本應(yīng)用筆記簡要介紹了IEEE通信協(xié)會(huì)如何贊助IEEE P1901.2工作組，該工作組開發(fā)了一個(gè)完整、強(qiáng)大的低頻窄帶電力線通信（LF NB PLC）標(biāo)準(zhǔn)。它討論了LF NB OFDM PLC規(guī)范的高級(jí)結(jié)構(gòu)，并以一些當(dāng)前和特定的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)束。

介紹

本應(yīng)用說明簡要介紹了IEEE通信協(xié)會(huì)（ComSoc）如何贊助IEEE P1901.2。?1工作組，該工作組制定了完整、強(qiáng)大的低頻窄帶電力線通信 （LF NB PLC） 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)圍繞PHY和MAC層構(gòu)建，并結(jié)合了幾種共存機(jī)制，以確?？梢砸灾苯拥姆绞讲渴瓞F(xiàn)有和未來的標(biāo)準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記總結(jié)了LF NB OFDM PLC規(guī)范的結(jié)構(gòu)，以及一些具體的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。本應(yīng)用筆記的讀者應(yīng)該對(duì)P1901.2標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)有很好的了解。

歷史：標(biāo)準(zhǔn)的形成階段

P1901.2工作組的成立始于2009年初，當(dāng)時(shí)參加汽車標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議的幾家公司進(jìn)行了PLC討論。討論集中在如何標(biāo)準(zhǔn)化低于500kHz的PLC解決方案，以滿足即將出臺(tái)的汽車規(guī)范SAE J2931/3和ISO / IEC 15118-3。當(dāng)時(shí)，CENELEC（歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）頻段以上（FCC及更低）范圍內(nèi)的PLC解決方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作有限。2009 年 15 月中旬在科羅拉多州丹佛市舉行的 NIST 贊助的 PAP500 會(huì)議上進(jìn)行了進(jìn)一步的討論，會(huì)上 NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）概述了電力線標(biāo)準(zhǔn)與全球共存的必要性。經(jīng)過額外的會(huì)議，并在IEEE ComSoc理事會(huì)的指導(dǎo)下，確定最好的前進(jìn)道路是與IEEE接洽，贊助<>kHz以下PLC解決方案的新標(biāo)準(zhǔn)工作。

類似于圖1的表格于2009年底提交給IEEE ComSoc。在這次會(huì)議上，IEEE ComSoc同意贊助圍繞LF NB PLC的新標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)。

*標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)布時(shí)正在制定中。
圖1.2009年存在或正在制定的PLC標(biāo)準(zhǔn)匯總表，紫色框突出顯示了目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的PLC解決方案。

因此，下一步是生成工作組PAR（項(xiàng)目授權(quán)請(qǐng)求）。在接下來的一個(gè)月里，一個(gè) PAR2在以下范圍內(nèi)開發(fā)、提交和批準(zhǔn)：

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了通過交流電和直流電力線進(jìn)行低頻（小于500 kHz）窄帶電力線設(shè)備的通信。該標(biāo)準(zhǔn)支持在城市和長距離（多公里）農(nóng)村通信中通過低壓線路（變壓器和電表之間的線路，小于1000 V）通過變壓器低壓到中壓（1000 V至72 kV）以及通過變壓器中壓到低壓電力線進(jìn)行室內(nèi)和室外通信。該標(biāo)準(zhǔn)使用小于 500 kHz 的傳輸頻率。數(shù)據(jù)速率將根據(jù)應(yīng)用要求擴(kuò)展到 500 kbps。該標(biāo)準(zhǔn)適用于電網(wǎng)到公用事業(yè)儀表、電動(dòng)汽車到充電站以及家庭區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景。照明和太陽能電池板電力線通信也是該通信標(biāo)準(zhǔn)的潛在用途。該標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于所有類別的低頻窄帶（LF NB）設(shè)備對(duì)電力線通信信道的平衡和有效使用，定義了不同LF NB標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織（SDO）技術(shù)之間共存的詳細(xì)機(jī)制，確?？梢蕴峁┧璧膸?。該標(biāo)準(zhǔn)通過最大限度地減少頻率大于500 kHz的帶外發(fā)射，確保與寬帶電力線（BPL）設(shè)備的共存。該標(biāo)準(zhǔn)解決了必要的安全要求，以確保[原文如此]通信隱私并允許用于安全敏感服務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)鏈路層的物理層和介質(zhì)訪問子層，由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO） 開放系統(tǒng)互連 （OSI） 基本參考模型定義。

