用于窄带OFDM PLC的IEEE P1901.2概述、历史和形成

本应用笔记简要介绍了IEEE通信协会如何赞助IEEE P1901.2工作组，该工作组开发了一个完整、强大的低频窄带电力线通信（LF NB PLC）标准。它讨论了LF NB OFDM PLC规范的高级结构，并以一些当前和特定的实际测试数据结束。

介绍

本应用说明简要介绍了IEEE通信协会（ComSoc）如何赞助IEEE P1901.2。®1工作组，该工作组制定了完整、强大的低频窄带电力线通信 （LF NB PLC） 标准。该标准围绕PHY和MAC层构建，并结合了几种共存机制，以确保可以以直接的方式部署现有和未来的标准。本应用笔记总结了LF NB OFDM PLC规范的结构，以及一些具体的实际测试数据。本应用笔记的读者应该对P1901.2标准的结构有很好的了解。

历史：标准的形成阶段

P1901.2工作组的成立始于2009年初，当时参加汽车标准会议的几家公司进行了PLC讨论。讨论集中在如何标准化低于500kHz的PLC解决方案，以满足即将出台的汽车规范SAE J2931/3和ISO / IEC 15118-3。当时，CENELEC（欧洲电工标准化委员会）频段以上（FCC及更低）范围内的PLC解决方案的标准化工作有限。2009 年 15 月中旬在科罗拉多州丹佛市举行的 NIST 赞助的 PAP500 会议上进行了进一步的讨论，会上 NIST（美国国家标准与技术研究院）概述了电力线标准与全球共存的必要性。经过额外的会议，并在IEEE ComSoc理事会的指导下，确定最好的前进道路是与IEEE接洽，赞助<>kHz以下PLC解决方案的新标准工作。

类似于图1的表格于2009年底提交给IEEE ComSoc。在这次会议上，IEEE ComSoc同意赞助围绕LF NB PLC的新标准开发。

*标准在发布时正在制定中。
图1.2009年存在或正在制定的PLC标准汇总表，紫色框突出显示了目前没有标准的PLC解决方案。

因此，下一步是生成工作组PAR（项目授权请求）。在接下来的一个月里，一个 PAR2在以下范围内开发、提交和批准：

本标准规定了通过交流电和直流电力线进行低频（小于500 kHz）窄带电力线设备的通信。该标准支持在城市和长距离（多公里）农村通信中通过低压线路（变压器和电表之间的线路，小于1000 V）通过变压器低压到中压（1000 V至72 kV）以及通过变压器中压到低压电力线进行室内和室外通信。该标准使用小于 500 kHz 的传输频率。数据速率将根据应用要求扩展到 500 kbps。该标准适用于电网到公用事业仪表、电动汽车到充电站以及家庭区域内网络通信场景。照明和太阳能电池板电力线通信也是该通信标准的潜在用途。该标准侧重于所有类别的低频窄带（LF NB）设备对电力线通信信道的平衡和有效使用，定义了不同LF NB标准开发组织（SDO）技术之间共存的详细机制，确保可以提供所需的带宽。该标准通过最大限度地减少频率大于500 kHz的带外发射，确保与宽带电力线（BPL）设备的共存。该标准解决了必要的安全要求，以确保[原文如此]通信隐私并允许用于安全敏感服务。该标准定义了数据链路层的物理层和介质访问子层，由国际标准化组织 （ISO） 开放系统互连 （OSI） 基本参考模型定义。

附有其他解释性说明：

这项工作将考虑现有的窄带电力线通信技术（工作频率低于500 kHz）作为起点，并将审查所涵盖应用场景中的共存、EMC和性能数据。该标准倡议将与同一领域（LF NB）、数据速率（可扩展至500 kbps）和频段（频率500 kHz及更低）的技术相协调，同时统一正在进行的全球智能电网PLC项目。IP 寻址也将是优先考虑的 IPv6 或 IPv6/IPv4 双堆栈，以支持传统设备操作。这些将构成任务组详细范围的基础，该工作组将在P1901.2中工作以开发最终标准的组件。

