路径: 主页 > GB/T > 第176页 > GB/T 31983.31-2017 | 标准编号 | GB/T 31983.31-2017 (GB/T31983.31-2017) | | 中文名称 | 低压窄带电力线通信 第31部分：窄带正交频分复用电力线通信 ... | | 英文名称 | Narrow band power line communication over low-voltage mains -- Part 31: Narrow band orthogonal frequency division multiplexing power line -- Communication physical layer specification | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | N22 | | 国际标准分类 | 17.220.20 | | 字数估计 | 35,377 | | 发布日期 | 2017-05-12 | | 实施日期 | 2017-12-01 | | 引用标准 | GB/T 31983.11-2015 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | GB/T 31983的本部分规定了基于正交频分复用(OFDM)技术的低压窄带电力线通信(PLC)物理层协议规范，包括物理层协议数据单元格式(PPDU)、信道编码、交织、OFDM调制、物理层信号帧产生以及连续传输方式和工频同步过零时隙传输方式等。本部分适用于3 kHz～500 kHz频段通过室内或室外低压交流配电线或直流输电线进行数据传输和通信。在本部分物理层协议规范的基础上，一个在低压配电网上建立起的由多个通信节点组成的完整PLC系统还包括数据链路层(DLL，由介质访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LL | GB/T 31983.31-2017: 低压窄带电力线通信 第31部分: 窄带正交频分复用电力线通信 物理层规范
GB/T 31983.31-2017 英文名称: Narrow band power line communication over low-voltage mains -- Part 31: Narrow band orthogonal frequency division multiplexing power line -- Communication physical layer specification
ICS 17.220.20
N22
中华人民共和国国家标准
低压窄带电力线通信
第31部分:窄带正交频分复用电力线通信
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
1 范围
GB/T 31983的本部分规定了基于正交频分复用(OFDM)技术的低压窄带电力线通信(PLC)物理
层协议规范,包括物理层协议数据单元格式(PPDU)、信道编码、交织、OFDM 调制、物理层信号帧产生
以及连续传输方式和工频同步过零时隙传输方式等。
本部分适用于3kHz~500kHz频段通过室内或室外低压交流配电线或直流输电线进行数据传输
和通信。在本部分物理层协议规范的基础上,一个在低压配电网上建立起的由多个通信节点组成的完
整PLC系统还包括数据链路层(DLL,由介质访问控制子层 MAC和逻辑链路控制子层LLC组成),以
及与具体应用情形相关的应用层。典型的低压窄带电力线通信应用情形包括智能电能表集中抄表
(AMR)、AMI/AMM、家居智能控制、路灯控制、智能楼宇、四表集抄以及智能电网(SmartGrid)的其他
应用,例如:电动车辆充电控制等。
本部分同样适用于中压电力线通信,以及城市和农村的长距离电力线通信。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 31983.11-2015 低压窄带电力线通信 第11部分:3kHz~500kHz频带划分、输出电平
和电磁骚扰限值
3 术语和定义、符号、缩略语
4 网络模型
4.1 PLC域
PLC域是指在低压配电网上建立的一个电力线通信范畴,它具有以下特点:
a) 一个PLC域包含一个域管理节点(DM)以及多个终端设备节点(TN)。DM 负责管理域内的
终端设备节点,包括组网管理和路由管理等。每一个节点具有一个介质访问控制(MAC)地
址,该地址在一个域中应具有唯一性。
b) 同一个低压配电网上可能存在多个PLC域,每个域具有一个域标识(DID),在同一个低压配
电网内,域标识应具有唯一性。这些域的划分是逻辑的而非物理的,相邻的域可能部分重叠。
因此,属于某一个域的节点在物理层可能“听到”另一个域的节点。为消除或减小这种域间串
扰对PLC通信的影响,应采取一定的措施,包括阻波隔离、域识别、以及时域或频域复用信道
接入机制等。
