Trägerfrequenzanlage

Trägerfrequenzanlage

Als Trägerfrequenzanlage (TFA) bezeichnet man eine Vorrichtung zur Sprach- oder Datenübertragung über vorhandene Kommunikations- oder Stromnetze. Die Signale werden dabei über eine oder mehrere Trägerfrequenzen zusätzlich auf die Leitung moduliert. Das Verlegen neuer Kabel ist nicht mehr notwendig. Von besonderer Bedeutung sind Sicherheitsaspekte und Störeinflüsse. Die Übertragung über das Stromnetz ist auch als PowerLAN oder Powerline Communication (PLC) bekannt.

Inhaltsverzeichnis

Rundfunk

Trägerfrequenzanlagen für Rundfunkübertragung sind keine neue Technik, sondern wurden schon vor Jahrzehnten zur Verbreitung von Rundfunkprogrammen im Langwellenbereich über Strom- und Telefonleitungen genutzt. In Deutschland wurde diese Technik als Drahtfunk, in der Schweiz als Telefonrundspruch und in Norwegen als Linjesender bezeichnet. In Russland war dieses System sehr verbreitet, denn es gestattete nur den Empfang russischer Sender. Noch heute wird diese Technik in einigen Ländern zur Rundfunkversorgung verwendet. Sie beruht auf der Übertragung von Informationen mit Hilfe modulierter hochfrequenter Ströme, die über Starkstromleitungen geleitet werden und in den Kopfstationen über spezielle Transformatoren auf die Leitungen gegeben werden.

Telefon

Das Frequenzmultiplexverfahren gestattet hier die Mehrfachnutzung vorhandener Telefonleitungen. Es wird dabei jedem Sprechkanal eine eigene Trägerfrequenz zugeordnet, auf die das Audiosignal aufmoduliert wird. Es ist heute durch digitale Übertragung abgelöst worden, war jedoch in der Vergangenheit ein bedeutendes Verfahren (wie beispielsweise auch die Phantomschaltung) zur Mehrfachnutzung von Telefonleitungen.

Rundsteuertechnik

Unter dem Begriff Rundsteuertechnik (oft auch als TRA = Tonfrequenzrundsteueranlage abgekürzt) wird die Trägerfrequenztechnik schon seit Jahrzehnten zur Massensteuerung von Geräten, die keine Rückmeldung erfordern wie z.B. der Straßenbeleuchtung, der Lastfreigabe (Nachtspeicherheizung) oder der Tarifschaltung (Nachtstrom) eingesetzt. Hierbei verwenden die Netzbetreiber verschiedene Frequenzen um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden. Es kommen Frequenzen im Niederfrequenzbereich (bis etwa 1 kHz) zum Einsatz, da Signale mit diesen Frequenzen nur relativ geringen Dämpfungen, die durch Leitungsinduktivitäten und Leitungskapazitäten hervorgerufen werden, unterliegen und somit jedes Endgerät erreichen können.[1] Diese Anlagen verursachen wegen ihrer niederen Frequenz keine Störungen des Rundfunkempfangs.

Nachrichtenübertragung über Hochspannungsleitungen

TFH-Ankopplung in einer 110-kV-Schaltanlage

Für den Nachrichtenaustausch zwischen Einrichtungen von Energieversorgungsunternehmen werden Trägerfrequenzanlagen im Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 500 kHz verwendet. Hier ist der Begriff Trägerfrequenz-Nachrichtenübertragung über Hochspannungsleitungen (TFH) gebräuchlich. Diese Signale werden im Regelfall einphasig über ein Leiterseil von Hoch- oder Mittelspannungs-Freileitungen übertragen. Sie können im näheren Umfeld der jeweiligen Leitungen (bis zu einigen 100 Metern Abstand von der Leitung) den Empfang von in diesem Frequenzbereich arbeitenden Funkdiensten, wie den Langwellenrundfunksendern, dem Funkuhrsender DCF77 oder dem Navigationssystem LORAN-C der See- und Luftfahrt mitunter beträchtlich stören.

