Powerline Communication - HAMFU · 2013. 6. 20. · Im Referat werden Powerline-Anwendungen und die...

INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE

Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürichim Wintersemester 2002/2003

Leitung:Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab

Divisionär E. Ebert

Powerline Communication

Referent: Walter R. Braun

Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und alsPDF Dokument für www.hamfu.ch aufbereitet.

Powerline Communication - Vorlesung Informationstechnik und Armee 2002/2003 (ETH Zürich) HAMFU History

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Walter R. Braun

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung2. Systemstruktur3. Dienste4. Sicherheit5. Projekte, Anwendungen6. Kanal7. Technik8. Regulierung9. Normierung

Die elektrischen Leitungen im Nieder- und Mittelspannungsbereich werden heute nur zurEnergieübertragung bei 50 Hz genutzt. Sie sind jedoch in der Lage, Signale beiFrequenzen bis zu einigen Megahertz zu übertragen. Es ist deshalb attraktiv, diesesMedium für Telekommunikationsdienste zu nutzen, vor allem auch in weniger entwickeltenLändern, wo die Energieverteilung typischerweise besser ausgebaut ist als dieTelekommunikationsnetze.Im Referat werden Powerline-Anwendungen und die eingesetzten Technologienvorgestellt. Ebenfalls wird auf die Aspekte der Normierung und der Regulierung im Bereichder EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) eingegangen.

Adresse des Autors:

Walter R. BraunAscom Powerline Communications AGBelpstrasse 373000 Bern 14

Informationstechnik und Armee42. Folge 2002/2003



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1 Einleitung

Die elektrischen Leitungen im Mittel- und Niederspannungsbereich stellen einen hoheninvestierten Wert dar. Sie zeigen global eine grössere Verbreitung als Telekommunika-tionsnetze. Insbesondere in Schwellenländern ist die Stromverteilung besser ausgebautals das Telefonnetz. Es ist deshalb attraktiv und sinnvoll, das Stromnetz für Tele-kommunikationsdienste zu nutzen. In den weniger entwickelten Ländern liegt derSchwerpunkt bei der Telefonie, während in den Industrieländern die breitbandigeDatenkommunikation im Vordergrund steht.

Auch in den Häusern selbst ist die Stromversorgung meist flächendeckend verfügbar,während Telekommunikationsanschlüsse nur spärlich vorhanden sind, sogar in euro-päischen Ländern. Damit ergibt sich für Datenübertragung über die Stromleitung (PowerLine Communication, PLC) der Zusatznutzen einer grossen örtlichen Verfügbarkeit.

Die Tatsache, dass die Datenkommunikation bei der Verlegung der heutigen Stromnetzenicht zum Nutzungskonzept gehörte, führt zu technischen Herausforderungen. DieLeitungen haben im Megahertz-Bereich Übertragungsparameter, die in weiten Grenzenvariieren können. Ebenso sind die Impedanzen der Verbraucher nicht vorgegeben undkönnen die Signalausbreitung wesentlich beeinträchtigen. Trotzdem ist eine zuverlässigeÜbertragung mit Datenraten von einigen Mb/s möglich, wobei im Zugangsbereich (Verteil-transformator bis Hausanschluss) Distanzen von bis zu 300 m überbrückt werden.

Für PLC gibt es auch regulatorische Hürden. Die Nutzung des Stromnetzes im Megahertz-bereich für Datendienste ist in den Vorschriften nicht vorgesehen. Grundsätzlich werdenalle in diesem Frequenzbereich eingespeisten Signale als Störungen klassiert und auf sehrtiefe Pegel beschränkt. Es wurde eine Revision der entsprechenden CISPR Normeingeleitet, aber bis zum Abschluss des Verfahrens bleiben die Unsicherheiten bei denBehörden und den Nutzern bestehen.

Im Folgenden soll die Struktur typischer PLC-Systeme im Zugangsbereich (bis zurSteckdose) dargestellt und die angebotenen Dienste beschrieben werden. Die verwendeteÜbertragungsmethode und das Protokoll werden vorgestellt. Schliesslich wird auf dasProblem der elektromagnetischen Verträglichkeit und der entsprechenden Normeneingegangen.

2 Systemstruktur

Bild 1 zeigt ein Niederspannungsnetz, wie es für Europa und viele weitere Regionentypisch ist (Nordamerika und Japan haben wesentlich kleinere Niederspannungsnetze). Eswerden etwa 300 Haushalte über mehrere Abgänge versorgt. Die Distanzen inWohnquartieren betragen bis zu 300m. In Innenstädten können sie wesentlich kürzer sein.Je nach Land sind die Häuser ein- oder dreiphasig an das Verteilnetz angeschlossen. DieLeitungen führen über den Zähler und das Schalt-Tableau, von wo aus sie sich auf eineVielzahl von Leitungen verzweigen.



