Analyse von COFDM-Systemen für die Powerline-Kommunikation im Frequenzbereich gemäß EN 50065

MA-Thesis / Master von Dominik Prause

Einleitung:

Die Nutzung des Energieverteilnetzes zur Nachrichtenübertragung hat bereits eine über 80 jährige Tradition. Bis 1998 konnten durch die Regulierung der Energie- und Telekommunikationsmärkte jedoch ausschließlich Energieversorgungsunternehmen (EVU) die Stromversorgungsleitungen zur Kommunikation nutzen. Der durch die Deregulierung entstandene Wettbewerb unter den EVU und die Liberalisierung des Telekommunikationsmarktes ließen neue Geschäftsfelder entstehen. Dazu gehören z.B. Mehrwertdienste wie die automatische Zählerfernabfrage oder Dienstleistungen und Anwendungen auf dem Gebiet der Gebäudeautomatisierung. In den Medien wird oftmals der Begriff des ‘Smart Homes’ oder des ‘Intelligenten Hauses’ verwendet. Hierunter versteht man die Vernetzung von ehemals autark arbeitenden Systemen wie beispielsweise der Beleuchtungssteuerung oder Sicherheitstechnik, mit dem Ziel einer höheren Nutzerfreundlichkeit und der zentralen Bedienbarkeit. Da es sich hierbei hauptsächlich um Steuerungs- und Datenübertragungsaufgaben mit niedrigem Datenvolumen und unkritischen Übertragungsdauern handelt, sind Datenraten von einigen zehn kBit/s ausreichend. Ein anderes Ziel verbirgt sich hinter dem in der Öffentlichkeit oft verwendeten Begriff ‘Internet aus der Steckdose’. Darunter ist sowohl der Zugang zum Internet als auch die Vernetzung von Kommunikationsgeräten wie Computern, Druckern oder Faxgeräten innerhalb von Gebäuden über die Stromversorgungsleitungen zu verstehen. Hierfür sind Datenraten bis zu einigen Mbit/s erforderlich, um mit den heute üblichen Datenübertragungsverfahren wie DSL (Digital Subscriber Line) oder WLAN (Wireless Local Area Network) konkurrieren zu können. Des Weiteren ergibt sich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in Nischenbereichen wie z.B. im industriellen Umfeld, in Kraftfahrzeugen und sogar in Bergwerken.

Allgemein ist ein Trend zur Vernetzung aller elektrisch betriebenen Geräte über Datennetze zu beobachten. Die Nachrichtenübertragung auf Basis des Energieversorgungsnetzes, welche zusammenfassend mit dem Begriff Powerline-Kommunikation (engl.: Power Line Communications, PLC) bezeichnet wird, bietet hierfür eine elegante Möglichkeit und zudem enorme wirtschaftliche Potentiale.

Für die niederratige Datenübertragung, welche im Folgenden ausschließlich betrachtet wird, kann das durch die CENELEC-Norm EN 50065 regulierte Frequenzband von 3 bis 148,5 kHz verwendet werden. Dieser durch die Normungsorganisation ‘Comité Européen de Normalisation Electrotechnique’ (CENELEC) genormte Frequenzbereich wird im Folgenden synonym mit CENELEC-Band bezeichnet wird.

Motivation:

Die Realität zeigt, dass trotz der vielfältigen Möglichkeiten und der wirtschaftlichen Potentiale der erwartete Markterfolg der PLC-Technik bisher ausgeblieben ist. Speziell für die Gebäudeautomatisierung gab es immer wieder Entwicklungen auf Basis der Norm EN 50065. Bis dato konnte sich aber keine erfolgreich durchsetzen. Als Gründe werden unter anderem technische Probleme bezüglich der Zuverlässigkeit bei den erforderlichen Datenraten und die Einschränkungen durch die in Europa geltende Norm EN 50065 angeführt.

Da die Eigenschaften des Stromnetzes primär auf die Belange der Energieverteilung ausgerichtet sind und die technischen Systeme außerdem der EN 50065 genügen müssen, ergeben sich für die Nachrichtenübertragung teilweise ungünstige Übertragungsbedingungen. Dies führt ohne Gegenmaßnahmen auf ein nicht akzeptables Fehleraufkommen in den Empfangsdaten. Kanalcodierungsverfahren, die an die Gegebenheiten des Kanals angepasst sind, stellen eine viel versprechende Maßnahme zur Steigerung der Übertragungsqualität dar. Hierbei erfolgt kein Eingriff in den physikalischen Übertragungskanal, sondern es werden Verfahren eingeführt, die es dem Empfänger ermöglichen Fehler zu erkennen oder sogar zu korrigieren.

