国家标准 GB/T31983.31一2017 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 Narrobandp0werlinecommunication0verlow-voltagemains Part31Narowbandorthogomalfrequeeydivisionmltiplesximgpowerline Communieationphysieallayerspecificationm 2017-05-12发布 2017-12-01实施中华人民共利国国家质量监督检验检疙总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB:/T31983.31一2017 前言 GB/T31983《低压窄带电力线通信》分为下列部分第11部分:3kHz一500kHz频带划分,输出电平和电磁骚扰限值; 第21部分:3kHz500kHz频带通信设备与系统抗扰度要求; -第31部分:窄带正交频分复用电力线通信物理层规范; -第32部分:窄带正交频分复用电力线通信数据链路层规范本部分为GB/T31983的第31部分本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草请注意本文件的某些内容可能涉及专利本文件发布机构不承担识别这些专利的责任本部分由机械工业联合会提出本部分由全国电工仪器仪表标准化技术委员会(SAC/TC104)归口本部分起草单位国网黑龙江省电力有限公司,深圳市力合微电子股份有限公司,哈尔滨电工仪表研究所,电力科学研究院、青岛舱信通讯股份有限公司,距泉光电科技(上海)股份有限公司国网重、深圳市航天泰瑞捷电子有限公司、国庆市电力公司电力科学研究院、黑龙江省电力有限公司计量中心网江苏省电力公司电力科学研究院,云南电网有限责任公司电力科学研究院、国网江西省电力科学研究院、烟台东方威思顿电气股份有限公司、江苏林洋能源股份有限公司、华立科技股份有限公司本部分主要起草人;刘鲍、王璀,陈波、葛得辉,刘宣、孟宇,张旭明,李万宏、赵锋,关文举、杨晓源、孙洪亮、曹敏、王天宇、赵震宇、纪峰、刘建、王文国、陆寒熹、曾仕途、陈闻新、姜滨
GB/T31983.31一2017 引言随着智能电网及电力物联网的快速发展,迫切需要根据新的需求提升网络和通信技术电网本身是一个连接各种用电设备和终端的庞大网络,利用电力线进行数据传输和实现各种用电设备和终端的网络连接具有无需重新布线的优势发达国家及国际标准化组织以电力线为介质进行通信技术及标准化推进,相继推出ITU.g.9901/2/3/4、IEEE1901.2等标准在此背景下结合国情制定本标准体系本物理层协议规范支持3kHz一500kHz电力线通信专用频段,适用于数据设备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本物理层协议规范基于正交频分复用(OFDM) 技术,并允许具体的应用系统定义具体的中心频率和带宽在本物理层协议规范的基础上,可定义数据链路层协议本物理层协议规范不局限于任何特定的窄带电力线通信应用层协议,它适用于各种低压窄带电力线通信应用系统,这些系统包括(但不限于)智能电能表集中抄表(AMR),.AMI/AMM,智能家居控制、路灯控制、楼宇智能化电动汽车充电控制等
GB:/T31983.31一2017 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范围 GB/T31983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(PIC)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),AM1/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/T31983.11一2015低压窄带电力线通信第11部分;3kH2500kH么频带划分,输出电平和电磁骚扰限值术语和定义、符号、缩略语 3.1术语和定义下列术语和定义适用于本文件 3.1.1 linecommunication 电力线通信power 将信息数据调制到合适的载波频率上,以电力线作为物理介质进行传输,实现在数据终端之间的通信或控制 3.1.2 电力线载波通信powerlinecearriercommmunieationm 即电力线通信 3.1.3 窄带电力线通信 narrowbandpowerlinecommunication 载波频率在3kHz500kHz频段的电力线通信
GB/T31983.31一2017 3.1.4 低压电力线通信powerlinecommunieationoerlow-oltagemains 利用低压配电线路作为介质的电力线通信 3.1.5 PLC低层协议power linecommunieationlowerlayerprot0col PLC低层协议包括物理层、数据链路层(由介质访问控制子层和逻辑链路控制子层组成) 3.1.6 linecommmunication PC应用applieationofpower 建立在PILC低层协议之上的具体电力线通信应用系统,具有确定的业务功能和应用层协议 3.2符号以下符号和代号适用于本文件加载到子载波的比特组的宽度 DL 载荷携带数据的长度因子子载波组个数 G MAc层待传输的MPDU字节数 Mu m1 交织器的行数 M 单帆载荷最大的OFDM个数 loFM IFFT的抽样数 Na 循环前缀的采样数 OFDM符号数 3.3缩略语表1的缩略语适用于本文件表1缩略语 A Applieatonlnterface 