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Bild 1: typische Struktur des Niederspannungsnetzes in Europa

Diesem Netz ist nun das PLC-Netz überlagert. Beim Transformator befindet sich derOutdoor Master (OM), der mit den öffentlichen Sprach- und Datennetzen verbunden ist.Beim Hausanschluss wird der Gateway installiert, welcher über die Zugangsleitungen mitdem OM kommuniziert und Verbindung zu den Adaptern hat, die an beliebigen Steck-dosen im Haus eingesteckt sind (Bild 2).

Bild 2: Struktur eines Powerline-Netzes



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Die Gateways haben eine Bridge-Funktion zwischen dem Outdoor-Netz und den Indoor-Netzen der einzelnen Häuser. Outdoor- und Indoor-Netze sind frequenzmässig getrennt.In Häusern nahe beim Transformator können auch Adapter eingesetzt werden, welche dieOutdoor-Frequenzen nutzen. Damit entfällt der Gateway.

Die Verbindung zu den öffentlichen Netzen kann über xDSL oder einen anderen Breit-band-Anschluss beim Transformator geschehen. Um die Kosten zu reduzieren ist es auchmöglich, eine Anzahl von Transformatoren über ein PLC-System auf der Mittelspannungs-ebene zu verbinden.

3 Dienste

Die Adapter stellen dem Kunden zwei Grunddienste zur Verfügung: einen Datendienst undeinen Telefonie/Fax-Dienst.

Die Sprachübertragung erfolgt mit höchster Priorität. Die Signallaufzeit beträgt etwa 15 mspro PLC-Segment. Das Sprachsignal kann in ISDN-Qualität mit 64 kb/s (G711) übertragenwerden oder es kann auf 8 kb/s komprimiert werden (G729). Netzwerkseitig wird das VoIPProtokoll H323 unterstützt, teilnehmerseitig steht eine analoge (a/b) Schnittstelle zurVerfügung. Es ist auch möglich, VoIP Dienste über andere Geräte zu nutzen, z.B. überPC-Anwendungen oder IP-Telefone. Das PLC-System behandelt diesen Verkehr jedochwie Datendienste, das heisst nicht mit höchster Priorität.

Als Datendienst steht ein transparenter Ethernet-Dienst nach IEEE 802.3 zur Verfügung.Die Haupt-Anwendung ist TCP/IP-basierter Zugriff auf das Internet.

Der Datenverkehr lässt sich drei Prioritätsklassen zuteilen. Damit können den Abonnentenverschiedene Dienstqualitäten angeboten werden. Durch Verwendung eines normiertenVerfahrens nach IEEE 802.1p wird sichergestellt, dass die entsprechende Priorität auch imBackbone-Netz gewährt werden kann, sofern dieses die Norm unterstützt.

Für den Netzbetreiber stehen Management-Dienste auf der Basis des SNMP Protokollszur Verfügung. Diese können in handelsübliche Netzmanagementsysteme, wie z.B. HPOpenview integriert werden. Die fünf Bereiche entsprechend dem ISO NetworkManagement Model (Performance, Configuration, Accounting Fault, SecurityManagement) werden unterstützt.

Beispiele:

Performance Management Configuration Management• Verkehrs-Statistik• Fehlerraten• Nutzung der Träger

• Konfigurations-Parameter der Geräte• SW-Version• QoS-Parameter

Accounting Management Fault Management• Datenmenge pro Nutzer• Spitzenleistung pro Nutzer• Service-Level Agreements

• Fehlermeldungen• Alarmierung• Ferndiagnose

Security Management• Parametrisierung der

Sicherheitsfunktionen(z.B. Lebensdauer der Schlüssel)



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4 Sicherheit

Das System verfügt über alle notwendigen Funktionen zum Schutz der Sprach- undDatendienste sowie der Management-Dienste

Die Sprach- und Datendienste sind durch Verschlüsselung gegen Abhören und gezielteVerfälschung geschützt. Es wird der RC4 Algorithmus eingesetzt mit einer Schlüssellängevon 128 bit. Der Schlüsselaustausch geschieht mit der Methode von Diffie-Hellman.

Die Rechner der Kunden sind durch die VLAN-Technologie nach Norm IEEE 802.1qgegen fremde Zugriffe geschützt. Wenn die VLAN-Funktion aktiviert ist, sind für denBenützer weder die Rechner anderer PLC-Abonnenten noch die Geräte des PLC-Netzessichtbar. Es ist möglich, mehrere Rechner, die über verschiedene PLC-Modems ans Netzangebunden sind, in ein gemeinsames virtuelles Netz einzubinden, indem ihnen der selbeVLAN Identifier zugeordnet wird.

