitungen mit 230V Spannung sowie 50 oder 60 Hz zusätzlich zur Übertragung von Daten mitbenutzt. Mit Hilfe des bereits bei anderen Übertragungsverfahren (z.B. xDSL oder WLAN) eingesetzten Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) wird dazu auf der Sendeseite jeweils eine Vielzahl an Signalen gleichzeitig auf eine Trägerfrequenz phasen- und amplitudenmoduliert (Frequenzmultiplexverfahren). Das je nach Übertragungsstandard zur Verfügung stehende Frequenzspektrum wird dabei in Kanäle aufgeteilt, um die Störanfälligkeit zu verringern bzw. entsprechende Gegenmaßnahmen (Fehlerkorrektur- und Interleavingverfahren) zu ermöglichen. Die aufmodulierten Daten werden dann über die Stromleitung zum Empfänger gesendet und dort per Bandpass wieder von den Trägerfrequenzen getrennt (demoduliert).

Die meisten PowerLAN-Standards arbeiten im Hochfrequenzbereich zwischen 2 und 30 MHz. Es gibt jedoch auch Standards mit noch höheren Frequenzbändern, wie beispielsweise mediaxtream (zwischen 50 und 300 MHz). Die vor allem im privaten Bereich weit verbreiteten Geräte nach dem Homeplug-Standard erzielen Brutto-Übertragungsraten von maximal 14 Mbit/s (Homeplug), 85 Mbit/s (Homeplug Turbo), 200 Mbit/s (Homeplug AV) und 500 Mbit/s (Homeplug AV). Die maximale Reichweite von Homeplug-Adaptern auf Stromleitungen beträgt 300 Meter.

Stromversorgungsnetze (Niederspannungsnetze) im privaten Umfeld bestehen meist aus drei Außenleitern (Phasen), die in der Regel auf verschiedene Bereiche einer Wohnung verteilt sind. Abhängig von weiteren Faktoren, wie Leitungslänge, Dämpfungseffekten und ggf. Störern, sind die per PowerLAN auf die Stromleitung aufmodulierten Daten mindestens innerhalb einer Phase verfügbar. Da die Übertragung jedoch im hochfrequenten Bereich erfolgt, kommt es bei parallel verlegten Leitungen für mehrere Phasen (z.B. am Sicherungskasten oder an Durchlauferhitzern) zum Übersprechen, wodurch die Signale auch in den anderen beiden Phasen zur Verfügung stehen. Damit einher geht eine Dämpfung der Signalstärke, die sich in einer reduzierten Reichweite sowie einer geringeren Übertragungsbandbreite niederschlägt. Um diesen Effekt zu verhindern, lassen sich Phasenkoppler einsetzen.

Hardware

Technisch realisiert wird die Übertragung mit Hilfe von Adaptern, die einerseits mit dem Stromnetz und anderseits (über einen eingebauten Ethernet-Anschluss) mit einem zu vernetzenden Endgerät (z.B. einem PC, einem Drucker, einer Spielekonsole oder einer Webcam) verbunden werden. Mittlerweile gibt es unterschiedliche Bauformen nach verschiedenen PowerLAN-Standards von diversen Herstellern, beispielsweise als Zwischenstecker oder in Kombination mit einem WLAN-Access-Point. Für den professionellen Einsatz werden auch leistungsfähigere Geräte angeboten, die Übertragungsmöglichkeiten über weitere Medien (z.B. Koax- oder Twisted-Pair-Leitungen) sowie Funktionen für die Datenpriorisierung und Hierarchische Netzwerktopologien zur Verfügung stellen. Weitergehende Eigenschaften, wie beispielsweise den Schutz vor Überspannung, haben die PowerLAN-Modems in der Regel nicht. Bei der Kombination mehrerer Adapter und den Stromleitungen zu einem Datennetzwerk spricht man auch von einer Trägerfrequenzanlage (TFA).

Netzwerktopologien

PowerLAN-Netzwerke im privaten Bereich weisen üblicherweise eine Peer-to-Peer-Netzwerktopologie auf, d.h. jeder Adapter kommuniziert gleichberechtigt mit jedem anderen, ohne besondere Hierarchisierung. Um die Datenübertragung besser steuern und die Bandbreitenverteilung optimieren zu können, weisen einige PowerLAN-Standards mittlerweile einem bestimmten Adapter die Rolle eines Central Coordinators (CCo) zu. Dieser synchronisiert den Datenverkehr und teilt die zur Verfügung stehende Gesamtbandbreite dynamisch unter allen Teilnehmern im Netzwerk auf.

PowerLAN-Modems für den professionellen Einsatz unterstützen häufig auch eine Master-Slave-Netzwerkarchitektur. Dabei steuert ein Adapter (Master) den gesamten Datenverkehr der mit ihm verbundenen Stationen (Slaves). Vorteil dieser Topologie ist die Kapselung der einzelnen mit den Slave-Adaptern verbundenen Endgeräte (Peer-to-Peer-Isolation). So wird verhindert, dass Dritte ungewollt Zugang zu diesen erhalten, z.B. bei Vernetzung eines Hotels über Koax- und Stromleitungen.

