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Powerline

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Powerline ist ein Verfahren zur Datenübertragung über vorhandene elektrische Spannungsnetze. Die zugehörigen Adapter steckt man einfach in die Steckdose und über die jeweiligen LAN-Buchsen kann man beliebige Geräte miteinander verbinden. Ideal für Situationen in denen man kein LAN-Kabel verlegen kann. Die Firma AVM, z.B., hat eine ganze Serie von Powerline-Adaptern mit unterschiedlichen Optionen. Das Bild zeigt ein Paar der einfachen Modelle vom Typ FRITZ!Powerline 510E. Die funktionieren prima und zuverlässig.

Ein Nachteil ist die eingeschränkte Übertragungsrate gegenüber einem "echten" LAN-Kabel. Sie hängt von den Eigenschaften des Stromnetzes ab, ist schwer vorherzusagen und schwankt. Als Lösung habe ich den Adapter so modifiziert dass er die modulierten Daten über ein separates Kabel transportiert, ein Antennenkabel (Koaxialkabel).

Optimierungsversuche

Die Ausgangslage:

Die maximal erreichbare Netto-Übertragungsrate liegt in der Gegend von ~20 MBit/s.

Adapter 1, Position Keller, Typ AVM 510E, 100 MBit/s LAN-Port. Per LAN-Kabel verbunden mit dem Internet-Modem, 250 Mbit/s Verbindung, GBit LAN-Port.

Adapter 2, Position Obergeschoss, Typ AVM 510E, 100 MBit/s LAN-Port. Per LAN-Kabel verbunden mit dem PC, GBit LAN-Port.

Beide Adapter sitzen auf der selben Netzphase. Die Adapter der 500er Serie haben einen LAN-Port der maximal nur 100 MBit/s unterstützt. Diese Grenze werde ich nicht überschreiten können.

Das Powerline-Tool von AVM zeigt Werte im Bereich um 100 MBit/s für die physikalische Brutto-Übertragungsrate an. Die reale Netto-Datenrate wird nicht angezeigt (nur die LAN-Geschwindigkeitskategorie). Nach meinen bisherigen Beobachtungen liegen die beiden Werte immer grob um den Faktor 4 auseinander.

Die Angaben für den Netto-Durchsatz kommen vom "Vodafone Speedtest" der im PC-Browser läuft. Kein perfektes Setup, aber für relative Vergleiche gut genug.

Ein Test mit probeweise eingesetzten Adaptern aus der 1000E-Serie (1 GBit/s) erbrachte nur minimalen Geschwindigkeitszuwachs auf knapp 30 MBit/s.

Deutlich besser wird der Datendurchsatz wenn man beide Adapter testweise an physikalisch eng benachbarten Steckdosen betreibt (mit einem langen Verlängerungskabel).

Mit einer direkten LAN-Kabel-Verbindung zwischen Modem und PC steigt der Netto-Durchsatz auf 250 MBit/s, dies entspricht 100% der gebuchten Internetdatenrate. Es ist daher sehr plausibel dass die Powerline-Verbindung massgeblich für die Drosselung verantwortlich ist.


Fazit: Mehr als 30 MBit/s sind in meinem Stromnetz nicht erreichbar. Die Güte des Netzes und eine geringe Dämpfung haben (erwartungsgemäss) einen gewaltigen Einfluss.

LAN über Koaxialleitung, Antennenkabel

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Powerline verwendet zur Datenübertragung ein Trägersignal im Bereich 2 .. 68 MHz. Dieser Träger wird auf die Netzleitung aufmoduliert und darüber verteilt. Die Ausbreitungsbedingungen sind aber alles andere als ideal, wodurch der Datendurchsatz begrenzt wird. Optimaler wäre es die Modulation über ein getrenntes Kabel zu übertragen..

Glücklicherweise liegt bei mir noch ein Koaxialkabel aus der "guten alten Fernsehzeit". Es startet im Keller und wandert durch das ganze Haus. Perfekt für meine Zwecke :).

Wer sowas nicht liegen hat kann möglicherweise auch irgendwelche anderen 2 Adern eines anderen Kabel (mit-)verwenden. Telefonanlage? Klingel? Oder eine Wasserleitung..? Powerline schluckt so ziemlich alles und passt die Datenrate automatisch auf das Maximum an.

Adapter modifizieren

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Vorab ein wichtiger Sicherheitshinweis.

Die Schaltung ist direkt mit dem Stromnetz verbunden. Viele Teile führen lebensgefährliche Spannungen!


