Q GDW 11612.41-2016 低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范第4-1部分:物理层通信协议.pdf
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1、 低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范 第 4 1 部分 :物理层通信协议 Low voltage power line broadband communication interoperability technical specifation part41: physical layer protocol 2017 - 06 - 16 发布 2017 - 06 - 16 实施 国家电网公司 发 布ICS 29.240 Q/GDW 国 家 电 网 公 司 企 业 标 准 Q/GDW 11612.41 2016 Q/GDW 11612.412016 I 目 次 前 言 . II 1 范围 .
2、 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语和定义 . 1 4 缩略语 . 2 5 物理层 . 3 编制说明 .37 Q/GDW 11612.412016 II 前 言 为规范 电力用户用电信息采集系统 宽带载波通信的协议要求, 包括频段的选择 、前向纠错码 、 星座点映射、符号生成 等 内容 ,制定本 部分 。 低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范 标准 分为 6个 部分: 第 1部分: 总则 ; 第 2部分:技术要求 ; 第 3部分:检验方法 ; 第 4-1部分:物理层通信协议 ; 第 4-2部分:数据链路层通信协议 ; 第 4-3部分: 应用 层通信协议 。 本部分是 低压电力线宽带载波
3、通信互联互通技术规范 标准 的 第 4-1部分。 本部分由国家电网公司营销部提出并 解释 。 本部分由国家电网公司科技部归口 。 本部分 起草单位: 中国电力科学研究院、国网重庆市电 力公司、国网冀北电力有限公司、国网浙江省电力公司、国网江苏省电力公司、国网天津市电力公司、国网北京市电力公司、全球能源互联网研究院、国网信息通信产业集团有限公 司。 本部分 主要 起草人: 刘宣、张海龙、唐悦、周晖、彭楚宁、 孙洪亮 、刘岩、许文波、陈霄、吕伟嘉、李建岐、高鸿坚、唐晓柯、刘庆扬。 本部分 首次发布。 本部分在执行过程中的意见或建议反馈至国家电网公司科技部。 Q/GDW 11612.412016 1
4、 低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范 第 4-1 部分:物理层通信协议 1 范围 本部分规定了电力用户用电信息采集系统基于宽带载波通信网络的物理层技术。 本部分 适用于用电信息采集系统的集中器通信单元与电能表通信单元、采集器通信单元之间的数据交换。 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。 DL/T 645 多功能电能表通信协议 及其备案文件 Q/GDW 1374.2 电力用户用电信息采集系统技术规范:集中抄表终端技术规范 Q/GDW 1376.2 电
5、力用户用电信息采集系统通信协议:集中器本地通信模块接口协议 3 术语和定义 下列术语 和定义适用于本文件。 3.1 关联 association 用来在通信网络中创建成员隶属关系的一种服务。 3.2 协议数据单元 protocol data unit 两个对等实体之间交换的数据单元。 3.3 宽带载波通信网络 broadband carrier communication network 以低压电力线为通信媒介,实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络,其主要采用正交频分复用技术,频段使用 2MHz12MHz。 3.4 中央协调器 central coordinator 通信网络中的
6、主节点角色,负责完成组 网控制、网络维护管理等功能,其对应的设备实体为集中器本地通信单元。 Q/GDW 11612.412016 2 3.5 站点 station 通信网络中的从节点角色,其对应的设备实体为通信单元,包括 电能表载波模块、 I型采集器载波模块或 II型采集器。 3.6 代理协调器 proxy coordinator 为中央协调器与站点或者站点与站点之间进行数据中继转发的站点,简称代理。 3.7 路由 routing 通信网络中建立和维护从中央协调器到各个站点的传输路径以及从各个站点至中央协调器的传输路径的过程。 4 缩略语 下列 缩略语适用于本文件。 AGC:自动增益控制( A
7、utomatic Gain Control) BCD:二进制码十进制数( Binary Coded Decimal) CCO:中央协调器( Central COordinator) CRC:循环冗余校验( Cyclic Redundancy Check) FC:帧控制( Frame Control) FCCS:帧控制校验序列( Frame Control Check Sequence) FEC:前向纠错编码( Forward Error Coding) FFT:快速傅里叶变换( Fast Fourier Transformation) FL:帧长( Frame Length) ICV:完整性校
