Normierung von Powerline Communication durch IEEE und ITU-T

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 IEEE 1901
2.1 Bitübertragungsschicht
2.2 Sicherungsschicht
2.3 Sicherheit

3 ITU-T G.hn und G.hnem
3.1 ITU-T G.hn
3.1.1 Bitübertragungsschicht
3.1.2 Sicherungsschicht
3.2 ITU-T G.hnem
3.3 Sicherheit

4 Zusammenfassung

Quellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

Bei Powerline Communication (PLC) oder auf Deutsch Trägerfrequenztechnik mit Trä- gerfrequenzanlagen (TFA) handelt es sich um eine allgemeine Bezeichnungen für die Mehrfachnutzung bestehender Telefon- beziehungsweise Stromnetze zur zusätzlichen Übertragung von Sprache oder Daten [1, S. 1]. Im Gegensatz dazu beschreibt zum Bei- spiel Power over Ethernet (POE) nach IEEE 802.3af-2003⁷ oder IEEE 802.3at-2009⁸, die umgekehrte Vorgehensweise, das heißt die Übertragung von Energie zusätzlich zu Ethernet-Kommunikation. Im Unterschied zu POE sind bei PLC aber weder Parame- ter des physikalischen Mediums oder der Energieübertragung noch die Modulation der Sprach- oder Datenkommunikation oder des dazu zu verwendenden Protokolls impliziert oder gar vorgegeben. Tatsächlich handelt es sich bei PLC um eine altbekann- te Technik, die erstmals im Jahr 1838 vom Engländer Edward Davy zur entfernten Messung von Batterien verwendet wurde. Im Jahr 1897 meldete er schließlich das Britische Patent mit der Nummer 24833 zum Ablesen von Stromzählern über Stromleitungen an [1, S. 1]. Im weiteren Verlauf der Geschichte wurde PLC schließlich auch für die Übertragung von Drahtfunk¹, Telegraphie und Telefonie über bereits bestehende Infrastruktur verwendet²⁰.

Tatsächlich dauerte es aber bis in das Jahr 2010, um PLC vor allem für die Verwendung in intelligenten Stromnetzen² oder Smart Grids und Zugangsnetzen zu normieren. Das heißt für Dienste basierend auf dem Internet Protokoll (IP) wie Internet-Zugang, Internet Protocol Television (IPTV) oder Voice over IP (VoIP) vom Netzbetreiber zum Endkunden, sowie zur hausinternen Vernetzung als Local Area Network (LAN) ein- schließlich Heimautomation ist die Verwendung nun international vereinheitlicht¹⁹. Dies geschah jedoch jeweils getrennt durch das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und dem Telecommunication Standardization Sector der Interna- tional Telecommunication Union (ITU-T) in verschiedenen Normen beziehungsweise Normenfamilien für jeweils die Bitübertragungs- (Physical Layer) und die Siche- rungsschicht (Data Link Layer) nach dem ISO/OSI-Schichtenmodell gemäß ISO/IEC 7498-1:1994¹³. Die PLC-Spezifikationen der jeweiligen Normierungsgremien sind sich zwar ähnlich und darauf basierende Geräte können innerhalb eines Stromnet- zes koexistieren, sind jedoch auf funktionaler Ebene zueinander inkompatibel. Im Folgenden werden diese Normen respektive Normenfamilien vorgestellt.

2 IEEE 1901

In der Norm IEEE 1901-2010¹¹ ist sowohl die Bitübertragungs- als auch die Sicherungsschicht für PLC über Gleichspannungsnetze sowie 50-Hz- und 60-Hz- Wechselspannungsnetze spezifiziert. Der Fokus dieser Norm liegt dabei auf dem Einsatz von PLC für:

- hochbitratige Breitband-Zugangsnetze mit Datenraten größer 100 Megabit per Second (Mbps) unter Verwendung von Übertragungsfrequenzen bis 100 MHz,
- hochbitratige Breitband-Heimnetze mit Datenraten größer 100 Mbps unter Verwendung von Übertragungsfrequenzen bis 100 MHz, sowie
- niederbitratige Schmalband-Netze mit Datenraten im Bereich von mehreren 100 Kilobit per Second (kbps) unter Verwendung von Übertragungsfrequenzen bis 500 kHz.