应用接口 AMI dlMeterimg 高级量测体系 Advanced lnfrastructure AMR AutomaticMeterReading 自动抄表 AMM AdvancedMeteringManagement 高级计量管理 APP Applieation 应用层 APS 应用支持层 ApplicationSupportIayer ASG ActiveSubcarrierGroup 有效子载波组 BinaryPhaseShifKeying 二进制相移键控 BPSK CENELEC EuropeanCommitteeforEleetrotechniealStandardization 欧洲电工标准化委员会 CRC CyelieRedundancyCheek 循环冗余校验 CSMA/CA CarrierSenseMultipleAccesswithCollsionAvoidanee 基于载波侦听和避碰的信道接人 CycliePrefix 循环前缀 CP DD 域标识 DomainIdentification DLL DataLinkLayer 数据链路层 DM 域主节点 DomainMasterNode
GB:/T31983.31一2017 表1(续数据子载波 DSC DataSubcarrier FCI FrameControlInformation 顿控制信息 FEc ForwardErorCorectionm 前向纠错 FFT FasFourierTransform 快速傅里叶变换 FsC ForbiddenSubcarrier 不可用子载波 FT FrameType 类型 G 保护间隔 GuardInterval HCS HeaderCheckSum 头校验 HEM HomeEnergyManagement 家庭能源管理 lBSC In-bandSubcarrier 带内子载波 IEC nternationalElectrotechnicalCommittee 国际电工委员会电气和电子工程师协会 Instituteof 1EEE ofElectriealandEleetronicsEngineers FFT nverseFastFourierTransform 逆傅里叶变换 rU InternationalTelecommunicationsUnion 国际电信联盟 LSB leastSignificantBit 最低有效位 LL.c 逻辑链路控制 I.ogicalIinkControl MAC MediumAccessControl 介质访问控制 MD1 MediaDependentlnterface 介质相关接口 MPDU MACProtocolDataUnit MAC层协议数据单元 MSB MostSignificantHit 最高有效位 MSC MaskedSubcarrier 被屏蔽子载波 MsG MaskedSubcarrierGroup 被屏蔽子载波组带外子载波 Out-ofbandSubearrier OBSC OFDM OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 正交频分复用 0SI OpenSystemlInterconnection 开放式系统互联 Physicall.ayet PHY 物理层 Psc PilotSubcarrier 导频子载波 PLC PowerLineCommunication 电力线通信 PM 介质无关的物理层接口 PhysicalMediaIndependentInterface PN PseudorandomNoiseSequence 伪随机噪声序列 PSDu PHYServiceDataUnit 物理层服务数据单元 QPSK QuaternaryPhaseShiftKeying 正交相移键控 QAM QuaternaryAmplitudeModulation 正交幅度调制 RS Reed-SoomonCode 里德-所罗门码 TM ToneMap 音色图谱(本规范中特指子载波映射终端设备节点 TN TerminalNode USC UsableSubcarrier 可用子载波
GB/T31983.31一2017 网络模型 4.1PLC域 PLC域是指在低压配电网上建立的一个电力线通信范睛,它具有以下特点: a 一个PIC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PILC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人机制等 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0SI参考模型的对应关系如图1所示,它包括物理层(PHIY、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) PHHY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)等应用层APP) AMR/AMM 家庭能源管理(HEM 应用情形应用情形管理 APS-MGMT 应用支持层APS LLC-MGMT 逻辑链路控制子层LLC OSI参考模型 MAC-MGMT 介质访问控制子层MAC PMI 数据链路层Dutalinkyer PHY-MGMIT 物理层Physicalayer 物理层PHY MD1 电力线图1PLc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
