本應用筆記簡要介紹了IEEE通信協會如何贊助IEEE P1901.2工作組，該工作組開發了一個完整、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規范的高級結構，并以一些當前和特定的實際測試數據結束。

介紹

本應用說明簡要介紹了IEEE通信協會（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層構建，并結合了幾種共存機制，以確保可以以直接的方式部署現有和未來的標準。本應用筆記總結了LF NB OFDM PLC規范的結構，以及一些具體的實際測試數據。本應用筆記的讀者應該對P1901.2標準的結構有很好的了解。

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研究院）概述了電力線標準與全球共存的必要性。經過額外的會議，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。

*標準在發布時正在制定中。
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（項目授權請求）。在接下來的一個月里，一個 PAR2在以下范圍內開發、提交和批準：

本標準規定了通過交流電和直流電力線進行低頻（小于500 kHz）窄帶電力線設備的通信。該標準支持在城市和長距離（多公里）農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和室外通信。該標準使用小于 500 kHz 的傳輸頻率。數據速率將根據應用要求擴展到 500 kbps。該標準適用于電網到公用事業儀表、電動汽車到充電站以及家庭區域內網絡通信場景。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。該標準側重于所有類別的低頻窄帶（LF NB）設備對電力線通信信道的平衡和有效使用，定義了不同LF NB標準開發組織（SDO）技術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的帶外發射，確保與寬帶電力線（BPL）設備的共存。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。該標準定義了數據鏈路層的物理層和介質訪問子層，由國際標準化組織 （ISO） 開放系統互連 （OSI） 基本參考模型定義。

附有其他解釋性說明：

這項工作將考慮現有的窄帶電力線通信技術（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和性能數據。該標準倡議將與同一領域（LF NB）、數據速率（可擴展至500 kbps）和頻段（頻率500 kHz及更低）的技術相協調，同時統一正在進行的全球智能電網PLC項目。IP 尋址也將是優先考慮的 IPv6 或 IPv6/IPv4 雙堆棧，以支持傳統設備操作。這些將構成任務組詳細范圍的基礎，該工作組將在P1901.2中工作以開發最終標準的組件。

作為批準PAR的結果，IEEE P1901.2工作組成立了幾個小組，以解決各個關鍵領域的解決方案。這些領域包括：在低頻帶運行的協調技術;直通變壓器通信的魯棒性;定義 EMC 的限制和測試;定義與現有SDO技術的完整共存機制;并確定 IP 尋址的優先級。

圖1顯示，在2009年，只有少數低頻正交頻分復用（OFDM）PLC技術投入生產，以配合廣泛部署的CENELEC頻段FSK技術，這些技術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，為了與同一領域的技術（即LF NB）保持一致，決定使用PRIME和G3-PLC作為IEEE P1901.2的基礎。

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。成立了一個EMC子組，以定義超出現有限制的擴展全球EMC限制（CENELEC和ARIB（無線電工業和商業協會）頻段以上的現有限制不完整）。EMC子組還負責制定測試標準以滿足這些限制。

OFDM PLC 結構概述

OFDM PLC 標準要求定義 OSI 模型的幾層規范。這包括具有幀結構和基元的第 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） 來調節對介質的訪問。MAC 還包括一個音調映射響應命令和隨附的鄰居表。PHY 和 MAC 層規格也高度依賴于應用頻段。

為了應對具有挑戰性的PLC環境，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定義子頻段，以最大化系統參數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傳輸，而不會產生與干擾相關的問題。

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量的子載波（音調）。定義載流子數量后，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，以及每個PHY幀的符號數和FEC塊添加的奇偶校驗位數，可以計算出PHY數據速率。每個PHY幀中的符號數量根據兩個參數選擇：所需的數據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，確定的子載波數為72。

物理層

有關PHY構建塊的詳細信息已在各種IEEE出版物中提供。最終結果是NB PLC的通用PHY結構。

收發器中的基本PHY元件從擾頻器開始。加擾器的功能是隨機化傳入的數據。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據通常使用伽羅瓦場（GF）通過縮短的系統簧片-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性能。

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

框架結構

物理幀的結構根據基本系統參數定義，包括FFT點和重疊樣本的數量、循環前綴的大小、前導碼中的符號數量和采樣頻率。物理層支持兩種類型的幀：數據幀和 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）的數據符號，其符號數量取決于OFDM調制使用的載波數量。