Diese Technik wurde früher auch dazu benutzt, den Elektrizitätswerken hochverfügbare betriebseigene Fernsprechanlagen im Selbstwählverkehr bereitzustellen. Man sprach hierbei von EW-Telefonie[2].

Aus diesen Gründen und wegen der geringen maximalen Übertragungsbandbreite werden zum Zweck der Nachrichtenübermittlung innerhalb von Energieversorgungsunternehmen Trägerfrequenzanlagen zunehmend stillgelegt und durch Richtfunksysteme oder Kabel (meist Glasfaserkabel) ersetzt.

Trägerfrequenzsignale können beachtliche Entfernungen (mehrere hundert Kilometer) auf Stromleitungen zurücklegen. Um eine unkontrollierte Ausbreitung zu verhindern, findet man manchmal in den Stromschlaufen von abzweigenden Leitungen und in den Schaltanlagen von Umspannwerken Sperrdrosseln, welche diese Signale abblocken. Bei sehr langen Leitungen ist gelegentlich die Verwendung von Verstärkerstationen notwendig.

Haushaltsanwendungen

Im häuslichen Bereich ist das so genannte Babyfon die wohl bekannteste Anwendung dieser Technik. Es arbeitet auf Frequenzen um 100 kHz, also unterhalb des Langwellenrundfunkbereichs. Heutzutage geht der Trend in Richtung „vernetzte Hausgeräte“ (Home-Bus): So entwickelt Bosch-Siemens-Hausgeräte serve@Home, von Miele gibt es Miele@home-Produkte und in der Schweiz findet man ZUG-Home von der V-ZUG AG.

Ziel der Vernetzung bei der Weißen, Roten und Braunen Ware (Haushalt-Großgeräte, Heizung und Unterhaltungselektronik) ist es, den Mehrwert bei der Gerätenutzung zu steigern und neue (Fern-)Bedienmöglichkeiten zu schaffen. Die zugrundeliegende Technologie ist meist LON, PLC-BUS, UPnP oder Powerline (European Home System (EHS), mittlerweile im KNX-Standard integriert), wobei der Embedded-Software-Stack häufig auf OSGi (Java) aufsetzt. Der Europäische Installationsbus (EIB) wird hier meist als ein weiterer Protokoll-Stack mit integriert, so dass eine gesamtheitliche Lösung mit einheitlicher Bedienung entsteht.

Zur Vernetzung von Computern im Rahmen eines Local Area Network (LAN) kann (eine andere Variante von) TFA eingesetzt werden. Diesbetreffende Spezifikationen gibt es von Intellon (Homeplug), DS2, Panasonic sowie Gigle (Mediaxtream). Vorteile sind, dass keine Kabel verlegt werden müssen, durch WLAN nicht erreichbare Gebäudeteile versorgt werden können und gegenüber WLAN erheblich stabilere Übertragungsqualität, die besonders bei HD-Video-Streaming benötigt wird. „Nachteil der Powerline-Technik im Vergleich zu WLAN ist, dass sich die Hersteller bislang nicht auf einen einheitlichen Standard einigen konnten sowie der vergleichsweise hohe Preis.“[3]

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
Homeplug AV2 500 MBit/s 2 ... 68 MHz
Mediaxtream 882 MBit/s 50 ... 300 MHz

Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) arbeitet jedoch derzeit an einer standardisierten Technologie für die drahtgebundene Übertragung digitaler Daten im Haus (Heimnetzwerk). Der Standard G.hn wird mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s sämtliche im Haus verlegten Leitungen (Strom-, Telefon- und Netzwerkkabel) nutzen können. Im Oktober 2009 wurde die Empfehlung G.9960 für die Bitübertragungsschicht und die Architektur des Standards von der ITU verabschiedet. Die Empfehlung G.9961 für die Sicherungsschicht folgte am 11. Juni 2010.[4] Mitte 2011 warten erste Geräte für ein Heimnetzwerk auf dem Markt. Die ITU prognostiziert für 2013 bereits, dass 42 Millionen Geräte mit Unterstützung für den Standard G.hn verkauft werden.[5]

Die in der Europäischen Union vertriebenen Modems werden im Rahmen der CE-Kennzeichnung bauartgeprüft. Die Störung von Anderen durch Abstrahlung liegt damit innerhalb der gesetzlichen Vorgaben.