GB:/T31983.31一2017 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人控制,包括载波侦听和避碰(CSMA/C'A)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(P\MI)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,MD与具体的物理介质有关,MD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、LIc子层和APs层分别通过管理原语PHHY-MGMT,MAc-MGMT、 LLc-MGMT和APSMGMT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 表2物理层数据服务数据服务方向说明 DLL.-》PHY DL.L请求PHY发送MPDU PHY-DATA.req PHY层返回先前PHY-DATA.re执行结果(发送成 PHIY-DATA.cnf PHY-》DLL 功,发送失败,接收端肯定确认、接收端否定确认、确认超时等 PHIY-DATA.ind PHY-》DLL PHY将接收到的传递给MAC层 PHY-ACK.reg DLL-》PHY DLL请求PHY发送ACK PHY-AcK.ind PHY-)DLL PHY将接收到的确认赖内容传递给MAC1 层表3物理层管理服务管理服务说明方向 PHIY-MGMT -》PHIY 管理请求 .reg PHY-MGMT.cnf PHIY-》 PHY层返回先前PHY-MGMT.req执行结果 PHY-MGMT.ind PHY-》 PHY发出有关物理层管理的指示 PHY-MGMT.res ->PHY 对PHY-MGMG.ind的响应(本地物理层编码和调制 5.1 概述本物理层基于覆盖3kHz一500kHz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
GB/T31983.31一2017 5.2物理层框图物理层发射端框图见图2 发射端完成从输人的数据比特到电力线传输信号的转换输人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,并插人循环前缀和加窗重叠,至此形成数据的帧体部分数据帜体部分与前导、头复接成发射信号,最终通过模拟前端注人到电力线进行传输载荷输 RS编码比特重复交织比特加找卷积编码打孔入数据星座映射头输 CRC-5 卷积编码比特重复交织入数据插入CP" OFDM 导频插入 AFE 调制加窗插入前导图2物理层发射端框图 5.3数据预处理 5.3.1CRC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L字节输人到物理层的Lxr字节数据按照式(2)补零后长度变成L 字节并表示为DL L 字节数据成为物理层实际要发送的数据在发送端,对L 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La十2字节 CRC-16的生成多项式见式(1) G(X=X'“十X十X'十1 CRC-16的实现结构见附录A.2,其初始值为0xFFFF,并在每个新的MPDU输人时进行编码前复位 5.3.2分帧发送若La十2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进行独立编码和发送分帧由物理帧头中分序号(FSN 进行标识分帧处理过程如下若发送Li十2字节不超过BytesPerFrame,则进行单帧发送;BytesPerFrame由物理层单载 a 荷最大OFDM个数(Mor、调制方式、编码方式、子载波组数等决定 MorN=64 b 否则,将La十2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每个分帧独立进行编码和发送,并用FSN(见表5)进行标识
GB:/T31983.31一2017 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 前导物理头扩展赖头若有载葡图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进行解调和解码扩展帧头(若有)携带子载波动态映射表载荷域承载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赖信号检测、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;Prel[20]=(1,0,0,1,0,1,0,0,l,0,l,l,l,0,l,l,0,0,0,l 连续传输;Pre2[20]=(0,l,0,1,1,1,1,1,O,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物理顿头(PFHD 物理帧头为30比特信息,包括赖类型(FT，比特)和颤控制信息(FCI,29比特》. 本物理层定义两种帧类型,即数据和确认定义见表4 表4类型FT定义域名称比特宽度比特定义 0;数据赖赖类型(FT) b0 1:确认畅根据帧类型的不同,FCI的含义也不同,分为数据帧Fc和确认帧Fc 当FT=0时,帧类型为数据帧,数据FCI定义见表5 表5数据帧rC定义定义名称比特宽度比特取值范围倾序号对于物理层单发送,该子域为0，当物理层分触发送时,对于最后一个分赖,该子域为0; 对于分帧发送的首顿,该子域等于15;对于分顿发顿序号(FSND b[1-4们 015 送中间赖,该子域为分赖序号,取值1一14,自1开始,每次加1,到14后下一分赖再从1开始