附有其他解釋性說明：

這項(xiàng)工作將考慮現(xiàn)有的窄帶電力線通信技術(shù)（工作頻率低于500 kHz）作為起點(diǎn)，并將審查所涵蓋應(yīng)用場(chǎng)景中的共存、EMC和性能數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)倡議將與同一領(lǐng)域（LF NB）、數(shù)據(jù)速率（可擴(kuò)展至500 kbps）和頻段（頻率500 kHz及更低）的技術(shù)相協(xié)調(diào)，同時(shí)統(tǒng)一正在進(jìn)行的全球智能電網(wǎng)PLC項(xiàng)目。IP 尋址也將是優(yōu)先考慮的 IPv6 或 IPv6/IPv4 雙堆棧，以支持傳統(tǒng)設(shè)備操作。這些將構(gòu)成任務(wù)組詳細(xì)范圍的基礎(chǔ)，該工作組將在P1901.2中工作以開發(fā)最終標(biāo)準(zhǔn)的組件。

作為批準(zhǔn)PAR的結(jié)果，IEEE P1901.2工作組成立了幾個(gè)小組，以解決各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的解決方案。這些領(lǐng)域包括：在低頻帶運(yùn)行的協(xié)調(diào)技術(shù);直通變壓器通信的魯棒性;定義 EMC 的限制和測(cè)試;定義與現(xiàn)有SDO技術(shù)的完整共存機(jī)制;并確定 IP 尋址的優(yōu)先級(jí)。

圖1顯示，在2009年，只有少數(shù)低頻正交頻分復(fù)用（OFDM）PLC技術(shù)投入生產(chǎn)，以配合廣泛部署的CENELEC頻段FSK技術(shù)，這些技術(shù)已被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)。低頻OFDM PLC解決方案包括支持CENELEC頻段的PRIME，5和G3-PLC，它通過FCC頻段支持CENELEC。6因此，為了與同一領(lǐng)域的技術(shù)（即LF NB）保持一致，決定使用PRIME和G3-PLC作為IEEE P1901.2的基礎(chǔ)。

成立了一個(gè)共存分組，以應(yīng)對(duì)管理一個(gè)不太復(fù)雜且可在全球適用的公平機(jī)制的挑戰(zhàn)。成立了一個(gè)EMC子組，以定義超出現(xiàn)有限制的擴(kuò)展全球EMC限制（CENELEC和ARIB（無線電工業(yè)和商業(yè)協(xié)會(huì)）頻段以上的現(xiàn)有限制不完整）。EMC子組還負(fù)責(zé)制定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以滿足這些限制。

OFDM PLC 結(jié)構(gòu)概述

OFDM PLC 標(biāo)準(zhǔn)要求定義 OSI 模型的幾層規(guī)范。這包括具有幀結(jié)構(gòu)和基元的第 1 層物理 （PHY），以及第 2 層媒體訪問 （MAC），通過使用載波檢測(cè)多路訪問和沖突避免 （CSMA/CA） 來調(diào)節(jié)對(duì)介質(zhì)的訪問。MAC 還包括一個(gè)音調(diào)映射響應(yīng)命令和隨附的鄰居表。PHY 和 MAC 層規(guī)格也高度依賴于應(yīng)用頻段。

為了應(yīng)對(duì)具有挑戰(zhàn)性的PLC環(huán)境，PRIME和G3-PLC在其OFDM PLC PHY解決方案中采用了類似的方法。G3-PLC包括一些附加功能，如魯棒模式，自適應(yīng)音調(diào)映射（ATM）和二維交錯(cuò)，以覆蓋具有更嚴(yán)重噪聲損傷的場(chǎng)景。G3-PLC還解決了LV到MV和MV到LV通信的問題。這些功能也被各種新的LF NB OFDM標(biāo)準(zhǔn)所采用。

為了滿足全球法規(guī)的要求，定義了三個(gè)主要頻段：CENELEC頻段（歐洲，CENELEC頻段A，B，C和D），其上限約為150kHz;ARIB頻段（日本），上限約為450kHz;和 FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）頻段（多個(gè)國家），其上限約為 500kHz。盡管這些頻段有明確的上限，但習(xí)慣上在這些限制內(nèi)定義子頻段，以最大化系統(tǒng)參數(shù)以在不同條件下獲得最佳性能，并最大化共享帶寬。這方面的一個(gè)例子是FCC子頻段，其起始頻率高于CENELEC頻段，為154.6875kHz，停止頻率為487.5kHz。由于固有的低EMC輻射（因此，有限的無線串?dāng)_），正確定義的LF NB解決方案可以在具有相對(duì)較小的保護(hù)帶的頻段內(nèi)傳輸，而不會(huì)產(chǎn)生與干擾相關(guān)的問題。

