本應用筆記簡要介紹了IEEE通信協(xié)會如何贊助IEEE P1901.2工作組，該工作組開發(fā)了一個完整、強大的低頻窄帶電力線通信（LF NB PLC）標準。它討論了LF NB OFDM PLC規(guī)范的高級結(jié)構(gòu)，并以一些當前和特定的實際測試數(shù)據(jù)結(jié)束。

介紹

本應用說明簡要介紹了IEEE通信協(xié)會（ComSoc）如何贊助IEEE P1901.2。?1工作組，該工作組制定了完整、強大的低頻窄帶電力線通信 （LF NB PLC） 標準。該標準圍繞PHY和MAC層構(gòu)建，并結(jié)合了幾種共存機制，以確保可以以直接的方式部署現(xiàn)有和未來的標準。本應用筆記總結(jié)了LF NB OFDM PLC規(guī)范的結(jié)構(gòu)，以及一些具體的實際測試數(shù)據(jù)。本應用筆記的讀者應該對P1901.2標準的結(jié)構(gòu)有很好的了解。

歷史：標準的形成階段

P1901.2工作組的成立始于2009年初，當時參加汽車標準會議的幾家公司進行了PLC討論。討論集中在如何標準化低于500kHz的PLC解決方案，以滿足即將出臺的汽車規(guī)范SAE J2931/3和ISO / IEC 15118-3。當時，CENELEC（歐洲電工標準化委員會）頻段以上（FCC及更低）范圍內(nèi)的PLC解決方案的標準化工作有限。2009 年 15 月中旬在科羅拉多州丹佛市舉行的 NIST 贊助的 PAP500 會議上進行了進一步的討論，會上 NIST（美國國家標準與技術(shù)研究院）概述了電力線標準與全球共存的必要性。經(jīng)過額外的會議，并在IEEE ComSoc理事會的指導下，確定最好的前進道路是與IEEE接洽，贊助<>kHz以下PLC解決方案的新標準工作。

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

*標準在發(fā)布時正在制定中。
圖1.2009年存在或正在制定的PLC標準匯總表，紫色框突出顯示了目前沒有標準的PLC解決方案。

因此，下一步是生成工作組PAR（項目授權(quán)請求）。在接下來的一個月里，一個 PAR2在以下范圍內(nèi)開發(fā)、提交和批準：

本標準規(guī)定了通過交流電和直流電力線進行低頻（小于500 kHz）窄帶電力線設(shè)備的通信。該標準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行室內(nèi)和室外通信。該標準使用小于 500 kHz 的傳輸頻率。數(shù)據(jù)速率將根據(jù)應用要求擴展到 500 kbps。該標準適用于電網(wǎng)到公用事業(yè)儀表、電動汽車到充電站以及家庭區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信場景。照明和太陽能電池板電力線通信也是該通信標準的潛在用途。該標準側(cè)重于所有類別的低頻窄帶（LF NB）設(shè)備對電力線通信信道的平衡和有效使用，定義了不同LF NB標準開發(fā)組織（SDO）技術(shù)之間共存的詳細機制，確保可以提供所需的帶寬。該標準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。該標準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。該標準定義了數(shù)據(jù)鏈路層的物理層和介質(zhì)訪問子層，由國際標準化組織 （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，并將審查所涵蓋應用場景中的共存、EMC和性能數(shù)據(jù)。該標準倡議將與同一領(lǐng)域（LF NB）、數(shù)據(jù)速率（可擴展至500 kbps）和頻段（頻率500 kHz及更低）的技術(shù)相協(xié)調(diào)，同時統(tǒng)一正在進行的全球智能電網(wǎng)PLC項目。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)成任務組詳細范圍的基礎(chǔ)，該工作組將在P1901.2中工作以開發(fā)最終標準的組件。

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

圖1顯示，在2009年，只有少數(shù)低頻正交頻分復用（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)已被批準為國際標準。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)。

成立了一個共存分組，以應對管理一個不太復雜且可在全球適用的公平機制的挑戰(zhàn)。成立了一個EMC子組，以定義超出現(xiàn)有限制的擴展全球EMC限制（CENELEC和ARIB（無線電工業(yè)和商業(yè)協(xié)會）頻段以上的現(xiàn)有限制不完整）。EMC子組還負責制定測試標準以滿足這些限制。

OFDM PLC 結(jié)構(gòu)概述

OFDM PLC 標準要求定義 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），通過使用載波檢測多路訪問和沖突避免 （CSMA/CA） 來調(diào)節(jié)對介質(zhì)的訪問。MAC 還包括一個音調(diào)映射響應命令和隨附的鄰居表。PHY 和 MAC 層規(guī)格也高度依賴于應用頻段。

為了應對具有挑戰(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，自適應音調(diào)映射（ATM）和二維交錯，以覆蓋具有更嚴重噪聲損傷的場景。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標準所采用。

為了滿足全球法規(guī)的要求，定義了三個主要頻段：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）頻段（多個國家），其上限約為 500kHz。盡管這些頻段有明確的上限，但習慣上在這些限制內(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，有限的無線串擾），正確定義的LF NB解決方案可以在具有相對較小的保護帶的頻段內(nèi)傳輸，而不會產(chǎn)生與干擾相關(guān)的問題。