Die Powerline-Kommunikation ist ein seit vielen Jahren etablierter Forschungsbereich am Institut für Industrielle Informationstechnik (IIIT) der Universität Karlsruhe (TH). Die Aufgabengebiete erstrecken sich hierbei über einen weiten Bereich und reichen von der Modellierung der Kanaleigenschaften über die Erstellung grundlegender Systemkonzepte bis zur Entwicklung serienreifer Kommunikationslösungen. Während einerseits bereits leistungsfähige Kanalmodelle und Systemkonzepte aus den Forschungen hervorgegangen sind, sind bei der Entwicklung serienreifer Systeme noch Fragen hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu klären.

Ein aktuelles Forschungsprojekt hat zum Ziel, die so genannte Zählerfernabfrage (ZFA) zu realisieren. Hierbei sollen die Messdaten der in den Gebäuden befindlichen Stromzähler mit Hilfe der PLC-Technik zu einer zentralen Basisstation, welche sich in der sogenannten Ortsnetz-Trafostation (Ortsnetzstation) befindet, übertragen werden. Da an einer Ortsnetzstation im Allgemeinen eine große Anzahl an Gebäuden angeschlossen ist, können die Daten dort zunächst gebündelt und dann über das herkömmliche Telekommunikationsnetz zu den Energieversorgungsunternehmen übertragen werden. Für die Kommunikation zwischen der Basisstation und den Stromzählern ist die PLC-Technik insbesondere deshalb interessant, da das Energieverteilnetz zur Datenübertragung genutzt wird und somit eine kostengünstige Kommunikationslösung realisiert werden kann. Momentan befindet sich am IIIT ein Modem in Entwicklung, welches die Übertragung mit Hilfe der Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Technik realisiert. Diese Technik erweist sich als sehr robust gegenüber einigen bei der Powerline-Kommunikation auftretenden Störeinflüssen. Zur weiteren Senkung der Übertragungsfehler sind jedoch zusätzlich Kanalcodierungsverfahren einzusetzen. Kombiniert man Kanalcodierungs-verfahren mit der OFDM-Technik, so spricht man von Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM).

Die Motivation für dieses Forschungsprojekt geht einerseits aus dem großen Bedarf der Energieversorgungsunternehmen an technologischen Lösungen für ein effizientes Energiemanagement hervor, andererseits ist auch zur Erfüllung der Energiesparrichtlinie der EU die Verfügbarkeit der Energieverbrauchsdaten unabdingbar. Um die zeitnahe Verfügbarkeit von Verbrauchsdaten zu gewährleisten, kommt der Zählerfernabfrage hierbei offensichtlich eine zentrale Bedeutung zu.

Ziel und Aufbau der Arbeit:

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Kanalcodierungsverfahren für den Einsatz in einem COFDM-Powerline-Kommunikationssystem für die Zählerfernabfrage.

Hierzu ist zunächst das in vorhergehenden Arbeiten entwickelte, auf einem Träger basierende Simulationsmodell für Systeme im Frequenzbereich der Norm EN 50065 in wesentlichen Punkten zu erweitern. Die Aufgaben hierzu umfassen hauptsächlich die Modifikation des Simulationsmodells hinsichtlich einer Modularisierung der Komponenten, die Erweiterung um einen OFDM-Modulator und Demodulator sowie die Erstellung zusätzlicher Module zur Simulation von Kanalcodierungsverfahren, so dass schließlich ein einfach erweiterbares Modell für die Analysen zur Verfügung steht.

Des Weiteren bestehen die Aufgaben in der Untersuchung typischer Fehlermuster auf Basis des neuen Simulationsmodells, um darauf aufbauend geeignete Übertragungsstrategien abzuleiten. Auf Basis dieser Strategien sind geeignete Kanalcodierungsverfahren auszuwählen und in der Simulationsumgebung zu implementieren. Die durchgeführten Simulationen erlauben dann Aussagen über die erreichbare Bitfehlerwahrscheinlichkeit des Systems.

In Kapitel 2 wird zunächst ein einführender Überblick über die Topologie und die charakteristischen Merkmale des Energieversorgungsnetzes aus Sicht der Nachrichtenübertragung gegeben. Daraufhin werden die wesentlichen physikalischen und regulativen Randbedingungen für die PLC dargelegt und die in dieser Arbeit verwendeten System- und Signalmodelle präsentiert. Des Weiteren werden die prinzipielle Funktionsweise und die charakteristischen Eigenschaften von OFDM-Systemen beschrieben. Den Abschluss dieses Kapitels bildet die Zusammenfassung der Eigenschaften des Übertragungskanals und dessen systemtheoretische Modellierung sowie der Analyse die Fehlermuster in den Empfangsdaten.

Kapitel 3 fasst nach einer kurzen Einführung in die Kanalcodierung die wichtigsten Grundlagen aus der Codierungstheorie zusammen. Weiterhin werden die charakteristischen Merkmale von Blockcodes und Faltungscodes behandelt, wobei die Eigenschaften der in den Simulationen verwendeten BCH- und Faltungs-Codes detailliert betrachtet werden. Des Weiteren wird eine Zusammenfassung der für die Codeauswahl relevanten Randbedingungen gegeben. Darauf aufbauend folgt dann die Darstellung von möglichen Übertragungsstrategien.