GB/T31983.31一2017 表5(续名称比特宽度比特取值范围定义定义载荷部分所使用的子载波调制方式,即比特到子载波映射规则调制方式(MoD) [5-6们 02 0;数据子载波均匀1比特加载(BPsK 1;数据子载波均匀2比特加载(QPSK) 2;数据子载波均匀4比特加载(16QAM) 卷积编码效率 b7 0:1/2 卷积编码效率(CR) 0一1 1:2/3 重复倍数: 0;无重复重复(REP b[8-9] 03 l;2倍重复 2;4倍重复 3:6倍重复 0;无扩展 bl0 帧头扩展标志(EXT 0一l 1;有扩展,后随扩展帧头PFH_EXT 标明发送的子信道号 0;未知 1;子信道1 3 b[11-13] 子信道号 2;子信道2 3:子信道3 其他;保留保留 [14-16] 设置为0 数据长度因子(DL b17-24] 载荷数据长度因子头校验(HCS) b[25-29] 头校验 PFH中的DL是计算La载荷所携带的数据字节数)的因子,其计算如式(2)所示: 2×DL 0GB:/T31983.31一2017 表6确认帧FC定义比特宽度比特取值范围定义名称 0;接收正确 01 b 接收结果(Result !;接收失败 16 接收报文的CRc16校验码接收报文的校验码(CRC16 [2-17门保留 [18-24打设置为0 头校验(HCS) b[25-29 赖头校验字帧头校验HCS采用CRC-5编码,其生成多项式见式(3) G(X)=X"十X'十1 CRC-5的结构见附录A.1,移位寄存器的初始值为0xlF 注:在域定义和描述中,最左边比特为域的最低位(LSB),最右边比特为域的最高位(MSB) 传输次序为LSB先 MSB后 5.4.4扩展帧头(PFH_Exr) 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 子载波动态屏蔽的最小单位为一个子载波超级组子载波超级组定义见5.5.3 多帧连续发送时,如果存在子载波动态屏蔽,首倾通过PFH_EXT携带子载波动态映射表,后续倾不需再重复携带PFH_EXT 表7PFH_EXT定义名称比特宽度比特取值范围定义 TM[门=1,表示第i个子载波超级组加载有效数据 01 子载波动态屏蔽(TM 31 b[0-30] TM[门]=0,表示第i个子载波超级组加载零; i=0,l30 扩展恢头校验(EHCS) b[31-35] 扩展顿头校验字扩展帧头校验EHCS采用CRC-5编码,其生成多项式与式(3)相同 cRc5的结构见附录Al.,移位寄存器的初始值为oxiIF. 5.4.5载荷(Payload 载荷承载用户或高层协议数据,也即物理层服务数据单元(PSsDU. 5.5子载波 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.
GB/T31983.31一2017 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: 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 数据子载被(DsC);加载数据比特,用于传输数据信息: 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; 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. 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) 个有效子载波组包括！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(FrequeneyPlan)是指应用情形的具体工作段,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Fm,终止子载波对应频率Fa 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) G(X)=X"十X'十1 比特扰码的结构见附录C,其初始值为0xlFF 5.6.2RS编码扰码后的比特流接着进行RS编码 RS编码器支持如下RS码 Rs(k十8,k),由原始的Rs(255,247)截断产生; a b)Rs(k十16,k),由原始的Rs(255,239)截断产生 RS码的每个码元取自域GF(256),其域本原多项式见式(5) 十 T .5 =工"十工'十工十工- g.r 10
GB:/T31983.31一2017 对于输人到RS编码器的L、字节待编码数据块,首先进行K次Rs(144,128)编码,K计算公式见式(6): Ls K=Floon 128 式中 -小于或等于的最大整数 Foor 128 若L、小于128字节,则K=0 进行Rs(14挂4,128)编码后,剩余的数据采用Rs(8十k,k)或Rs(k十16.)进行编码,规则如下若Ls-128×K<32,则采用Rs(k8,k)编码 D)若32GB/T31983.31一2017 OFDM符号子载波比特 m一1"n 月十1 Gm一1"+1 2-1 m*n一l1 图4交织器结构进人信道交织器的数据比特的位置(i,),其中i=0,l,,m-1且=0,l,,n-1通过交织,变为位置(1,J),见式(7) 」=(ij×n_十i×n_)%n I=(i×m_i十1×m_)%m 式中 % 模运算,即取余数其中,m_i,m_,n_i,n_等参数与m,n的取值有关;m_i一m_j;n_iGB:/T31983.31一2017 -口口口口口口口口- 图5填充比特伪随机序列生成器 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头的30个比特或扩展头的36个比特经过卷积编码,比特重复、交织等后加载到oFDMM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)以比特流的方式输人到卷积编码器,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 5.7oFDM调制 5.7.1星座映射 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(若有).