Die grundsätzliche Idee hinter dem Umbau: Das Modulationssignal abgreifen bevor es ins Stromnetz eingespeist wird und auf einen extra Stecker umleiten. Der Adapter ist damit "nur noch" ein Netzteil für den LAN-Transceiver. Weil man auf der Niederspannungsseite arbeitet sind die Spannungen niedrig und harmlos. Das neue Datenkabel bleibt durch den Transformator isoliert und spannungsfrei.

Freundlicherweise sind die Adapter so aufgebaut dass man die Funktionsgruppen leicht erkennen kann:

  • Der Modulator (AR1540, Unten) schickt die Modulationssignale über ein Anpass- und Schutz-Netzwerk zum Netzstecker
  • Das Schaltnetzteil (Oben) versorgt den Adapter
  • Ein Optokoppler (Mitte) liefert Synchronisationssignale
Auf der Platinenunterseite erkennt man deutlich einen unbestückten Sicherheitsstreifen auf der Platine. Dies ist die räumliche Trennung zwischen dem Netzspannungsbereich (Rechts, böse) und dem sicheren Niederspannungsbereich (Links, gut). Der Sicherheitsstreifen wird nur durch spezielle, sichere Bauteile überbrückt (Transformatoren, Kondensatoren, Optokoppler). Das ist eine übliche Methode um eine sichere Netztrennung zu gewährleisten.

Der im Bild markierte Transformator (Ferritkern) bildet die galvanische Trennung zwischen dem Modulator (AR1540) und dem Stromnetz. An dieser Stelle werden die modulierten Signale ins Netz eingespeist. Diesen Transformator habe ich ausgelötet/umgedreht und an seine Ausgangs-Pins das Koaxialkabel angeschlossen. Die Modulationssignale gelangen dadurch nur noch auf/in die Koaxialleitung.

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Im Testaufbau ist ein kurzes Stück Doppelleitung als Zugentlastung eingefügt. Reflexionen auf Grund der unterschiedlichen Leitungsstrukturen erwarte ich nicht. Bei 68 MHz ist die Leitung elektrisch extrem kurz und nicht relevant.
Im finalen Aufbau wird eine F-Buchse verwendet die direkt im Gehäuse montiert ist.

Diese Modifikation muss in beiden Adaptern vorgenommen werden.

Dem LAN-Transformator ist es relativ egal was für eine Type Kabel angeschlossen wird. Signaltechnisch optimal wäre es natürlich mit einer passenden Leitungsimpedanz weiter zu gehen. Bei 70 MHz halte ich es aber für unnötig sich über Wellenparameter Gedanken zu machen. Zudem ist der Pegel sehr hoch und Fehlanpassungen spielen keine Rolle.

Ergebnisse

Mehr als 100 MBit/s beim Speedtest und ein fettes Spektrum, voller Erfolg :).
Links alt, rechts neu. Bemerkenswert ist der Zugewinn oberhalb 30 MHz.
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Das PowerLine-Tool von AVM zeigt mehr als 400 MBit/s an. Diese Datenrate bezieht sich aber nur auf das Modulationssignal, der Adapter selbst ist ja spätestens durch seinen 100 MBit/s LAN-Port begrenzt.
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Powerline, technischer Hintergrund

Powerline Communications (PLC) war Anfang der 2000er Jahre "ganz heisser Scheiss". Der Traum war die 230V-Versorgungsnetze für die breitflächige Versorgung mit Internetzugang einzusetzen. Es kam ganz allerdings ganz anders durch den Erfolg von VDSL, Kabelnetzen und ganz aktuell dem Mobilfunk. Übrig blieb die Verwendung im Home-Bereich.

Powerline verwendet vorhandene Stromleitungen für die Datenübertragung. Die Datensignale werden dabei auf die Stromleitung aufmoduliert. Der Frequenbereich ist 2 .. 68 MHz.

Der aktuell relevante Standard ist IEEE P1901. Die erste Fassung wurde 2010 veröffentlich, die akuellste Revision (IEEE P1901-2020) Anfang 2021.
Im Power Line Communications Standards Committee (PLCSC) der IEEE wird der Standard weiterentwickelt und gepflegt.
Hier eine Übersicht der vom IEEE veröffentlichten Standards, leider nicht frei downloadbar.

Die HomePlug Powerline Alliance ist eine Interessensgruppe aus mehreren Firmen die sich zur Unterstützung des Standards zusammengeschlossen haben.

Vor der Standardisierung gab es diverse Eigenentwicklungen, wie z.B. HomePlug oder DS2 AV, die zueinander nicht kompatibel waren.