Die Management-Funktionen sind durch das Security Framework von SNMP V3geschützt. Dieses sieht eine Authentisierung der Benützer durch ein Passwort und eineend-to-end Verschlüsselung des Management-Verkehrs vor.

5 Anwendungen

Die Hauptanwendung des PLC-Systems von Ascom ist die Überbrückung der letzten Meilefür Daten und Sprache. Damit steht PLC in Konkurrenz mit den traditionellenTelefongesellschaften, die Telefonie und Breitband-Datendienste (ADSL) anbieten, sowiemit den Betreibern von Kabelnetzen, die heute vermehrt ebenfalls Breitband-Datendiensteanbieten. Der Vorteil gegenüber diesen Konkurrenztechnologien ist, dass PLC einewesentlich feinere Verteilung innerhalb des Hauses zur Verfügung stellen kann, indemSteckdosen typischerweise in jedem Zimmer mehrfach vorhanden sind, während Telefon-und Kabelanschlüsse sehr beschränkt zurVerfügung stehen.

In weniger entwickelten Regionen ist dieKommunikations-Infrastruktur meistwesentlich weniger gut ausgebaut als daselektrische Netz. In diesen Gebieten bietetsich PLC an als Technologie zur schnellen,kostengünstigen und flächendeckendenVersorgung mit Telefonie.

Eine sehr interessante Nischen-Anwendungder PLC-Technologie ist die Versorgungvon Häusern mit Breitband-Datendiensten,also letzter Meter statt letzte Meile im Zugangsnetz. Dies ist vor allem dort interessant, woman aus betrieblichen Gründen, wegen der Kosten oder Auflagen des Denkmalschutzesauf das Verlegen von LAN-Kabeln verzichtet. Typische Beispiele sind Hotels oderSchulhäuser.

6 Kanaleigenschaften

Das elektrische Netz ist optimiert für die Energieübertragung bei 50 Hz. Die Eigenschaftenim Bereich 1 bis 30 MHz, in dem die PLC-Übertragung stattfindet, werden von denErstellern und Betreibern des Netzes weder messtechnisch erfasst noch optimiert. DieEigenschaften der angeschalteten Verbraucher sind kaum reglementiert. Es besteheneinzig Vorschriften bezüglich der ins Netz eingespeisten Störungen in diesem Frequenzbe-reich, da diese über die Leitungen abgestrahlt werden und Funkdienste stören können.



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Distance in m

Bild 3: gemessene Signaldämpfung im Zugangsnetz

Die von Ascom durchgeführten Messungen an erdverlegten Kabeln im Verteilnetz zeigeneine Dämpfung, die (in dB) linear mit der Distanz zunimmt (Bild 3). Die Abhängigkeit vonder Frequenz ist ebenfalls etwa linear in dB (Bild 4). Die Eigenschaften sind jedoch sehrstark von der Installationsmethode abhängig, zum Beispiel ob die Häuser ein- oderdreiphasig angeschlossen sind.

0 10 20 30 40 50 60

Frequenz [MHz]Bild 4 gemessene Signaldämpfung im Zugangsnetz

Die Übertragungseigenschaften der Hausinstallation werden vorwiegend durch die Netz-topologie und die angeschalteten Lasten bestimmt. Die Dämpfung zeigt keine grosseFrequenzabhängigkeit. Hingegen sinkt der Störpegel mit zunehmender Frequenz (Bild 5).

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Trend 2.4 MHz

Trend 4.8 MHz

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Die dominanten Störungen sind im unteren Frequenzbereich (bis ca. 5 MHz) periodischeSignale, wie sie zum Beispiel von getakteten Speisegeräten erzeugt werden. Funkdienstein den Kurzwellenbändern können zu teilweise sehr hohen Pegeln auf den Leitungenführen, insbesondere Rundfunk und Amateurfunk.

7 Technik

Die PLC-Geräte von Ascom verwenden sechs Teilbänder von jeweils 2 MHz Bandbreitezwischen 1.4 und 26.4 MHz. Drei Bänder unter 10 MHz werden auf den Zugangsleitungeneingesetzt. Die anderen drei Bänder liegen oberhalb 18 MHz und sind für die Übertragunginnerhalb des Hauses reserviert. Die Frequenzen sind so gewählt, dass die gegenseitigeBeeinflussung mit Rundfunk und Amateurfunk minimiert wird. (Bild 6)

Bild 6: häufig genutzte Funkdienste und Ascom PLC Frequenznutzung



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In jedem der Teilbänder wird ein GMSK-Signal mit einer Datenrate von 2.5 Mb/sübertragen. Zur Fehlerkorrektur wird ein Faltungscode verwendet, dessen Rate derQualität des Übertragungskanals angepasst wird. Die Signalverarbeitung im Empfänger istspeziell für die oben beschriebenen Kanaleigenschaften optimiert. Alle Algorithmen, die imAbtast- oder Bittakt ablaufen, sind in einem kundenspezifischen IC realisiert.