c) PLC域可以是“不完全连接”域,即域内两节点之间由于信道噪声、干扰及信号衰减等原因而
不能实现物理层点对点通信。因此,域内节点之间的通信可能需要借助其他节点的中继转发。
4.2 参考模型
4.2.1 概述
PLC域协议参考模型及其与OSI参考模型的对应关系如图1所示,它包括物理层(PHY)、介质访
问控制子层(MAC)、逻辑链路控制子层(LLC)、应用支持层(APS)和应用层(APP)。PHY层、MAC子
层和LLC子层组成不依赖于具体应用的低层协议,它通过APS层及应用接口(AI)为应用层提供服务。
在实际系统中,应用层对应于一个具体的应用情形和应用层协议,例如:AMR、家庭能源管理
(HEM)等。
图1 PLC参考模型
4.2.2 各层主要功能和服务
APS层为应用层协议数据通过DLL层进行传输提供适配功能。应用接口(AI)由具体的应用情形
定义,一般包括物理或逻辑接口和交互协议。应用层通过AI提交待发送数据,以及通过AI接收数据。
APS利用数据链路层服务进行数据发送和接收。
LLC子层和 MAC子层构成数据链路层DLL。DLL为应用层提供端到端的数据链路。LLC子层
负责建立、管理和控制网络路由,包括节点中继转发控制。MAC子层负责电力线共享介质的接入控
制,包括载波侦听和避碰(CSMA/CA)算法,避免发送冲突。
物理层负责将 MAC子层数据进行信道编码、OFDM调制、产生物理层信号帧、以及将信号耦合到
电力线上进行传输。在接收方向,物理层将从电力线上接收到的信号帧进行解调和解码,恢复数据链路
层数据并将其提交给 MAC子层。
介质无关物理层接口(PMI)为独立于具体物理介质的物理层服务接口。PMI为功能接口,通过服
务原语定义,包括PHY层数据和管理服务。
物理层通过介质相关接口(MDI)与物理介质连接,MDI与具体的物理介质有关,MDI包括信号的
电气指标要求,以及信号与物理介质的耦合和连接规范等。
此外,物理层、MAC子层、LLC子层和 APS层分别通过管理原语PHY-MGMT、MAC-MGMT、
LLC-MGMT和APS-MGMT提供管理服务。
4.2.3 物理层服务
物理层通过PMI提供不依赖于具体物理介质的数据服务和管理服务,见表2和表3。
5.1 概述
本物理层基于覆盖3kHz~500kHz频段的窄带OFDM技术,支持物理层信号帧以连续传输方式
或工频同步过零时隙方式传输方式。
5.2 物理层框图
物理层发射端框图见图2。
发射端完成从输入的数据比特到电力线传输信号的转换。输入的待发送数据比特经过比特加扰、
RS编码、卷积编码、打孔、比特重复、交织,然后进行比特到符号的星座映射,再将映射后的数据与导频
数据一起进行OFDM符号的调制,并插入循环前缀和加窗重叠,至此形成数据的帧体部分。数据帧体
部分与前导、帧头复接成发射信号帧,最终通过模拟前端注入到电力线进行传输。
图2 物理层发射端框图
5.3 数据预处理
5.3.1 CRC校验
待发送的 MAC层协议数据单元(MPDU)通过PMI接口服务原语PHY-DATA.req传递给物理
层,数据长度为LMPDU字节。输入到物理层的LMPDU字节数据按照式(2)补零后长度变成Ld字节并表示
为DL。Ld 字节数据成为物理层实际要发送的数据。在发送端,对Ld 字节数据计算CRC-16,并将
16比特CRC校验字附加在数据块后面,形成Ld+2字节。
5.3.2 分帧发送
若Ld+2字节数据超过单个物理帧所能承载的最大数据长度BytesPerFrame,则需要将其拆分成
多个物理帧进行发送。物理层对每一个分帧进行独立编码和发送。分帧由物理帧头中分帧序号(FSN)
进行标识。
分帧处理过程如下:
a) 若发送Ld+2字节不超过BytesPerFrame,则进行单帧发送;BytesPerFrame由物理层单帧载
荷最大OFDM个数(MOFDM)、调制方式、编码方式、子载波组数等决定。MOFDM=64。
b) 否则,将Ld+2字节数据拆分成多个分帧进行发送。分帧处理器根据BytesPerFrame确定分
帧数以及每帧发送的字节数。
c) 每个分帧独立进行编码和发送,并用FSN(见表5)进行标识。
5.4 物理层帧格式
5.4.1 概述
物理层帧由前导(Preamble),物理帧头(PFH)、扩展帧头(PFH_EXT)(若有)和载荷(Payload)组
成,见图3。
图3 物理层帧结构
前导供接收机进行帧检测、帧同步和定时,并携带传输模式识别。物理帧头携带帧类型、编码和调
制方式等信息供接收机对所接收到的物理层信号帧进行解调和解码。扩展帧头(若有)携带子载波动态
映射表。帧载荷域承载 MAC层协议数据单元(MPDU),其长度可变。
5.4.2 前导(Preamble)
前导主要用于接收端帧信号检测、帧同步、接收机定时同步等,同时携带传输模式标识。本物理层
支持两种传输模式:连续传输和工频同步过零时隙传输。发送端可以采用其中任一,接收端自动检测。
两种传输模式所对应的识别码分别为:
工频同步过零时隙传输:Pre1[20]={1,0,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,1,0,0,0,1}。
连续传输:Pre2[20]={0,1,0,1,1,1,1,1,0,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,0}。
注:前导的生成方式详见5.7.5。
5.4.3 物理帧头(PFH)
物理帧头为30比特信息,包括帧类型(FT,1比特)和帧控制信息(FCI,29比特)。
本物理层定义两种帧类型,即数据帧和确认帧。定义见表4。
5.4.4 扩展帧头(PFH_EXT)
当物理帧头PFH中的帧头扩展标志(EXT)为1时,PFH后面跟随PFH_EXT。
PFH_EXT共36比特,子载波动态映射(TM)占用31比特,扩展帧头校验字EHCS占用5比特,
见表7。
5.5.1 子载波类型
子载波分为如下类型:
a) 不可用子载波(FSC):根据国家或地区频段政策规定或出于其他目的(例如,保护频带)而明确
不允许使用的频率。FSC应设置为0。
b) 可用子载波(USC):除了FSC以外的子载波。但一个具体应用情形所使用的子载波与应用情
形具体的工作频带有关。因此,USC进一步分为:
1) 带内子载波(IBSC):包含在应用情形工作频带内的子载波,它进一步分为:
① 数据子载波(DSC):加载数据比特,用于传输数据信息;
② 导频子载波(PSC):加载特殊的已知数据比特,用于接收机定时恢复、信道估计等;
③ 被屏蔽子载波(MSC):带内被屏蔽而不可使用的子载波,设置为0。
2) 带外子载波(OBSC):不包含在工作频带内的可用子载波,设置为0。
5.5.2 子载波组
10个连续的子载波构成一个子载波组。
5.5.3 子载波超级组
一个子载波超级组由4个连续的子载波组构成。
5.5.4 子载波屏蔽
子载波屏蔽分为静态屏蔽和动态屏蔽。静态屏蔽是指收发双方已约定并固定不使用的子载波。动
态屏蔽是指发送端根据信道情况随时改变所使用的子载波,需要将子载波屏蔽信息通过帧头通知接收
端。静态屏蔽适用于前导、物理帧头、扩展帧头(如有)和载荷,动态屏蔽仅适用于载荷。
当静态屏蔽带内子载波时,应将子载波所在的整个子载波组及其左右相邻的组屏蔽,称为被屏蔽子
载波组(MSG)。带内没有被屏蔽的子载波组称为有效子载波组(ASG)。一个有效子载波组包括1个
导频子载波(PSC),其余子载波承载数据比特,即数据子载波(DSC)。
当在工作带宽内使用动态子载波屏蔽时,最小屏蔽单位为一个子载波超级组。
5.5.5 频率方案
频率方案(FrequencyPlan)是指应用情形的具体工作频段,可以从任何子载波起始,但总是包含整
数个子载波组。具体的子载波组个数决定了频率方案的带宽。频率方案起始子载波对应频率Fstart,终
止子载波对应频率Fend。频率方案见附录B。
5.6 信道编码
5.6.1 比特加扰
为了增加传输数据的随机性,对每个分帧数据流使用比特加扰进行加扰处理。
比特扰码是一个二进制伪随机序列。其生成多项式见式(4):
比特重复是指将卷积编码后的数据比特进行一定倍数的重复,重复倍数可为1、2、4或6。重复的
规则是:卷积输出的每个比特重复后依次送入交织器。
5.6.6 交织
5.6.6.1 交织器
比特重复后的数据首先用随机比特进行填充(填充规则见5.6.6.2)数据量到9×G×b×n比特,其
中G 为可用子载波组,b为子载波加载比特数,n为OFDM符号数。
填充后的数据以比特流的形式逐列写入交织器。比特交织器结构见图4。交织器具有m 列和
n行,其中m 最大为216。若交织器写满时还有剩余数据,则先将交织器输出,再对剩余数据重复上述
步骤进行交织。
5.6.6.2 比特填充
若物理帧帧头、扩展帧头(若有)或载荷部分整数个OFDM符号所承载的数据比特数大于实际待发
送数据,则需要对待发送数据适当填补,即在交织器中以伪随机比特追加到待发数据比特后面;
用于填充的随机比特由线性反馈移位寄存器产生,见图5。
5.6.7 物理帧头和扩展帧头编码
物理帧头及扩展帧头(若有)单独进行校验和编码。物理帧头的30个比特或扩展帧头的36个比特
经过卷积编码、比特重复、交织等后加载到OFDM符号进行传输。
前向纠错编码采用约束长度为7、编码效率为1/2的卷积码,其生成多项式为(133,171),卷积编码
器结构见附录D。物理帧头的30个比特或扩帧帧头的36个比特(含CRC校验比特)以比特流的方式
输入到卷积编码器,LSB先,且最后补6个零(冲刷比特)。
经过卷积编码后的数据再经过6倍比特重复后,经过交织器后通过OFDM调制进行传输。
5.7.1.1 概述
交织器输出的比特流按照子载波加载次序依次分割成比特组,每组b比特。星座映射将每个比特
组转换为一个复数(I,Q)并调制到所对应的数据子载波上。对于物理帧头和扩展帧头(若......
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