Das verwendete Modulationsverfahren ist OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Der Standard definiert 2 unterschiedliche Verfahren, FFT-OFDM und Wavelet-OFDM.

  • FFT-OFDM ist die relevante Modulation mit der alle für den "normalen Hausgebrauch" üblichen Adapter arbeiten.
  • Wavelet-OFDM wird bei HD-PLC (High Definition Power Line Communication) verwendet. Diese Variante wird von Panasonic gefördert und im asiatischen Raum in den Bereichen TV, AV und Überwachungskameras verwendet. Damit nicht relevant für den europäischen Markt und hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

Viele Adapter verwenden Chipsätze von Atheros, dass 2011 von Qualcomm übernommen wurde. Im AVM 510E steckt ein AR7420 kombiniert mit einem AR1540.

Datenraten

Die für den Anwender auf LAN-Ebene nutzbare Nettodatenrate ist immer deutlich unterhalb der Datenrate der Powerline-Modulation (wer hätte etwas anderes erwartet..?). Eine grobe Übersicht der theoretisch maximal erreichbaren Daten:

Verfahren/Standard Bruttodurchsatz
[Mbit/s]
Nettodurchsatz
[Mbit/s]
~Jahr
Homeplug 1.0 14 5 2001
Homeplug Turbo 85 34 2001
Homeplug AV 200 90 2005
Homeplug AV/IEEE 1901 500 260 2010
Homeplug AV2/IEEE 1901 1200 350 2012

Die Brutto-Durchsatzrate ist nur was für die Werbeprospekte.

Der HomePlug-Standard definiert diverse Geräte-Klassifizierungen und Profile. Diese werden aber selbst von den beteiligten Firmen ignoriert. Passender ist die folgende, inoffizielle Einteilung:

Verfahren/Standard Werbeangabe
Bruttodurchsatz
[Mbit/s]
Chipsatz
AV 200 - INT6400 / INT1400
- QCA6410
- BCM 60321
AV500 500 - QCA AR7420 / AR1540
- AR7400 / AR1500
AV2-SISO 600 - QCA7450 / AR1540
AV2-SISO 1000 - BCM60333
AV2-MIMO 1200 - QCA7500
AV2-MIMO 2000 - BCM60500

Ein Grossteil des Datendurchsatz wird für die Redundanz und damit die Robustheit der Übertragung aufgebraucht. Die Art der Übertragung (=Modulationsart) wird dynamisch an die Höhe der Störbelastung angepasst.

Beginnend mit HomePlug AV2 wird ein sog. MIMO-Verfahren verwendet. Dabei werden 2 getrennte Sender/Empfänger benutzt und die Daten durch geschickte Berechnungen wieder zusammengeführt. Als Ergebnis erhält man ~ eine Verdoppelung der Datenrate.
Dies setzt aber einen zweiten Übertragungskanal voraus. Üblicherweise wir dafür der Schutzleiter verwendet. Ich denke man kann anhand der "Natur dieses Tricks" bereits erahnen dass die hohen Datenraten nur in optimalen Umgebungen realisierbar sind.

Da ich bei meinen Modifikationen nur einen einzelnen Übertragungskanal verwende (Koaxkabel) ist MIMO nicht anwendbar. Entsprechend kann ich die 500 MBit/s Brutto nicht übertreffen. Die in meinen Versuchen erreichten ~100 MBit/s Netto sind somit ein normaler, realistischer Wert.

Kritik und Probleme

Funkamateure sind absolute Gegner von Powerline. Die Modulation auf der Netzleitung wird abgestrahlt und wirkt wie ein Grundrauschen für die Radiompfänger, wodurch deren Empfindlichkeit und Reichweite sinkt. Im Heim-Powerline-Bereich sind die verwendeten Pegel zum Glück relativ niedrig und die Störungen gering. Der ursprünglich geplante (weltweite) breitflächige Einsatz über die Versorgungsnetze hätte wesentlich drastischere Auswirkungen gehabt.

Das Frequenzspektrum unterhalb ~30 MHz enthält viele ausgeblendete Bereiche, zum Schutz gegen Störung anderer Funkdienste.

Praktisch alle am Stromnetz angeschlossenen Geräte haben diverse Kondensatoren eingebaut um sich selbst und andere Verbraucher gegen Spannungsstörungen zu schützen. Ebenso wirken Netzteile in bestimmten Frequenzbereichen wie ein Signalkurzschluss. Die Bedingungen für die Ausbreitung der Trägermodulation ist daher denkbar ungünstig. Hinzu kommen erhebliche Störsignale durch z.B. elektronische Dimmer oder Haushaltsgeräte. In der Praxis ist die realisierbare Datenrate daher sehr stark von den Geräten auf der gemeinsamen Netzphase abhängig.