每個(gè)子頻段都定義了開始和停止頻率以及每個(gè)頻段的特定數(shù)量的子載波（音調(diào)）。定義載流子數(shù)量后，將生成一個(gè)表，指示每個(gè)載波的相位矢量定義。利用每個(gè)符號(hào)的已知載波數(shù)，以及每個(gè)PHY幀的符號(hào)數(shù)和FEC塊添加的奇偶校驗(yàn)位數(shù)，可以計(jì)算出PHY數(shù)據(jù)速率。每個(gè)PHY幀中的符號(hào)數(shù)量根據(jù)兩個(gè)參數(shù)選擇：所需的數(shù)據(jù)速率和可接受的魯棒性。例如，對(duì)于起始頻率為154.6875kHz、停止頻率為487.5kHz的FCC子帶，確定的子載波數(shù)為72。

物理層

有關(guān)PHY構(gòu)建塊的詳細(xì)信息已在各種IEEE出版物中提供。最終結(jié)果是NB PLC的通用PHY結(jié)構(gòu)。

收發(fā)器中的基本PHY元件從擾頻器開始。加擾器的功能是隨機(jī)化傳入的數(shù)據(jù)。G3-PLC和PRIME都使用相同的生成器多項(xiàng)式：

s（x） = x7+ x4+ 1

接下來是兩個(gè)級(jí)別的糾錯(cuò)，首先是簧片-所羅門（RS）編碼器，其中來自擾頻器的數(shù)據(jù)通常使用伽羅瓦場(chǎng)（GF）通過縮短的系統(tǒng)簧片-所羅門（RS）代碼進(jìn)行編碼。G3-PLC和PRIME都采用的第二級(jí)糾錯(cuò)器使用約束率K = 1的2/7速率卷積編碼器。卷積編碼器后跟一個(gè)二維（時(shí)間和頻率）交織器。這些模塊共同顯著提高了存在噪聲時(shí)的魯棒性和整體系統(tǒng)性能。

FEC 之后是 OFDM 調(diào)制器。（PRIME和G3-PLC的調(diào)制技術(shù)是IEEE P1901.2中選擇的調(diào)制。定義的調(diào)制器描述了調(diào)制（BPSK、QPSK、8PSK 等）;星座圖;重復(fù)次數(shù)（4、6等）;調(diào)制類型（差分、相干）;頻域預(yù)加重;OFDM生成（IFFT，帶循環(huán)前綴）;和窗口化。

框架結(jié)構(gòu)

物理幀的結(jié)構(gòu)根據(jù)基本系統(tǒng)參數(shù)定義，包括FFT點(diǎn)和重疊樣本的數(shù)量、循環(huán)前綴的大小、前導(dǎo)碼中的符號(hào)數(shù)量和采樣頻率。物理層支持兩種類型的幀：數(shù)據(jù)幀和 ACK/NACK 幀。每幀都以用于同步和檢測(cè)以及自動(dòng)增益控制（AGC）自適應(yīng)的前導(dǎo)碼開頭。前導(dǎo)碼后是分配給幀控制報(bào)頭（FCH）的數(shù)據(jù)符號(hào)，其符號(hào)數(shù)量取決于OFDM調(diào)制使用的載波數(shù)量。

FCH 是在每個(gè)數(shù)據(jù)幀開頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它包含有關(guān)調(diào)制和當(dāng)前幀長度的信息（以符號(hào)為單位）。FCH 還包括用于錯(cuò)誤檢測(cè)的幀控制校驗(yàn)和（CRC 或循環(huán)冗余校驗(yàn)）。CRC的大小取決于所使用的頻段。