FCH 是在每個數據幀開頭傳輸的數據結構。它包含有關調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 或循環冗余校驗）。CRC的大小取決于所使用的頻段。

自適應音調映射 （ATM）

為了完成優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）的SNR，然后自適應選擇可用音調和最佳調制和編碼類型來實現，以確保通過電力線通道進行可靠通信。音調映射還指定了遠程發射器的功率電平以及要應用于頻譜各個部分的增益值。每個載波的質量測量使系統能夠自適應地避免在質量差的子載波上傳輸數據。使用音調映射索引系統，接收器了解發射器使用哪些音調發送數據，哪些音調填充了要忽略的虛擬數據。ATM的目標是在發射器和接收器之間的給定信道條件下實現最大可能的吞吐量。

物理層數據基元

隨著物理層收發器規范的完成，必須定義MAC和PHY層之間的傳輸協議。該協議包括可在 MAC 和 PHY 層之間訪問的不同數據基元。

介紹了三個基元。PD-DATA.request 原語由本地 MAC 子層實體生成，并頒發給其 PHY 實體以請求傳輸 PHY 服務數據單元 （PSDU）。PD-DATA.confirm 原語確認 PSDU 從本地 PHY 實體到對等 PHY 實體的傳輸結束。PD-DATA.指示原語表示 PSDU 從 PHY 傳輸到本地 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。PLME-SET-TRX-STATE.request/confirm 原語控制 PHY TX/RX 的狀態。PLME-CS.request/confirm 基元使用物理載波檢測獲取媒體狀態。

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 來調節對介質的訪問。它以正確認和負確認（ACK 或 NACK）的形式向上層提供反饋，并執行數據包分段和重組。數據包加密/解密也由MAC層執行。

音調映射響應

需要音調映射響應 MAC 命令才能利用自適應音調映射。如果設置了接收的數據包段控制字段的音調映射請求 （TMR） 位，則 MAC 子層將生成音調映射響應命令。這意味著數據包發起方已從目標設備請求音調映射信息。目標設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。音調映射信息包括與 PHY 參數關聯的索引：使用的音調數和分配（音調圖）、調制模式、TX 功率控制參數和鏈路質量指示器 （LQI）。

鄰居表

每個設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備的信息。從鄰居設備接收到幀后，將創建相鄰表元素，并在收到色調映射響應命令后立即使用最佳 PHY 傳輸參數進行更新。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備通信的 TX 參數（音調映射、調制、TX 增益）。

共存

為了完成超越 PHY 和 MAC 規范的 OFDM PLC 規范，另一個關鍵細節是定義一種強大可靠的共存機制。已經為窄帶技術部署了幾種共存機制。FCC 子帶可實現一種形式的共存（頻率分離）。另一種共存機制利用陷波技術，也稱為音調掩蔽。陷波方法用于避免電力線監管機構為其他應用保留的某些頻率;它還允許與PLC S-FSK系統共存，并與電力線上運行的其他潛在系統共存。但是，為了滿足IEEE 1901.2開發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。基于序言的第三種機制符合這一要求。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的固定數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類型和部署區域。定義控制 PIB 屬性以設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頻段的地區僅實施CENELEC A波段計劃，很可能無法實現基于前導碼的CSMA共存機制。相反，解決方案必須依賴于現有的頻率分離或陷波技術。

現場試驗數據

NB LF OFDM PLC 的早期測試表明，IEEE 1901.2 基于可靠、穩健的技術。大部分最初的全球測試涉及數萬到數萬臺或更多單位。例如在西班牙的PRIME部署中可以說明這一點，其中PRIME繼續成功部署。15現場試驗信息已在各種技術會議上提供，更多信息可在PRIME聯盟網站上找到。

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果。Devolo的早期測試試圖確定許多參數，例如往返中繼時間，物理層中的帶寬，應用層中的帶寬計算，節點的可訪問性，通道測量，參數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顯示了應用層實現的數據速率。

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

圖3.在 Devolo 測試中在應用層上實現的額定數據。圖片由Devolo AG提供。

在另一項現場試驗中，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電表在其公用電網中的可靠性、魯棒性和連接性。初步結果表明，只需很少或無需額外調整，即可實現即時連接。因此，在初始安裝后，數據集中器立即發現了99%的儀表。此外，98% 的儀表滿足每 15 分鐘一次數據收集的性能參數。（請注意，此測試發生在人口較少的地形中，路由選項有限。

總結

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

審核編輯：郭婷