Da Stromversorgungsnetze (Niederspannungsnetz) zur Drehstromübertragung meist aus drei Außenleitern bestehen, besteht bei der Nachrichtenübertragung das Problem, die hochfrequenten Trägerfrequenzsignale möglichst gleichmäßig über diese drei Außenleiter zu verteilen. Zu diesem Zweck werden in den Niederspannungsnetzen so genannte Phasenkoppler eingesetzt, welche die Außenleiter nur für das Trägerfrequenzsignal miteinander verbinden.

Die Bundesnetzagentur verzeichnete zwischen Frühjahr 2005 und Frühjahr 2007 nur zwei Störungsmeldungen, die auf Inhouse-Powerline zurückzuführen waren. Ein daraus resultierendes Ordnungswidrigkeitsverfahren fand mit Zahlung einer Geldbuße sein Ende.[6]

Internet per TFA

Bei diesen Trägerfrequenzanlagen (auch als powerline bekannt) wird ein Internetzugang über das Stromkabel auf der Strecke zwischen Steckdose und Trafostation bereitgestellt.

In der Trafostation ist der Übergang zu reinen Internetleitungen, dem Backbone. Da auf der Strecke Trafostation und Hausanschluss sowie auf der Strecke Hausanschluss und Steckdose verschiedene Frequenzen verwendet werden, sind insgesamt drei Adapter notwendig: Einer in der Trafostation, einer am Hausanschluss beim Stromzähler und einer an der Steckdose. Der Hausanschluss darf höchstens etwa 300 m von der Trafostation und höchstens etwa 100 m von der Steckdose entfernt sein; höhere Reichweiten sind nur mit Verstärkern möglich.

Der verwendete Frequenzbereich ist 1 bis über 30 MHz, dabei sind pro Trafostation zwischen 1,5 MBit/s bis 205 MBit/s möglich. Diese Bandbreite steht allen aktiven Nutzern des Dienstes, die an einer Trafostation angeschlossen sind, zu Verfügung.

Die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post hat in ihrem Tätigkeitsbericht 2002/2003 festgestellt, dass die Hersteller und Betreiber dieser sogenannten Powerline-Trägerfrequenzanlagen (trägerfrequente Datenübertragung über das Stromnetz zur Internetanbindung) ihre Aktivitäten in Deutschland inzwischen bis auf wenige Ausnahmen eingestellt haben, und erwähnt in diesem Zusammenhang die unerlaubt hohen Funkabstrahlungen (Störfeldstärken). Inzwischen werden diese Trägerfrequenzanlagen zunehmend kritisch gesehen, da die enorme Abstrahlung von Hochfrequenz herkömmliche Kommunikation über Kurzwelle praktisch unmöglich macht. Aus diesem Grund kam es zu massiven Protesten von Funkamateuren. Fraglich ist, ob in Zeiten drahtloser Kommunikation in eine relativ geringe Internetqualität über Stromleitungen überhaupt investiert werden sollte. Auch wird die Diskussion über Elektrosmog im Privatbereich neu entfacht. Neuartige Powerline Modems können die Existenz von Kurzwellen-Rundfunkdiensten am Ort und zum Zeitpunkt ihres Betriebes erkennen, indem sie das Grundrauschen an einer Steckdose beobachten. Die durch den Rundfunk belegten Frequenzen werden dann von der Powerline Kommunikation ausgespart.