Die niederbitratige Variante ist dabei einerseits für die Verwendung in Smart Grids, bei denen es in Europa auf die Einhaltung der Frequenzbereiche sowie der Grenzwerte für elektromagnetische Abstrahlungen nach der Norm CENELEC 50065-1:2011² (beziehungsweise entsprechende Normen in anderen Regionen) ankommt, gedacht. Andererseits ist aber auch deren Einsatz in Fahrzeugen, wo die Limits der elektroma- gnetischen Abstrahlung der Norm CISPR 25:2008¹² zu beachten sind, vorgesehen.

Besser bekannt sind die hochbitratigen Varianten durch die Zugangsnetzspezifikation HomePlug Access BPL (Broadband Power Line) sowie die Heimnetzspezifikationen HomePlug AV2 (Audio Video 2) und Green PHY (Physical Layer Transceiver) der HomePlug Alliance. Diese Spezifikationen sind in IEEE 1901-2010 eingeflossen, re- spektive kompatibel zu ihr. Entsprechende PLC-Chip-Sätze und -Endprodukte sind von diversen Herstellern verfügbar⁴.

2.1 Bitübertragungsschicht

Für die Bitübertragungsschicht spezifiziert IEEE 1901-2010 zwei verschiedene Transceiver. Dabei handelt sich einerseits um einen aus der HomePlug-AV- Spezifikation übernommenen FFT (Fast Fourier Transform)- und zum anderen um einen Wavelet OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)-PHY. Die Un- terschiede beim Einsatz dieser beiden PHY-Typen bestehen im Wesentlichen in sich daraus ergebenden Details für das eingesetzte Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA)-Verfahren. Ferner folgen daraus eine unterschiedliche Anzahl an Zugangsprioritäten (vier beim FFT- und acht beim Wavelet-PHY) sowie das Fehlen eines Burst Mode beim Wavelet-PHY.

2.2 Sicherungsschicht

Der Zugriff auf das Übertragungsmedium erfolgt nach IEEE 1901-2010 auf Basis der in Abbildung 2.1 dargestellten Media Access Control (MAC)-Zyklen. Beim Einsatz von PLC mit Wechselspannungsnetzen können diese MAC-Zyklen auf die Netzfrequenz synchronisiert sein, müssen dies aber nicht. Diese Zyklen teilen sich in drei Bereiche auf. Der erste Bereich ist die sogenannte Beacon Region, in dem ein Beacon von dem als sogenannten Basic Service Set (BSS) Manager (BM) fungierenden Teilnehmer im PLC-Netz gesendet wird. Das übertragene Beacon enthält die Startzeiten der nächsten beiden Abschnitte, der Contention Period (CP) und der Contention Free Period (CP).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: MAC-Zyklen von IEEE 1901-2010 und ITU-T G.hn¹⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Zuordnung von Benutzerprioritäten zu Applikationsklassen in IEEE 1901-2010¹⁹

2.3 Sicherheit

Da es sich bei PLC um Kommunikation über ein geteiltes Medium handelt - bei dem Daten potentiell von Dritten abgehört oder verfälscht werden können -, sieht IEEE 1901-2010 den Einsatz des Security-Framework gemäß IEEE 802.1X-2010⁵ zusammen mit dem Cipherblock Chaining Message Protocol (CCMP) vor. Insgesamt ergibt sich hieraus ein Sicherheitskonzept ähnlich dem der aus dem Funknetzbereich bekannten Norm IEEE 802.11i-2004⁹.

[...]

¹ Rundfunk über mehrfach genutztes Telefon- oder Stromnetz.

² Stromnetze mit zur Optimierung und Überwachung kommunizierenden Erzeugern, Betriebsmitteln, Speichern und Verbrauchern [18, S. 11].