Besonderheiten

Störeinflüsse

Durch die Funktionsweise eines PowerLAN-Netzwerks als Trägerfrequenzanlage wirken die stromdurchflossenen Leiter wie Antennen, die das hochfrequente Signal abstrahlen. Prinzipiell kann es daher im jeweiligen Frequenzband zu Störungen anderer Dienste, wie beispielsweise Taxifunk, Amateurfunk oder Kurzwellenrundfunk kommen. Im privaten Bereich bestehen PowerLANs aber häufig aus nur wenigen (< 10) Teilnehmern, mit einer gesamten Reichweite von unter 200 Metern. Daher sind die Signalpegel moderner Adapter sehr klein (deutlich geringer als beispielsweise ein Mobiltelefon, in einem WLAN oder bei Bluetooth). Darüber hinaus wird mit Hilfe sogenannter Kerbfilter die Sendeleistung in PowerLANs gezielt in bestimmten Frequenzbereichen reduziert oder vollständig unterdrückt, um die Beeinflussung anderer bekannter Dienste zu vermeiden. Damit PowerLAN-Adapter in der Europäischen Union betrieben werden dürfen, müssen sie auch CE-konform sein. Das bedeutet, dass sie u.a. den Anforderungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit nach EMV entsprechen müssen.

→ Hauptartikel: Trägerfrequenzanlage#Abstrahlung

Dämpfungseffekte und Störbeeinflussung

Im Unterschied zur Vernetzung über das weit verbreitete Ethernet, wo der Datendurchsatz innerhalb der pro Segment maximalen Leitungslänge von 100 Metern konstant hoch bleibt, hängt die maximale Sendeleistung im PowerLAN von Dämpfungseffekten und von Störeinflüssen ab. Die Dämpfung des Signals geschieht über die Länge der zur Datenübertragung verwendeten Stromleitung, die Anzahl der im PowerLAN vorhandenen Adapter sowie über Komponenten oder Bauteile auf dem Weg vom Sender zum Empfänger. Dazu zählen Kabelverbindungen (z.B. Verteilerdosen), Schalter in Mehrfachsteckdosen, Überspannungsschutzfilter, vor allem aber FI-Schutzschalter und Stromzähler. Eine höhere Dämpfung führt zu einer geringeren zur Verfügung stehenden Bandbreite für die Datenübertragung. Eine zu hohe Dämpfung kann verhindern, dass PowerLAN-Adapter überhaupt Daten miteinander austauschen können.

Darüber hinaus kann es von außen durch bestimmte Komponenten oder Geräte zu Störeinflüssen auf ein PowerLAN kommen, z.B. durch Dimmer, Vorschaltgeräte bzw. Netzteile, Bohrmaschinen, Staubsauger etc. Zwar setzen moderne Adapter Verfahren zur Fehlerkorrektur ein, um solchen Störeinflüssen zu begegnen, jedoch leidet der Datendurchsatz in diesen Fällen dennoch.

Datensicherheit im Betrieb

Innerhalb der maximalen Sendereichweite eines PowerLAN werden die auf die Leitungen aufmodulierten Daten frei im Stromnetz verteilt, d.h. sie können an jeder Steckdose mit Hilfe eines entsprechenden Adapters empfangen werden. Wegen des beschriebenen Übersprechens bzw. der Kopplung mehrerer Phasen ist außerhalb der eigenen Wohnung das Sendesignal noch empfangbar, so dass ggf. unbefugte Dritte Zugriff auf das eigene Netzwerk erhalten könnten. Diese Problematik ist auch in drahtlosen Netzwerken zu beobachten, wo die Daten über Funk innerhalb der Sendereichweite zunächst allgemein empfangbar sind.

Um den Zugang zu einem PowerLAN zu beschränken und das unerwünschte Mithören der übertragenen Daten zu verhindern, lassen sich diese mit einem Kennwort verschlüsseln. Nur Adapter mit dem gleichen Kennwort können dann noch miteinander kommunizieren. Ein PowerLAN-Netzwerk muss dazu einmalig entsprechend eingerichtet werden. Während bei älteren Adaptern das DESpro-Verfahren zur Datenverschlüsselung zum Einsatz kam, bedienen sich modernere Modems fortgeschrittener Kryptosysteme, wie beispielsweise AES mit 128 Bit.