TFA in Kraftfahrzeugen

Aufgrund steigender Anforderungen an Fahrzeugbordnetze findet TFA neuerdings in Fahrzeugen ein weiteres Einsatzgebiet. Da der Kabelbaum in einem Fahrzeug mit zu den schwersten Komponenten neben Motor und Karosserie zählt, kann durch den Einsatz der Trägerfrequenzanlagen eine deutliche Gewichtsreduzierung erreicht werden. Des Weiteren steigt die Übertragungsgeschwindigkeit drastisch an und erlaubt den Transport von Multimediadaten über die von der Batterie und des Generators „verrauschten“ Stromleitungen. In den unterschiedlichsten Einsatzgebieten werden dabei Daten mittels TFA z.B. an den Bordcomputer und etwaige Energiemanagementsysteme übertragen. Ebenso ist es damit möglich, z.B. in Nutzfahrzeugen die Zugmaschine und den Anhänger miteinander intelligent zu verbinden. Die Entwicklung von intelligenten, prozessorgesteuerten Blei-Säure-Batterien, die mittels TFA ihren State of Charge (SOC) und State of Health (SOH) direkt an den Fahrer mitteilen können, führt seit Anfang 2000 zu einer fortschreitenden Revolution in der Fahrzeugelektronik. Weitere Anforderungen an Bordnetze entstehen durch Hybridfahrzeuge, in denen der Aufbau mehrkreisiger Bordnetze und deren intelligente Steuerung und Überwachung notwendig wird.

Abstrahlung

Stromdurchflossene Leiter wirken wie Antennen und strahlen die TFA-Signale in die Umgebung ab.

Da eine Stromleitung ohne Abschirmung auch Signale aus der Umgebung und von angeschlossenen Geräten aufnimmt, besteht das Problem darin, dass zur Aufrechterhaltung einer guten Verbindung hohe Sendepegel der TFA-Modems notwendig sind. Hohe Sendepegel der Modems führen aber zu höheren abgestrahlten Signalen.

Mit empfindlichen Empfängern können unter Verwendung von Richtantennen TFA-Signale noch in einigen Dutzend, manchmal sogar in einigen 100 Metern Entfernung von der Leitung empfangen werden.

Im Kurzwellenbereich kommt es, insbesondere in Gebieten mit oberirdischer Verlegung der Stromleitungen, zu Störungen des Kurzwellenempfangs. Diese Störungen wirken sich unter anderem auf den Funk von Polizei, Sicherheitsbehörden, Taxi- oder Amateurfunk, Kurzwellenrundfunk, den Seefunkdienst, Wetterfunk, Flugfunk, militärische Funkdienste, Botschaftsfunk, Presseagenturen sowie auf die Kurzwellenfunknetze von UNO und ICRC aus.[7] Ein Kerbfilter kann dazu genutzt werden, um empfindliche Kurzwellenanwendungen von Störungen durch das TFA-Signal freizuhalten. Dies ist jedoch nur eine Behelfslösung, da es außer den ISM Bereichen keine Bereiche gibt, in denen gestört werden „darf“. Man kann damit immer nur die wahrscheinlichsten Konflikte vermeiden, die Problematik selbst bleibt und jeder ausgeblendete Frequenzbereich verringert die Bandbreite der Übertragung innerhalb der Trägerfrequenzanlage.

Von der NATO gibt es hierzu einen Bericht (RTO TECHNICAL REPORT TR-IST-050) über die zu erwartenden Funkstörungen durch Datenübertragungen über ungeschirmte Stromleitungen.[8]

In Österreich hat das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) zum Powerline-Netzwerkbetreiber in Linz Störungsmeldungen gesammelt und Messergebnisse aufgelistet. Betroffen sind die Frequenzen von etwa 3 bis 20 MHz, Störungsmeldungen gibt es zum Amateurfunk und Notfunk.[9] Den Bescheid des BMVIT an den Betreiber, bei anderen Telekommunikationsanlagen keine funktechnische Störungen zu verursachen, hat der Verwaltungsgerichtshof aufgehoben, weil keine konkreten (vollstreckbaren) Maßnahmen angeordnet wurden und der Zusammenhang zwischen den Funkstörungen und dem Powerlinenetz nicht belegt werden konnte. Gleichzeitig hat er jedoch entschieden, dass das Ministerium solche Maßnahmen auch ohne konkrete Störungen anordnen darf, wenn das Netz nicht den Anforderungen der EG-Richtlinie 89/336/EWG entspricht, die insbesondere die anerkannten Regeln der Technik fordert.[10]