8、验值( Integrity Check Value) ITU:国际电信联盟( International Telecommunication Union) LSB:最低位( Least Significant Bit) PB:物理块( PHY Block) PBB:物理块体( PHY Block Body) PBH:物理块头( PHY Block Header) PBCS:物理块校验序列( PHY Block Check Sequence) PCO: 代理协调器( Proxy COordinator) PHY:物理层( Physical Layer) PLC:电力线通信( Power Line
9、 Communication) PPDU:物理层协议数据单元( Physical Layer Protocol Data Unit) RI:滚降间隔( Rolloff Interval) RIFS:回应帧间隔( Response Inter Frame Space) RSVD:保留( Reserved) SNID:短网络标识符( Short Network Identifier) SNR:信噪比( Signal-to-Noise Ratio) Q/GDW 11612.412016 3 SOF:帧起始( Start of Frame) STA:站点( Station) TDMA:时分多址( Ti
10、me Division Multiple Access) TEI:终端设备标识( Terminal Equipment Identifier) 5 物理层 5.1 物理层一般要求和定义 5.1.1 概述 发送端:从数据链路层接收数据,经过系列的信号处理和变换, 采用 OFDM调制方式 对 编码后的数据进行处理并将形成的 OFDM信号发送到电力线; 接收端:从电力线检测到信号后,做 相应的 解码 解调处理,最终将电力线上的载波信号还原为 解码后数据 信息 , 并 送到数据链路层 进行 后续协议解析。 5.1.2 物理层整体架构 物理层整体架构如 图 1 所示。 T u r b o编 码分 集 拷
11、 贝 星 座 点 映 射 I F F T循 环 前 缀& 加 窗模 拟 前 端帧 控 制 数据 输 入前 导扰 码 T u r b o 编 码 信 道 交 织载 荷数 据 输 入F C 编 码载 荷 数 据 编 码模 拟 前 端自 动 增 益 控 制时 钟 / 帧 同 步 F F T 解 调F C 译 码T u r b o 译 码载 荷 数 据 译 码T u r b o译 码帧 控 制 数 据输 出载 荷数 据 输 出解 扰信 道 解 交 织信 道 交 织信 道 解 交 织分 集 合 并分 集 拷 贝分 集 合 并电 力 线 信 道图 1 物理层整体架构框图 Q/GDW 11612.41201
12、6 4 在发射端,物理层接收来自 数据 链路层的输入,采用两个分开的链路分别处理帧控制 数据和 载荷数据。帧控制数据通过 Turbo编码后,进行信道交织和 帧控制 分集拷贝;载荷数据经过加扰、 Turbo编码以及信道交织 和 载荷分集拷贝 后,和帧控制数据一起 进行 星座点映射 , 映射后的数据经过 IFFT处理 后 添加 循环前缀 形成 OFDM符号 , 加入 前导 符号 进行加窗处理 后 , 形成 PPDU信号 送 入模拟前端 最终 发送到电力线信道中。 在接收端,从 模拟 前端接收到数据协同采用 AGC和时间同步分别对帧控制和载荷数据进行调整,并对帧控制和载荷数据进行 FFT变换后 后,
13、进入 解调 、 译 码模块,最终恢复出 帧控制 信息的原始数据 与载荷的原始数据。 5.1.3 物理层数据结构 5.1.3.1 物理层帧结构 物理数据单元帧结构如 图 2 所示。 1 0 2 4 x 1 31 0 2 41 0 2 4 1 0 2 41 0 2 41 0 2 4帧 间 隔1 2 41 2 4P P D U1 0 2 44 5 84 5 8 4 5 8 4 5 8数 据 载荷 1帧 控 制M _ f c h帧 控 制1前 导前 导2 6 42 6 4滚降间隔数 据 载荷 2数 据 载荷 3数 据 载荷 N _ p l d保护间隔保护间隔保护间隔保护间隔保护间隔保护间隔1 0 2
14、44 5 8帧 控 制2保护间隔图 2 帧结构图 物理层 发送的 PPDU信号 帧结构 如上图所示。 PPDU由前导、帧控制和载荷数据组成。前导为一个周期性序列,每个符号的帧控制和 载荷数据 的载波个数为 512个。其中,符号的保护间隔的类型包括 帧控制的保护间隔、载荷数据第 1个和第 2个符号的保护间隔,载荷数据第 3个符号 及 以后 的保护间隔。 5.1.3.2 物理层符号 物理层 OFDM符号,时域上 是 基于 25MHz的时钟采样率。数据经过 1024点 IFFT后,加入循环前缀,形成 OFDM符号 ,循环前缀由滚降间隔和保护间隔组成 。 OFDM符号时序如 图 3 所示, OFDM符