Fritz!Powerline 1220E

Ein weiterer Adapter aus meinem Fundus den ich zur Unterhaltung zerlegt habe: AVM Fritz!Powerline 1220E. Die 1000er-Bezeichung steht für 1 GBit/s Übertragungsrate. Der Adapter hat 2 x 1 GBit-LAN Ports und eine Steckdose für Verbraucher.
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Das Innere ist deutlich aufwändiger als in der 500er Serie und auf 2 Platinen verteilt.
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Ein provisorischer Schaltplan.
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Dieser Adapter verwendet eine 2x2 MIMO Modulation mit einer theroretischen Übertragungsrate von mehr als 1 GBit/s. Als zweiter Kanal wird der Schutzleiter verwendet, der Signaltransformator ist deshalb doppelt ausgeführt.
Unabhängig davon haben ausserdem die Rx- und Tx-Pfade separate Wicklungen. Dadurch können sie bei ihren jeweiligen optimalen Impedanzen betrieben werden.

Ohne es getestet zu haben würde ich die Schaltung ebenfalls für einen Umbau als geeignet ansehen. Falls 3 Adern zur Verfügung stehen kann man sogar die MIMO-Betriebsart nutzen. Ansonsten würde ich nur den Übertrager-Teil für Phase und Nulleiter verwenden und den vom Schutzleiter ignorieren/stillegen.

Der Haupt-Chip "versteckt" sich unter einem aufgeklebtem Kühlkörper, daher keine Infos. Möglicherweise einer aus der QCA7500-Serie?
Der Ethernet-Chip ist ein QCA8334 von Qualcomm. Wie bei denen leider üblich sind keine öffentlichen Infos oder Datenblätter verfügbar.

Oops, I did it again..

Eigentlich wollte ich nur mal kurz in den AVM 1220E "reingucken", aber jetzt habe ich ihn doch umgebaut.. Weil er 2 LAN-Ports hat die ich gerade sehr gut gebrauchen kannn. Und auch die zusätzliche Steckdose ist sehr angenehm.
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Der steckbare Platinenverbinder entfällt und wird durch fest verlötete Kabel ersetzt. Der freigewordene Platz wird für die Einbau-F-Buchse benötigt.
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Die 4 Signale auf dem Platinenverbinder sind für den Optokoppler (2x), Masse und Versorgungsspannung.

Das Trägersignal wird direkt hinter dem Trafo auf der oberen Platine abgegriffen. Zur DC-Entkopplung sind 2 der grossen, blauen Koppelkondensatoren (die werden auf der unteren Platine nicht mehr benötigt) in die Kabel zur F-Buchse eingeschleift. Der 2te Kanal (für MIMO) ist unbenutzt.

Links und Hinweise

Die Idee von Ethernet-over-coax ist nicht neu. Fertige Geräte gibt es z.B. bei
Reichelt: EOC 1-31 Ethernet über Koax / 720 Mbps.

Wer lieber selbst bastelt findet in diesem
Thread im www.mikrocontroller.net
viele Anregungen.

Dieser Bastler hat einen
TP-Link TL-PA4010 modifiziert.
Die Stromversorgung wurde komplett entfernt und durch ein externes 12V-Netzteil ersetzt.
Das vorhandene 230V Netzteil nicht weiter zu benutzen macht die Bastelei natürlich sicherer. Allerdings ist auf den Platinen üblicherweise auch noch ein Optokoppler vorhanden um die Nulldurchgänge zu detektieren und die Modulation zu synchronisieren (glaube ich). Diese Signale entfallen dann und möglicherweise blockiert das die komplette Funktion des Adapters. In einigen Forumsbeiträgen wurde deshalb ein 50Hz Oszillator hinzugefügt.

Ein weiterer Bericht über das Zerlegen eines
TP Link Powerline Adapter.
Der verwendete Chipsatz ist identisch mit dem im AVM 510E.

Diese Seite nennt sich SmallNetBuilder und zeigt die Innereien zweier Adapter die ebenfalls mit dem gleichen Chipsatz-Gespann (AR7420 + AR1540) arbeiten.
Actiontec PWR500 and TRENDnet TPL-406E2K Powerline Adapters Reviewed
Dort finden sich noch weitere Reviews von ähnlichen Adaptern:
ZyXEL PLA5405 1200 Mbps