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 es 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 68 MHz) auf die Stromleitung moduliert und vom empfangenden Adapter wieder demoduliert. Vom Funktionsprinzip her sind PowerLAN-Adapter demnach 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. IEEE 1901-Standard lassen sich Daten mit maximal 500 Mbit/s mit einer Reichweite von bis zu 300 Metern übertragen.

Funktionsweise

Beim PowerLAN werden die in einem Haushalt vorhandenen elektrischen Leitungen mit 230V Spannung sowie 50 oder 60 Hz zusätzlich zur Übertragung von Daten benutzt. 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 68 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 (IEEE 1901). Die maximale Reichweite von Homeplug-Adaptern auf Stromleitungen beträgt 300 Meter. Die Standards Homeplug AV (200 Mbit/s) und IEEE 1901 (500 Mbit/s) sind zueinander voll kompatibel.

Stromversorgungsnetze (Niederspannungsnetze) sind Drehstromnetze mit drei Außenleitern (Phasen), die in der Regel auf verschiedene Bereiche innerhalb von Wohneinheiten 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. Für eine gewollte, möglichst ungedämpfte Signalüberbrückung zwischen zwei Phasen 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.

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

→ Hauptartikel: Trägerfrequenzanlage#Abstrahlung

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 300 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 von Kerbfiltern die Sendeleistung in PowerLANs 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.

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 RCD-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. Dieses Problem gibt es auch mit drahtlosen Netzwerken (WLAN-Netzwerke, bei denen die Daten über Funk innerhalb der Sendereichweite 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:

Verfahren	Bruttodurchsatz	Nettodurchsatz
Homeplug Turbo	85 MBit/s	34 MBit/s
Homeplug AV	200 MBit/s	90 MBit/s
Fast Ethernet	100 MBit/s	94,93 MBit/s (Datenrate über TCP/IP)
Homeplug AV/IEEE 1901*	500 MBit/s	260 MBit/s

* in nicht erwähnt.

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: ITU G.hn (Nachfolger von DS2 vom gleichnamigen spanischen Hersteller), IEEE 1901 (Zusammenschluss von Panasonic AV und Homeplug). In Privathaushalten ist vor allem Homeplug (AV)/IEEE 1901 weit verbreitet.

Verfahren	Link-Rate	Frequenzbereich
Homeplug	11 MBit/s	4 ... 20 MHz
Homeplug Turbo	85 MBit/s	4 ... 20 MHz
Homeplug AV	200 MBit/s	2 ... 30 MHz
DS2 AV	200 MBit/s	2 ... 30 MHz
Homeplug AV/IEEE 1901	500 MBit/s	2 ... 68 MHz
Homeplug AV2/IEEE 1901	1,5 GBit/s	30 ... 68 MHz

Eine Arbeitsgruppe des IEEE befasst sich seit mehreren Jahren mit der Standardisierung von PowerLAN. Nach einigen Rückschlägen wurde im Oktober 2007 ein Vorschlag in Form eines kombinierten Panasonic-/Homeplug-Konzepts gemacht, der im Dezember 2008 angenommen wurde. Im Februar 2009 wurden Technische Untergruppen gebildet und mit den Tests begonnen. Im Juli 2009 wurde eine erste Entwurfsfassung der Norm IEEE P1901 vorgestellt, 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 endgültig am 30. Dezember 2010 veröffentlicht. Produkte nach dem Standard sind seit Anfang 2011 auf dem Markt verfügbar. Diese sind zum HomePlug AV Standard kompatibel und bieten eine theoretische Verbindungsrate von 500 MBit/s. Seit Januar 2012 gibt es HomePlug AV 2 als weiteren Standard. Ähnlich wie der G.hn. Standard setzt dieser auch auf die MIMO Technik, verspricht, zumindest theoretisch, 1,5 GBit/s und ist mit Home Plug AV / IEEE 1901 kompatibel.

Parallel zum IEEE Standard entwickelte die Internationalen Fernmeldeunion (ITU) einen eigenen Standard mit dem Namen G.hn. Dieser berücksichtigt die Datenübertragung über konventionelle, bereits vorhandene Strom-, Telefon-, Netzwerk- und Kabelfernsehleitungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 GBit/s. Dieses Verfahren wird auch als "Homegrid-Standard" bezeichnet. Der Standardisierungsprozess ist im Juni 2010 abgeschlossen worden. Chips, die nach diesem Standard arbeiten, sind bereits verfügbar. Kommerziell verfügbare Produkte gibt es jedoch noch nicht auf dem europäischen Markt. Die ITU prognostiziert für 2013 den Verkauf von 42 Millionen Geräten mit Unterstützung des Standards G.hn.

Weblinks

Sicherheit in einem PowerLAN / dLAN

Siehe auch

• Trägerfrequenzanlage