15、号特性如 表 1 所示。 滚 降间 隔O F D M 符 号保 护间 隔循 环前 缀F F T / I F F T 长 度滚 降间 隔图 3 OFDM 符号时序 表 1 OFDM 符号特性 符号参数 时域点数 时间( us) 前导 IFFT 长度 1024 40.96 帧控制 /载荷数据 IFFT 长度 1024 40.96 Q/GDW 11612.412016 5 表 1 (续) 符号参数 时域点数 时间( us) 滚 降间隔 124 4.96 帧控制的保护间隔 458 18.32 载荷数据第 1 个和第 2 个符号的保护间隔 458 18.32 载荷数据第 3 个符号之后的保护间隔 264
16、 10.56 5.1.4 帧控制前向纠错码 5.1.4.1 帧控制前向纠错码流程 帧控制前向纠错码由 Turbo编码、信道交织和分集拷贝组成。 在物理层 OFDM系统中,帧控制符号传输的信息位为 128比特。在发射端,帧控制通过 Turbo编码将128比特的信息位编码为 256比特,再通过信道交织以及分集拷贝对 256比特进行交织和拷贝。帧控制前向纠错码流程如 图 4 所示。 T u r b o 编 码信 道 交 织 分 集 拷 贝1 2 8 比 特2 5 6 比 特2 5 6 比 特2 可 用 子 载 波 F C 符 号 个 数比 特图 4 帧控制前向纠错码流程图 5.1.4.2 帧控制 T
17、urbo 编码 帧控制的 Turbo编码块长度为 PB16,码率为 1/2,最终 Turbo输出为 256比特。其中前 128比特是信息码,后面是校验码。 具体方法见 5.1.5.1 。 5.1.4.3 帧控制 信道交织 帧控制的 信道 交织单元用 于 在多次拷贝和传送到信道之前,将 Turbo编码器的输出位进行随机化。 具体方法见 5.1.5.4 。 5.1.4.4 帧控制分集拷贝 帧控制的 分集拷贝是为了下一步星座点映射的调制方式,将输入的 256比特数据拷贝到频域子载波上 以便于 后续星座映射 。 对于频段 0, 帧控制的可用载波数为 411,子载波编号从 80到 490,采用 QPSK
18、调制方式,有 4个帧控制符号。第一个符号的帧控制,对于 I路来说,输入的比特流( 256比特)按照顺序拷贝到对应的载波上;对于 Q路来说,输入的比特流( 256比特) 加上一个 128的偏置拷贝到对应的载波上,直至完成本次可用载波的拷贝,即在有效子载波上顺序填充的比特编号为( c+128) mod256, c的值顺序从 0到 255。第二个符号的帧控制,对于 I路来说,输入的比特流( 256比特)加上一个 192的偏置 拷贝 到对应的载波上;对于 Q路来说,输入的比特流( 256比特)加上一个 64的偏置拷贝到对应的载波上。第 三 个符号的帧控制,对于 I路来说,输入的比特流( 256比特)加
19、上一个 160的偏置 拷贝 到对应的载波上;对于 Q路来说,Q/GDW 11612.412016 6 输入的比特流( 256比特)加上一个 32的偏置拷贝到对应的载波上。 第 四 个符号的帧控制,对于 I路来说,输入的比特流( 256比特)加上一个 96的偏置 拷贝 到对应的载波上;对于 Q路来说,输入的比特流( 256比特)加上一个 224的偏置拷贝到对应的载波上。 详细定义如 表 2 : 表 2 帧控制 分集 拷贝 可用子载波编号 OFDM 符号 1 I 路 信道交织输出 比特编号 OFDM 符号 1 Q 路 信道交织输出 比特 编号 OFDM 符号 2 I 路 信道交织输出 比特编号 O
20、FDM 符号 2 Q 路 信道交织输出 比特编号 0 0 128 192 64 1 1 129 193 65 2 2 130 194 66 c c mod 256 (c+128) mod 256 (c+192) mod 256 (c+64) mod 256 NumCarriers-1 (NumCarriers-1) mod 256 (NumCarriers-1) +128) mod 256 (NumCarriers-1) +192) mod 256 (NumCarriers-1) +64) mod 256 注: 其中 , NumCarriers表示每个 OFDM符号的可用子载波 。 可用子载波
21、编号 OFDM 符号 3 I 路 信道交织输出 比特编号 OFDM 符号 3 Q 路 信道交织输出 比特 编号 OFDM 符号 4 I 路 信道交织输出 比特编号 OFDM 符号 4 Q 路 信道交织输出 比特编号 0 160 32 96 224 1 161 33 97 225 2 162 34 98 226 c (c+160) mod 256 (c+32) mod 256 (c+96) mod 256 (c+224) mod 256 NumCarriers-1 (NumCarriers-1+160) mod 256 (NumCarriers-1) +32) mod 256 (NumCarri
22、ers-1) +96) mod 256 (NumCarriers-1) +224) mod 256 注: 其中, NumCarriers表示每个 OFDM符号的可用子载波 。 此外,扩展频段 1,帧控制的可用载波数为 131,子载波编号从 100到 230,采用 QPSK调制方式,有 12个帧控制符号。前四个帧控制的 I路和 Q路拷贝方式与频段 0一致;第五个符号的帧控制,对于 I路来说,输入的比特流加上一个 144的偏置拷贝到对应的载波上,对于 Q路来说,输入的比特流加上一个16的偏置拷贝到对应的载波上;第六个符号的帧控制,对于 I路来说,输入的比特流加上一个 80的偏置拷贝到对应的载波上,
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