Das Zugriffsprotokoll für den Übertragungskanal beruht auf dem Master/Slave Prinzip undDemand-Assignment Multiple Access (DAMA). Der OM ist der Master im Outdoor-Netz,der Gateway ist Master eines Indoor-Netzes. Die Slaves melden den Bedarf für Über-tragungskapazität entweder über einen speziellen Random Access Kanal oder Piggy-Backmit einem Datenpaket. Der Bedarf der Sprachverbindungen wird vor allen anderenDiensten befriedigt, um Signalverzögerungen zu vermeiden. Den frequenzabhängigenKanaleigenschaften wird durch Einsatz von Time Division Duplex Rechnung getragen.Damit kann sichergestellt werden, dass die Reichweite in beiden Übertragungsrichtungenetwa gleich ist. Es wird eine Rahmenstruktur mit 16 Zeitschlitzen verwendet. Der ersteZeitschlitz ist für den Master reserviert und enthält unter anderem die Zuteilung derrestlichen Zeitschlitze an die Stationen. Die einzelnen Zeitschlitze können beliebig der Auf-und Abwärtsrichtung zugeteilt werden.

Um die Qualität der Übertragung trotz variabler Kanaleigenschaften sicherzustellen,werden die Daten mittels einer Prüfsumme (CRC) auf Fehler überprüft.

Die oben beschriebenen Protokoll-Mechanismen belegen einen Teil der verfügbarenÜbertragungskapazität. Auf einem guten Übertragungskanal stehen an der Ethernet-Schnittstelle 4.5 Mb/s zur Verfügung. Dies ist die Summe über beide Übertragungs-richtungen und alle Slaves in einem Netz.

8 Regulierung

Da PLC eine neue Technologie ist, sind es noch keine spezifischen Vorschriften in Kraftgesetzt.

Die EMV-Norm CISPR 22 in ihrer heutigen Form behandelt alle ins elektrische Netz einge-speisten Signale zwischen 0.15 und 30 MHz als Störsignale und schreibt entsprechendsehr tiefe Grenzwerte vor. Die von PLC-Geräten eingespeisten Signale sind jedoch sym-metrisch, so dass die Abstrahlung vorwiegend durch die Unsymmetrie der Leitungenbestimmt wird. Damit ist die Situation vergleichbar mit anderen Telekommunikations-anschlüssen. CISPR hat dieses Problem erkannt und eine Modifikation vorgeschlagen. Eswird ein "Dual Purpose Port" definiert, der sowohl der Speisung wie auch der Datenüber-



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tragung dient. In Abhängigkeit des Betriebszustands sind die Grenzwerte für den "MainsTerminal" oder den "Telecommunication Port" anzuwenden. Der Vorschlag ging diesenSommer an die nationalen Komitees zur Stellungnahme, die Ergebnisse sind noch nichtverfügbar.

Ausgelöst durch die Debatte um PLC und deren mögliche Störung von Funkdienstenbeauftragte die Europäische Kommission ein gemeinsames Gremium von ETSI undCENELEC mit der Ausarbeitung einer Norm für die Abstrahlung von Telekommunikations-netzen. Dabei sind zwei kontroverse Fragen zu klären: (1) ob die Norm im Sinne einerZulassungsvorschrift (ex ante) oder nur im Fall der Störung eines Funkdienstes (ex post)angewandt werden soll und (2) welche Grenzwerte anzuwenden sind. Während sich beider ersten Frage eine klare Tendenz in Richtung ex post Anwendung zeigt, liegenzwischen dem tiefsten und dem höchsten Vorschlag für den Grenzwert um die 60 dB.

9 Normierung

Die heute auf dem Markt befindlichen Systeme sind proprietär. Von ETSI und CENELECwurden Arbeitsgruppen eingesetzt, die in einer ersten Phase eine Koexistenz der konkur-rierenden Technologien sicherstellen wollen. In einer zweiten Phase soll dann die Inter-operabilität erreicht werden. Die reinen In-House Systeme (PLC-LAN), welche das selbeFrequenzband beanspruchen, erschweren dabei das Vorankommen der Arbeitsgruppen.

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