作为批准PAR的结果，IEEE P1901.2工作组成立了几个小组，以解决各个关键领域的解决方案。这些领域包括：在低频带运行的协调技术;直通变压器通信的鲁棒性;定义 EMC 的限制和测试;定义与现有SDO技术的完整共存机制;并确定 IP 寻址的优先级。

图1显示，在2009年，只有少数低频正交频分复用（OFDM）PLC技术投入生产，以配合广泛部署的CENELEC频段FSK技术，这些技术已被批准为国际标准。低频OFDM PLC解决方案包括支持CENELEC频段的PRIME，5和G3-PLC，它通过FCC频段支持CENELEC。6因此，为了与同一领域的技术（即LF NB）保持一致，决定使用PRIME和G3-PLC作为IEEE P1901.2的基础。

成立了一个共存分组，以应对管理一个不太复杂且可在全球适用的公平机制的挑战。成立了一个EMC子组，以定义超出现有限制的扩展全球EMC限制（CENELEC和ARIB（无线电工业和商业协会）频段以上的现有限制不完整）。EMC子组还负责制定测试标准以满足这些限制。

OFDM PLC 结构概述

OFDM PLC 标准要求定义 OSI 模型的几层规范。这包括具有帧结构和基元的第 1 层物理 （PHY），以及第 2 层媒体访问 （MAC），通过使用载波检测多路访问和冲突避免 （CSMA/CA） 来调节对介质的访问。MAC 还包括一个音调映射响应命令和随附的邻居表。PHY 和 MAC 层规格也高度依赖于应用频段。

为了应对具有挑战性的PLC环境，PRIME和G3-PLC在其OFDM PLC PHY解决方案中采用了类似的方法。G3-PLC包括一些附加功能，如鲁棒模式，自适应音调映射（ATM）和二维交错，以覆盖具有更严重噪声损伤的场景。G3-PLC还解决了LV到MV和MV到LV通信的问题。这些功能也被各种新的LF NB OFDM标准所采用。

为了满足全球法规的要求，定义了三个主要频段：CENELEC频段（欧洲，CENELEC频段A，B，C和D），其上限约为150kHz;ARIB频段（日本），上限约为450kHz;和 FCC（联邦通信委员会）频段（多个国家），其上限约为 500kHz。尽管这些频段有明确的上限，但习惯上在这些限制内定义子频段，以最大化系统参数以在不同条件下获得最佳性能，并最大化共享带宽。这方面的一个例子是FCC子频段，其起始频率高于CENELEC频段，为154.6875kHz，停止频率为487.5kHz。由于固有的低EMC辐射（因此，有限的无线串扰），正确定义的LF NB解决方案可以在具有相对较小的保护带的频段内传输，而不会产生与干扰相关的问题。

每个子频段都定义了开始和停止频率以及每个频段的特定数量的子载波（音调）。定义载流子数量后，将生成一个表，指示每个载波的相位矢量定义。利用每个符号的已知载波数，以及每个PHY帧的符号数和FEC块添加的奇偶校验位数，可以计算出PHY数据速率。每个PHY帧中的符号数量根据两个参数选择：所需的数据速率和可接受的鲁棒性。例如，对于起始频率为154.6875kHz、停止频率为487.5kHz的FCC子带，确定的子载波数为72。

物理层

有关PHY构建块的详细信息已在各种IEEE出版物中提供。最终结果是NB PLC的通用PHY结构。

收发器中的基本PHY元件从扰频器开始。加扰器的功能是随机化传入的数据。G3-PLC和PRIME都使用相同的生成器多项式：

s（x） = x7+ x4+ 1

接下来是两个级别的纠错，首先是簧片-所罗门（RS）编码器，其中来自扰频器的数据通常使用伽罗瓦场（GF）通过缩短的系统簧片-所罗门（RS）代码进行编码。G3-PLC和PRIME都采用的第二级纠错器使用约束率K = 1的2/7速率卷积编码器。卷积编码器后跟一个二维（时间和频率）交织器。这些模块共同显著提高了存在噪声时的鲁棒性和整体系统性能。