每個子頻段都定義了開始和停止頻率以及每個頻段的特定數(shù)量的子載波（音調(diào)）。定義載流子數(shù)量后，將生成一個表，指示每個載波的相位矢量定義。利用每個符號的已知載波數(shù)，以及每個PHY幀的符號數(shù)和FEC塊添加的奇偶校驗位數(shù)，可以計算出PHY數(shù)據(jù)速率。每個PHY幀中的符號數(shù)量根據(jù)兩個參數(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化傳入的數(shù)據(jù)。G3-PLC和PRIME都使用相同的生成器多項式：

s（x） = x7+ x4+ 1

接下來是兩個級別的糾錯，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（GF）通過縮短的系統(tǒng)簧片-所羅門（RS）代碼進行編碼。G3-PLC和PRIME都采用的第二級糾錯器使用約束率K = 1的2/7速率卷積編碼器。卷積編碼器后跟一個二維（時間和頻率）交織器。這些模塊共同顯著提高了存在噪聲時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;重復次數(shù)（4、6等）;調(diào)制類型（差分、相干）;頻域預加重;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點和重疊樣本的數(shù)量、循環(huán)前綴的大小、前導碼中的符號數(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以及自動增益控制（AGC）自適應的前導碼開頭。前導碼后是分配給幀控制報頭（FCH）的數(shù)據(jù)符號，其符號數(shù)量取決于OFDM調(diào)制使用的載波數(shù)量。

FCH 是在每個數(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)制和當前幀長度的信息（以符號為單位）。FCH 還包括用于錯誤檢測的幀控制校驗和（CRC 或循環(huán)冗余校驗）。CRC的大小取決于所使用的頻段。

自適應音調(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功能首先通過估計接收信號子載波（音調(diào)）的SNR，然后自適應選擇可用音調(diào)和最佳調(diào)制和編碼類型來實現(xiàn)，以確保通過電力線通道進行可靠通信。音調(diào)映射還指定了遠程發(fā)射器的功率電平以及要應用于頻譜各個部分的增益值。每個載波的質(zhì)量測量使系統(tǒng)能夠自適應地避免在質(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的目標是在發(fā)射器和接收器之間的給定信道條件下實現(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。

介紹了三個基元。PD-DATA.request 原語由本地 MAC 子層實體生成，并頒發(fā)給其 PHY 實體以請求傳輸 PHY 服務數(shù)據(jù)單元 （PSDU）。PD-DATA.confirm 原語確認 PSDU 從本地 PHY 實體到對等 PHY 實體的傳輸結(jié)束。PD-DATA.指示原語表示 PSDU 從 PHY 傳輸?shù)奖镜?MAC 子層實體。

物理層管理原語

PHY 層包括稱為 PLME（物理層管理實體）的管理實體。PLME提供層管理服務接口功能。它還負責維護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)對介質(zhì)的訪問。它以正確認和負確認（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

需要音調(diào)映射響應 MAC 命令才能利用自適應音調(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)映射請求 （TMR） 位，則 MAC 子層將生成音調(diào)映射響應命令。這意味著數(shù)據(jù)包發(fā)起方已從目標設(shè)備請求音調(diào)映射信息。目標設(shè)備必須估計兩點之間的此特定通信鏈路，并報告最佳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

每個設(shè)備都必須維護一個鄰居表，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)映射響應命令后立即使用最佳 PHY 傳輸參數(shù)進行更新。適配和 MAC 子層必須可以訪問此表。此表的每個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，另一個關(guān)鍵細節(jié)是定義一種強大可靠的共存機制。已經(jīng)為窄帶技術(shù)部署了幾種共存機制。FCC 子帶可實現(xiàn)一種形式的共存（頻率分離）。另一種共存機制利用陷波技術(shù)，也稱為音調(diào)掩蔽。陷波方法用于避免電力線監(jiān)管機構(gòu)為其他應用保留的某些頻率;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)完整共存機制的目標，需要額外的機制。

基于前導碼的共存機制

經(jīng)過仔細研究，IEEE P1901.2工作組確定，將新的窄帶OFDM PLC標準解決方案引入市場需要第三種共存機制?；谛蜓缘牡谌N機制符合這一要求。它允許不同的窄帶PLC解決方案與公平性和最小的服務中斷共存。

基于前導碼的共存機制采用特定頻率或特定頻率倍數(shù)的固定數(shù)量的中性共存前導碼符號，具體取決于頻段計劃。實施過程涉及幾個程序。共存機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碼的 CSMA 解決方案的默認值。例如，IEEE 1901.2解決方案在能源供應商控制CENELEC A頻段的地區(qū)僅實施CENELEC A波段計劃，很可能無法實現(xiàn)基于前導碼的CSMA共存機制。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)場試驗數(shù)據(jù)

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

Devolo 公司對早期的 G3-PLC 進行了初步測試??2012年FCC樂隊在歐洲并觀察到特別有希望的結(jié)果。Devolo的早期測試試圖確定許多參數(shù)，例如往返中繼時間，物理層中的帶寬，應用層中的帶寬計算，節(jié)點的可訪問性，通道測量，參數(shù)化提前期分析以及固件上傳到儀表。16

圖2顯示了其測試中的PLC通信拓撲圖，圖3顯示了應用層實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。

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

圖3.在 Devolo 測試中在應用層上實現(xiàn)的額定數(shù)據(jù)。圖片由Devolo AG提供。

在另一項現(xiàn)場試驗中，Enexis于1000年在荷蘭委托對2012 LF NB OFDM PLC通信電表進行研究。該測試評估了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，即可實現(xiàn)即時連接。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)。（請注意，此測試發(fā)生在人口較少的地形中，路由選項有限。

總結(jié)

本應用筆記概述了IEEE 1901.2標準的開發(fā)歷史。標準本身是一份完整、廣泛的文檔，因此本應用筆記中的規(guī)范摘要有意省略了許多細節(jié)。相反，它討論了LF NB OFDM PLC規(guī)范的高級結(jié)構(gòu)，并以一些當前和特定的實際測試數(shù)據(jù)結(jié)束。讀者現(xiàn)在應該對P1901.2標準的結(jié)構(gòu)以及早期現(xiàn)場試驗的有效性有一個基本的了解。

審核編輯：郭婷