Theoretische und effektive Übertragungsraten

Die theoretische Datenübertragungsrate eines Netzwerks wird in der Praxis häufig unterschritten. Dies hängt zunächst von der Anzahl der Teilnehmer und der Menge der gleichzeitig von diesen übertragenen Daten ab, d.h. die Gesamtbandbreite wird zwischen allen Geräten im Netz aufgeteilt. Je nach Übertragungsverfahren und -medium gibt es jedoch noch weitere Parameter, die dafür verantwortlich gemacht werden können, wie beispielsweise Kodierungs- und Fehlerkorrekturverfahren, aber auch eine eventuelle Abhängigkeit von der Sendeleistung sowie eventuelle Störeinflusse. So lässt sich selbst bei modernen WLAN-Übertragungsverfahren in der Praxis ein deutlich geringerer Nettodurchsatz beobachten. Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen theoretischen Datenübertragungsraten im Vergleich zu den tatsächlich realisierbaren Durchsatzraten^[1]:

Verfahren	Bruttodurchsatz	Nettodurchsatz
IEEE 802.11g	54 MBit/s	20 MBit/s
IEEE 802.11n	300 MBit/s	72 MBit/s
Homeplug Turbo	85 MBit/s	34 MBit/s
Homeplug AV	200 MBit/s	90 MBit/s
Fast Ethernet	100 MBit/s	94,4 MBit/s
Gigabit Ethernet	1000 MBit/s	936 MBit/s

Standardisierung und Kompatibilität

Da bisher keine offizielle Standardisierung der Verfahren zur Datenübertragung über das Niederspannungsnetz erfolgt ist, haben sich über die Zeit mehrere proprietäre, herstellergetriebene Konzepte herausgebildet, die teilweise zueinander inkompatibel sind: DS2 vom gleichnamigen spanischen Hersteller, Panasonic AV, Homeplug und Varianten von Intellon sowie mediaxtream von Gigle Semiconductor. In Privathaushalten ist vor allem Homeplug (u.a. in den schnelleren Varianten Homeplug Turbo und Homeplug AV) weit verbreitet.

Verfahren	Link-Rate	Frequenzbereich
Homeplug	11 MBit/s	4 ... 27 MHz
Homeplug Turbo	85 MBit/s	2 ... 27 MHz
Panasonic AV	180 MBit/s	3 ... 30 MHz
Homeplug AV	200 MBit/s	2 ... 32 MHz
DS2 AV	200 MBit/s	2 ... 30 MHz
Mediaxtream	882 MBit/s	50 ... 300 MHz

Eine Arbeitsgruppe des IEEE befasst sich seit mehreren Jahren mit der Standardisierung von PowerLAN. Nach einigen Rückschlägen^[2] wurde im Oktober 2007 ein Vorschlag in Form eines kombinierten Panasonic-/Homeplug-Konzepts gemacht^[3], der im Dezember 2008 angenommen wurde^[4]. Im Februar 2009 wurden Technische Untergruppen gebildet und mit den Tests begonnen. Im Juli 2009 wurde eine erste Entwurfsfassung der Norm IEEE P1901 vorgestellt^[5], die im Januar 2010 veröffentlicht wurde. Nachdem im Verlauf des Jahres 2010 weitere Verfeinerungen erfolgt waren, wurde der neue Standard am 30. September 2010 angenommen und zur endgültigen Veröffentlichung im Februar 2011 vorgesehen.

Der IEEE P1901-Standard berücksichtigt bereits die nächste Generation der Datenübertragung über konventionelle, bereits vorhandene Strom-, Telefon-, Netzwerk- und Kabelfernsehleitungen G.hn mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 GBit/s. Dieses, auch als "Homegrid-Standard" bezeichnete Verfahren wird von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) entwickelt. Nachdem der Standardisierungsprozess im Juni 2010 abgeschlossen worden ist^[6], befinden sich erste Chips nun im Test. Im Verlaufe des Jahres 2011 sollen dann entsprechende Endgeräte in den Handel kommen^[7]. Die ITU prognostiziert für 2013 den Verkauf von 42 Millionen Geräten mit Unterstützung des Standards G.hn^[8].

Unter dem Homeplug AV-Standard werden aktuell Geräte mit Geschwindigkeiten mit bis zu 500 MBit/s getestet, die zu den bisherigen Adaptern mit 200 MBit/s kompatibel sind. Marktreife Endgeräte werden ebenfalls im Jahr 2011 erwartet.

Belege

1. ↑ Christof Windeck: Freie Bahn schaffen In: c't., Nr. 22, 2010, S. 107
2. ↑ Arno Kral (25. Juli 2008): Keine Einigung auf Heimnetz-Standard im IEEE. Tom's Network Guide. Abgerufen am 11. März 2011.
3. ↑ HomePlug/Panasonic Merged Proposal Takes the First Step in Becoming a Worldwide Standard through the Efforts of the IEEE P1901 Work Group
4. ↑ IEEE Confirms Baseline for Broadband-Over-Power Line Standard (Link nicht mehr abrufbar), IEEE
5. ↑ IEEE 1901 Draft Standard Announcement (Link nicht mehr abrufbar)
6. ↑ United Nations ITU-T's G.hn Approved as Global Standard for Wired Home Networking (Link nicht mehr abrufbar), HomeGrid-Pressemitteilung vom 11. Juni 2010 (englisch)
7. ↑ Eight Silicon Vendors Align in Support of G.hn, United Nations' ITU-T's Next-Generation Wired Network Standard (Link nicht mehr abrufbar), HomeGrid-Pressemitteilung vom 11. Juni 2010 (englisch)
8. ↑ ITU: New global standard for fully networked home ([1]).

Siehe auch

• Trägerfrequenzanlage