FEC 之后是 OFDM 调制器。（PRIME和G3-PLC的调制技术是IEEE P1901.2中选择的调制。定义的调制器描述了调制（BPSK、QPSK、8PSK 等）;星座图;重复次数（4、6等）;调制类型（差分、相干）;频域预加重;OFDM生成（IFFT，带循环前缀）;和窗口化。

框架结构

物理帧的结构根据基本系统参数定义，包括FFT点和重叠样本的数量、循环前缀的大小、前导码中的符号数量和采样频率。物理层支持两种类型的帧：数据帧和 ACK/NACK 帧。每帧都以用于同步和检测以及自动增益控制（AGC）自适应的前导码开头。前导码后是分配给帧控制报头（FCH）的数据符号，其符号数量取决于OFDM调制使用的载波数量。

FCH 是在每个数据帧开头传输的数据结构。它包含有关调制和当前帧长度的信息（以符号为单位）。FCH 还包括用于错误检测的帧控制校验和（CRC 或循环冗余校验）。CRC的大小取决于所使用的频段。

自适应音调映射 （ATM）

为了完成优化最大鲁棒性所需的 PHY 层功能套件，需要 ATM。增加的ATM功能首先通过估计接收信号子载波（音调）的SNR，然后自适应选择可用音调和最佳调制和编码类型来实现，以确保通过电力线通道进行可靠通信。音调映射还指定了远程发射器的功率电平以及要应用于频谱各个部分的增益值。每个载波的质量测量使系统能够自适应地避免在质量差的子载波上传输数据。使用音调映射索引系统，接收器了解发射器使用哪些音调发送数据，哪些音调填充了要忽略的虚拟数据。ATM的目标是在发射器和接收器之间的给定信道条件下实现最大可能的吞吐量。

物理层数据基元

随着物理层收发器规范的完成，必须定义MAC和PHY层之间的传输协议。该协议包括可在 MAC 和 PHY 层之间访问的不同数据基元。

介绍了三个基元。PD-DATA.request 原语由本地 MAC 子层实体生成，并颁发给其 PHY 实体以请求传输 PHY 服务数据单元 （PSDU）。PD-DATA.confirm 原语确认 PSDU 从本地 PHY 实体到对等 PHY 实体的传输结束。PD-DATA.指示原语表示 PSDU 从 PHY 传输到本地 MAC 子层实体。

物理层管理原语

PHY 层包括称为 PLME（物理层管理实体）的管理实体。PLME提供层管理服务接口功能。它还负责维护PHY信息库（IB）。

PLME-SET.request/confirm 和 PLME-GET.request/confirm 原语允许访问 PHY IB 参数。PLME-SET-TRX-STATE.request/confirm 原语控制 PHY TX/RX 的状态。PLME-CS.request/confirm 基元使用物理载波检测获取媒体状态。

MAC 层

MAC 层是逻辑链路控制 （LLC） 层和 PHY 层之间的接口。MAC 层使用 CSMA/CA 来调节对介质的访问。它以正确认和负确认（ACK 或 NACK）的形式向上层提供反馈，并执行数据包分段和重组。数据包加密/解密也由MAC层执行。

音调映射响应

需要音调映射响应 MAC 命令才能利用自适应音调映射。如果设置了接收的数据包段控制字段的音调映射请求 （TMR） 位，则 MAC 子层将生成音调映射响应命令。这意味着数据包发起方已从目标设备请求音调映射信息。目标设备必须估计两点之间的此特定通信链路，并报告最佳PHY参数。音调映射信息包括与 PHY 参数关联的索引：使用的音调数和分配（音调图）、调制模式、TX 功率控制参数和链路质量指示器 （LQI）。