自適應(yīng)音調(diào)映射 （ATM）

為了完成優(yōu)化最大魯棒性所需的 PHY 層功能套件，需要 ATM。增加的ATM功能首先通過估計(jì)接收信號(hào)子載波（音調(diào)）的SNR，然后自適應(yīng)選擇可用音調(diào)和最佳調(diào)制和編碼類型來實(shí)現(xiàn)，以確保通過電力線通道進(jìn)行可靠通信。音調(diào)映射還指定了遠(yuǎn)程發(fā)射器的功率電平以及要應(yīng)用于頻譜各個(gè)部分的增益值。每個(gè)載波的質(zhì)量測(cè)量使系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地避免在質(zhì)量差的子載波上傳輸數(shù)據(jù)。使用音調(diào)映射索引系統(tǒng)，接收器了解發(fā)射器使用哪些音調(diào)發(fā)送數(shù)據(jù)，哪些音調(diào)填充了要忽略的虛擬數(shù)據(jù)。ATM的目標(biāo)是在發(fā)射器和接收器之間的給定信道條件下實(shí)現(xiàn)最大可能的吞吐量。

物理層數(shù)據(jù)基元

隨著物理層收發(fā)器規(guī)范的完成，必須定義MAC和PHY層之間的傳輸協(xié)議。該協(xié)議包括可在 MAC 和 PHY 層之間訪問的不同數(shù)據(jù)基元。

介紹了三個(gè)基元。PD-DATA.request 原語由本地 MAC 子層實(shí)體生成，并頒發(fā)給其 PHY 實(shí)體以請(qǐng)求傳輸 PHY 服務(wù)數(shù)據(jù)單元 （PSDU）。PD-DATA.confirm 原語確認(rèn) PSDU 從本地 PHY 實(shí)體到對(duì)等 PHY 實(shí)體的傳輸結(jié)束。PD-DATA.指示原語表示 PSDU 從 PHY 傳輸?shù)奖镜?MAC 子層實(shí)體。

物理層管理原語

PHY 層包括稱為 PLME（物理層管理實(shí)體）的管理實(shí)體。PLME提供層管理服務(wù)接口功能。它還負(fù)責(zé)維護(hù)PHY信息庫（IB）。

PLME-SET.request/confirm 和 PLME-GET.request/confirm 原語允許訪問 PHY IB 參數(shù)。PLME-SET-TRX-STATE.request/confirm 原語控制 PHY TX/RX 的狀態(tài)。PLME-CS.request/confirm 基元使用物理載波檢測(cè)獲取媒體狀態(tài)。

MAC 層

MAC 層是邏輯鏈路控制 （LLC） 層和 PHY 層之間的接口。MAC 層使用 CSMA/CA 來調(diào)節(jié)對(duì)介質(zhì)的訪問。它以正確認(rèn)和負(fù)確認(rèn)（ACK 或 NACK）的形式向上層提供反饋，并執(zhí)行數(shù)據(jù)包分段和重組。數(shù)據(jù)包加密/解密也由MAC層執(zhí)行。

音調(diào)映射響應(yīng)

需要音調(diào)映射響應(yīng) MAC 命令才能利用自適應(yīng)音調(diào)映射。如果設(shè)置了接收的數(shù)據(jù)包段控制字段的音調(diào)映射請(qǐng)求 （TMR） 位，則 MAC 子層將生成音調(diào)映射響應(yīng)命令。這意味著數(shù)據(jù)包發(fā)起方已從目標(biāo)設(shè)備請(qǐng)求音調(diào)映射信息。目標(biāo)設(shè)備必須估計(jì)兩點(diǎn)之間的此特定通信鏈路，并報(bào)告最佳PHY參數(shù)。音調(diào)映射信息包括與 PHY 參數(shù)關(guān)聯(lián)的索引：使用的音調(diào)數(shù)和分配（音調(diào)圖）、調(diào)制模式、TX 功率控制參數(shù)和鏈路質(zhì)量指示器 （LQI）。

鄰居表

每個(gè)設(shè)備都必須維護(hù)一個(gè)鄰居表，其中包含可直接與之通信的所有設(shè)備的信息。從鄰居設(shè)備接收到幀后，將創(chuàng)建相鄰表元素，并在收到色調(diào)映射響應(yīng)命令后立即使用最佳 PHY 傳輸參數(shù)進(jìn)行更新。適配和 MAC 子層必須可以訪問此表。此表的每個(gè)條目都將包含可用于與鄰居設(shè)備通信的 TX 參數(shù)（音調(diào)映射、調(diào)制、TX 增益）。

共存

為了完成超越 PHY 和 MAC 規(guī)范的 OFDM PLC 規(guī)范，另一個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)是定義一種強(qiáng)大可靠的共存機(jī)制。已經(jīng)為窄帶技術(shù)部署了幾種共存機(jī)制。FCC 子帶可實(shí)現(xiàn)一種形式的共存（頻率分離）。另一種共存機(jī)制利用陷波技術(shù)，也稱為音調(diào)掩蔽。陷波方法用于避免電力線監(jiān)管機(jī)構(gòu)為其他應(yīng)用保留的某些頻率;它還允許與PLC S-FSK系統(tǒng)共存，并與電力線上運(yùn)行的其他潛在系統(tǒng)共存。但是，為了滿足IEEE 1901.2開發(fā)完整共存機(jī)制的目標(biāo)，需要額外的機(jī)制。