In Deutschland gibt es Höchstwerte für TFA-Störstrahlung, die in der Nutzungsbestimmung 30 (NB30) des Frequenzbereichszuweisungsplans festgelegt sind. Der Verwaltungsgerichtshof Baden-Württemberg hält sie für nicht anwendbar, da sie nicht gegenüber der Europäischen Kommission notifiziert worden ist. Deshalb könne die Bundesnetzagentur nicht schon bei Überschreitung der NB30-Werte, sondern erst bei konkreten Störungen TFA-Einschränkungen anordnen.[11] Hintergrund sind Beschwerden eines Funkamateurs, bei dem Störungen auftraten, woraufhin die Bundesnetzagentur gegen den TFA-Betreiber in Mannheim eine sofort vollziehbare Anordnung erließ, nach der die NB30-Werte nicht mehr überschritten werden dürfen.

Einige TFA-Kritiker sehen durch diese „technische Zensur“ eine Verletzung des Grundgesetzes (Artikel 5 Absatz 1), da der Empfang der allgemein zugängliche Quelle Kurzwellenfunk, Kurzwellenrundfunk nicht mehr zur Verfügung steht: „GG Art. 5 (1) Jeder hat das Recht, seine Meinung in Wort, Schrift und Bild frei zu äußern und zu verbreiten und sich aus allgemein zugänglichen Quellen ungehindert zu unterrichten. Die Pressefreiheit und die Freiheit der Berichterstattung durch Rundfunk und Film werden gewährleistet. Eine Zensur findet nicht statt.“

In den Bedienungsanleitungen der TFA-Geräte findet man meist einen Hinweis ähnlich dem folgenden: Diese Einrichtung X kann im Wohnbereich Funkstörungen verursachen; in diesem Fall kann vom Betreiber verlangt werden, angemessene Maßnahmen durchzuführen. Um sich als Endverbraucher abzusichern, gibt es Vordrucke, die man sich vom Verkäufer unterschreiben lassen sollte, um bei Beeinflussungen die Kosten für die oben beschriebenen „angemessenen Maßnahmen“ zurückerstattet zu bekommen.[12]

Einzelnachweise

  1. Frequenzen von Tonfrequenz-Rundsteueranlagen
  2. AEG Hilfsbuch für elektrische Licht- und Kraftanlagen, Essen 1953
  3. Lothar Schnitzler: Sieg der Steckdose. In: Wirtschaftswoche. Nr. 34, 2008, ISSN 0042-8582, Seite 108 ([1]).
  4. Sheila Lashford: United Nations ITU-T's G.hn Approved as Global Standard for Wired Home Networking. In: HomeGrid - Press Releases and News. HomeGrid Forum, 11. Juni 2010, abgerufen am 17. Juni 2011 (englisch).
  5. ITU: New global standard for fully networked home ([2]).
  6. c't Spezial Netzwerke. 01, 2008, Seite 19.
  7. Manfred Breul vom Branchenverband BITKOM, zitiert nach: Verena Wolff: Datenströme aus der Steckdose. In: Aachener Zeitung. 2. Juli 2007.
  8. Beurteilung der NATO zum Thema Abstrahlung von PLC aus ungeschirmten Leitungen (PDF, englisch)
  9. Messberichte des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie
  10. Erkenntnis 2005/03/0245 vom 8. Juni 2006
  11. PLC darf in Mannheim weiter betrieben werden, rechtskräftiger Beschluss 1 S 787/05 vom 7. Februar 2006
  12. Vordruck (PDF)

Siehe auch

Literatur

  • Frank Reinhardt: POWERLINE. Verfassungs-, verwaltungs- und telekommunikationsrechtliche Probleme. Peter Lang-Verlag, 1. Aufl. 2003. ISBN 3-631-51180-9.

Weblinks

Abstrahlungen


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