邻居表

每个设备都必须维护一个邻居表，其中包含可直接与之通信的所有设备的信息。从邻居设备接收到帧后，将创建相邻表元素，并在收到色调映射响应命令后立即使用最佳 PHY 传输参数进行更新。适配和 MAC 子层必须可以访问此表。此表的每个条目都将包含可用于与邻居设备通信的 TX 参数（音调映射、调制、TX 增益）。

共存

为了完成超越 PHY 和 MAC 规范的 OFDM PLC 规范，另一个关键细节是定义一种强大可靠的共存机制。已经为窄带技术部署了几种共存机制。FCC 子带可实现一种形式的共存（频率分离）。另一种共存机制利用陷波技术，也称为音调掩蔽。陷波方法用于避免电力线监管机构为其他应用保留的某些频率;它还允许与PLC S-FSK系统共存，并与电力线上运行的其他潜在系统共存。但是，为了满足IEEE 1901.2开发完整共存机制的目标，需要额外的机制。

基于前导码的共存机制

经过仔细研究，IEEE P1901.2工作组确定，将新的窄带OFDM PLC标准解决方案引入市场需要第三种共存机制。基于序言的第三种机制符合这一要求。它允许不同的窄带PLC解决方案与公平性和最小的服务中断共存。

基于前导码的共存机制采用特定频率或特定频率倍数的固定数量的中性共存前导码符号，具体取决于频段计划。实施过程涉及几个程序。共存机制的使用取决于技术类型和部署区域。定义控制 PIB 属性以设置启用或禁用基于前导码的 CSMA 解决方案的默认值。例如，IEEE 1901.2解决方案在能源供应商控制CENELEC A频段的地区仅实施CENELEC A波段计划，很可能无法实现基于前导码的CSMA共存机制。相反，解决方案必须依赖于现有的频率分离或陷波技术。

现场试验数据

NB LF OFDM PLC 的早期测试表明，IEEE 1901.2 基于可靠、稳健的技术。大部分最初的全球测试涉及数万到数万台或更多单位。例如在西班牙的PRIME部署中可以说明这一点，其中PRIME继续成功部署。15现场试验信息已在各种技术会议上提供，更多信息可在PRIME联盟网站上找到。

Devolo 公司对早期的 G3-PLC 进行了初步测试®™2012年FCC乐队在欧洲并观察到特别有希望的结果。Devolo的早期测试试图确定许多参数，例如往返中继时间，物理层中的带宽，应用层中的带宽计算，节点的可访问性，通道测量，参数化提前期分析以及固件上传到仪表。16

图2显示了其测试中的PLC通信拓扑图，图3显示了应用层实现的数据速率。

图2.城市抓地力的典型环境，节点之间的最大距离为20m。在变电站中安装一个接入节点，在一个客户的场所安装22个节点。图片由Devolo AG提供。

图3.在 Devolo 测试中在应用层上实现的额定数据。图片由Devolo AG提供。

在另一项现场试验中，Enexis于1000年在荷兰委托对2012 LF NB OFDM PLC通信电表进行研究。该测试评估了G3-PLC电表在其公用电网中的可靠性、鲁棒性和连接性。初步结果表明，只需很少或无需额外调整，即可实现即时连接。因此，在初始安装后，数据集中器立即发现了99%的仪表。此外，98% 的仪表满足每 15 分钟一次数据收集的性能参数。（请注意，此测试发生在人口较少的地形中，路由选项有限。

总结

本应用笔记概述了IEEE 1901.2标准的开发历史。标准本身是一份完整、广泛的文档，因此本应用笔记中的规范摘要有意省略了许多细节。相反，它讨论了LF NB OFDM PLC规范的高级结构，并以一些当前和特定的实际测试数据结束。读者现在应该对P1901.2标准的结构以及早期现场试验的有效性有一个基本的了解。

审核编辑：郭婷