基于前導(dǎo)碼的共存機(jī)制

經(jīng)過仔細(xì)研究，IEEE P1901.2工作組確定，將新的窄帶OFDM PLC標(biāo)準(zhǔn)解決方案引入市場(chǎng)需要第三種共存機(jī)制。基于序言的第三種機(jī)制符合這一要求。它允許不同的窄帶PLC解決方案與公平性和最小的服務(wù)中斷共存。

基于前導(dǎo)碼的共存機(jī)制采用特定頻率或特定頻率倍數(shù)的固定數(shù)量的中性共存前導(dǎo)碼符號(hào)，具體取決于頻段計(jì)劃。實(shí)施過程涉及幾個(gè)程序。共存機(jī)制的使用取決于技術(shù)類型和部署區(qū)域。定義控制 PIB 屬性以設(shè)置啟用或禁用基于前導(dǎo)碼的 CSMA 解決方案的默認(rèn)值。例如，IEEE 1901.2解決方案在能源供應(yīng)商控制CENELEC A頻段的地區(qū)僅實(shí)施CENELEC A波段計(jì)劃，很可能無法實(shí)現(xiàn)基于前導(dǎo)碼的CSMA共存機(jī)制。相反，解決方案必須依賴于現(xiàn)有的頻率分離或陷波技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

NB LF OFDM PLC 的早期測(cè)試表明，IEEE 1901.2 基于可靠、穩(wěn)健的技術(shù)。大部分最初的全球測(cè)試涉及數(shù)萬到數(shù)萬臺(tái)或更多單位。例如在西班牙的PRIME部署中可以說明這一點(diǎn)，其中PRIME繼續(xù)成功部署。15現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信息已在各種技術(shù)會(huì)議上提供，更多信息可在PRIME聯(lián)盟網(wǎng)站上找到。

Devolo 公司對(duì)早期的 G3-PLC 進(jìn)行了初步測(cè)試??2012年FCC樂隊(duì)在歐洲并觀察到特別有希望的結(jié)果。Devolo的早期測(cè)試試圖確定許多參數(shù)，例如往返中繼時(shí)間，物理層中的帶寬，應(yīng)用層中的帶寬計(jì)算，節(jié)點(diǎn)的可訪問性，通道測(cè)量，參數(shù)化提前期分析以及固件上傳到儀表。16

圖2顯示了其測(cè)試中的PLC通信拓?fù)鋱D，圖3顯示了應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。

圖2.城市抓地力的典型環(huán)境，節(jié)點(diǎn)之間的最大距離為20m。在變電站中安裝一個(gè)接入節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)客戶的場(chǎng)所安裝22個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖片由Devolo AG提供。

圖3.在 Devolo 測(cè)試中在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)的額定數(shù)據(jù)。圖片由Devolo AG提供。

在另一項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，Enexis于1000年在荷蘭委托對(duì)2012 LF NB OFDM PLC通信電表進(jìn)行研究。該測(cè)試評(píng)估了G3-PLC電表在其公用電網(wǎng)中的可靠性、魯棒性和連接性。初步結(jié)果表明，只需很少或無需額外調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)即時(shí)連接。因此，在初始安裝后，數(shù)據(jù)集中器立即發(fā)現(xiàn)了99%的儀表。此外，98% 的儀表滿足每 15 分鐘一次數(shù)據(jù)收集的性能參數(shù)。（請(qǐng)注意，此測(cè)試發(fā)生在人口較少的地形中，路由選項(xiàng)有限。

總結(jié)

本應(yīng)用筆記概述了IEEE 1901.2標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)歷史。標(biāo)準(zhǔn)本身是一份完整、廣泛的文檔，因此本應(yīng)用筆記中的規(guī)范摘要有意省略了許多細(xì)節(jié)。相反，它討論了LF NB OFDM PLC規(guī)范的高級(jí)結(jié)構(gòu)，并以一些當(dāng)前和特定的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)束。讀者現(xiàn)在應(yīng)該對(duì)P1901.2標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)以及早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的有效性有一個(gè)基本的了解。

審核編輯：郭婷