Kapitel 4 beschreibt zunächst das Simulationsmodell und die Implementierung der Module. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, werden Referenzsysteme und Referenzkanäle definiert. Die Ergebnisse der Simulationen werden am Ende dieses Kapitels präsentiert und interpretiert.

Die wichtigsten Ergebnisse sind abschließend in Kapitel 5 zusammengefasst.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
1.1	Hintergrund	1
1.2	Motivation	2
1.3	Ziel und Aufbau der Arbeit	3
2.	Systemaufbau und Powerline-Kanäle	5
2.1	Datenübertragung über das elektrische Energieversorgungsnetz	5
2.1.1	Topologie von Energieverteilnetzen	5
2.1.2	Die Norm EN 50065	6
2.2	System- und Signalmodelle	7
2.2.1	Modell des PLC-Systems	7
2.2.2	Systemmodell mit diskretem Kanal	9
2.2.3	Vektorbasiertes Signalmodell	10
2.3	OFDM-Übertragung	10
2.3.1	Funktionsprinzip	11
2.3.2	Vor- und Nachteile von OFDM-Systemen	20
2.4	Kanalmodell	21
2.4.1	Kanalimpulsantwort und Übertragungsfunktion	22
2.4.2	Additive Störungen	25
2.5	Fehlermuster in den Empfangsdaten	36
2.5.1	Beschreibung der Fehlermuster	36
2.5.2	Auswirkungen des Mehrträgersystems	37
2.5.3	Auswirkungen der Modulationsart	38
2.5.4	Auswirkungen des Hintergrundrauschens	39
2.5.5	Auswirkungen der Schmalbandstörer	41
2.5.6	Auswirkungen der periodischen Impulsstörer	42
2.5.7	Auswirkungen der aperiodischen Impulsstörer	44
3.	Kanalcodierungsverfahren	45
3.1	Codierung in der Nachrichtenübertragung	45
3.2	Grundlagen der Kanalcodierung	47
3.2.1	Grundprinzip der Kanalcodierung	47
3.2.2	Mathematische Hilfsmittel	47
3.2.3	Begriffe und Definitionen aus dem Kontext der Kanalcodierung	49
3.2.4	Begriffe aus der Informationstheorie	50
3.3	Blockcodes	51
3.3.1	Grundbegriffe	52
3.3.2	Lineare Blockcodes	52
3.3.3	Zyklische Blockcodes	53
3.3.4	Erkennung und Korrektur von Fehlern	53
3.3.5	BCH Codes	54
3.4	Faltungscodes	58
3.4.1	Beschreibung von Faltungscodes	58
3.4.2	Encodierung von Faltungscodes	62
3.4.3	Decodierung mit dem Viterbi-Algorithmus	62
3.5	Fehlerverteilung	67
3.5.1	Interleaving-Verfahren	68
3.5.2	Dimensionierung eines Interleavers für periodische Impulsstörer	70
3.6	Randbedingungen für die Codeauswahl	71
3.6.1	Charakteristische Fehlerstrukturen / Signalmodell / Kanalmodell	71
3.6.2	Begrenzung der Verzögerungszeit	72
3.6.3	Begrenzung der Übertragungsbandbreite	72
3.6.4	Begrenzung der Sendeleistung	72
3.6.5	Implementierungsaufwand / Resourcenbedarf	72
3.6.6	Systembedingte Datenstrukturen	73
3.7	Übertragungsstrategien	73
3.7.1	Strategien ohne Kanalkenntnis	73
3.7.2	Strategien mit Kanalkenntnis	75
4.	Simulationen	78
4.1	Die Simulationsumgebung	78
4.1.1	Die Simulationssoftware MATLAB	78
4.1.2	Das Simulationsmodell	78
4.2	Implementierung der Systemkomponenten	83
4.2.1	Sender	83
4.2.2	Kanal	86
4.2.3	Empfänger	89
4.2.4	Auswertung	90
4.3	Referenzsysteme und Referenzkanäle	91
4.3.1	Referenzsysteme	91
4.3.2	Referenzkanäle	93
4.4	Simulationsergebnisse	99
4.4.1	Verifizierung der Systeme im AWGN-Kanal	99
4.4.2	Leistungsfähigkeit des OFDM-Systems in typischen Referenzkanälen	104
4.4.3	Leistungsfähigkeit einstufig codierter Systeme	105
4.4.4	Einfluss der Fehlerverteilung auf die Leistungsfähigkeit	108
4.4.5	Vergleich der Simulationsergebnisse	113
5.	Zusammenfassung	115
6.	Literaturverzeichnis	117
	Anhang	120
A	Funktionsreferenz der Matlab-Routinen	120
B	Struktur der Bitfehlerraten-Matrix (m_BER )	129

Textprobe:

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