子载波采用BPSK调制,因此b=1 对于载荷部分,子载波采用均匀调制,b=1,2,4 PsC子载波加载方式见5.7.3,其余不用子载波置零 5.7.1.21-比特映射BPsK 子载波所加载的比特数b=1,即比特组长度为1 发送端及接收端对1比特星座映射的支持是必须的 1-比特星座映射见图6和表9 o BT顺序 b 图6BPSK星座映射图 13
GB/T31983.31一2017 表9BPSsK星座映射表比特b 十1 5.7.1.32-比特星座映射(QPSK 子载波所加载的比特数b=2,即比特组长度为2 发射机及接收机对2比特星座映射的支持是必须的 2比特星座映射见图7和表10 BIT顺序 h 10 图7oPsK星座映射图表10QPSK星座映射表比特b 比特b 十1 十1 5.7.1.44比特星座映射(16oAM) 子载波所加载的比特数b=4,即比特组长度为4 对于4比特星座映射,要求发射端必须支持,但在接收端是可选的 4-比特星座映射见图8和表11 14
GB:/T31983.31一2017 1000 1001 1011 1010 BIT顺序 bbbo 1100 101 ll1 1l10 0100 0101 011 O110 0000 0001 0011 010 图816QAM星座映射图表1116QAM星座映射表比特bb 比特bb 00 00 001 O 1m 11 十1 1 10 3 10 十3 5.7.2星座缩放星座缩放包括功率归一化和增益调节子载被1的星座点(l.,a)可表示为复数(ul十)xQ),经过增益因子g(i)和功率归一化因子(6)调节后,星座编码器的输出见式(11). Z，=g(i)×i ×(1,十×Q. 1l 式中第i个子载波的增益因子; g(i) -功率归一化因子入(b 功率归一化的目的是使所有星座图(不管其大小)都具有相同的平均发送功率功率归一化因子 A(b)仅与b有关,如表12所示表12星座映射功率归一化因子比特数归一化因子A( 厄 1/、C 15
GB/T31983.31一2017 子载波的平均发送功率可通过增益因子g(i)控制对不同子载波施加不同增益因子可控制功率成型本部分子载波功率因子应遵循下列原则所有前导符号相同子载波号的子载波增益因子相同 a D)所有PFH符号相同子载波号的子载波增益因子相同 c 所有PFH_EXT符号(若有)相同子载波号的子载波增益因子相同 d 所有载荷符号相同子载波号的子载波增益因子相同子载波增益因子如表13所示表13子载波增益因子信号类型 DSC PSC MSC 前导 GN×GNp GNxGNm GN,xGNm 物理赖头扩展顿头 GN,xGN GN×GN1 载荷 GN GN 注1;GN,为标准增益(载荷增益),GN和GN,为相对与载荷增益GN的增强增益注2:GN和GN不超过1.414(3dB增强. 5.7.3导频插入物理帧头、扩展帧头(若有)及载荷部分OFDM符号中均包含导频子载波(PsC) OFDM符号中每个子载波组均包含一个导频子载波导频子载波在频域中的位置由PsC索引d，确定 d，定义如式(12)所示: 12 d，=mod[(G一1×2十r -)xI0.Nwe]+lsc r=1,2,,Nuwmc; 式中 N 带内子载波(IBsC)个数 OFDM的序号,从1开始计数,j=1,2,nm十nET十np USC 物理帧头、扩展帧头(若有)及载荷部分OFDM符号有效子载波的起始序号; start 每个OFDM所包含的导频个数 Nmpsc 取模操作 mod PSC的索引计算规则为 d.}为导频子载波(PsC)的集合,OFDM的第一个子载波的索引为03 a j=1对应于PFH的第一个OFDM符号;j=ne往十n郎往ET十np对应于载荷的最后一个 b) OFDM符号按如下规则复接OFDM频域符号按照导频的分配规则,先在带内子载波相应位置上放置导频信号 a 按照子带屏蔽的要求,将带内相应载波上置零; b 带内子载波(IBSC)去除屏蔽子载波(MsC)和导频子载波(PsC)的位置上,依次放置数据子载波当带内子载波(IBSC)内无屏蔽子载波时,数据子载波和导频子载波分配方式见图9. 16
GB:/T31983.31一2017 频率数据符号导频符号图9导频结构图 5.7.4oFDM生成物理帧头、扩展帧头(若有)及载荷采用OFDM调制,OFDM符号结构见图10 循环前缀由滚降间隔和保护间隔组成 oFDM符号 -Tu- -7 -Tep 图10OFDM符号结构 OFDM信号可以通过IFFT生成,对所生成的时域OFDM符号添加循环前缀,并进行加窗重乔 OFDM符号的循环前缀按如下方法产生:取IFFT输出的最后N个抽样,放置到OFDM符号N 个抽样之前循环前缀抽样的次序应安排如下第0个抽样等于IFFT第N一N个输出; a b)循环前缀的最后一个抽样等于IFFT第N一1个输出.下一个抽样等于IFFT第0个输出 OFDM信号的加窗重叠的规则见5.7.6. OFDM物理层调制的主要参数见表14 表14oPD调制主要参数名称定义有效值 F 子载波间隔 0.390625kHz Ts OFDM符号周期 2.74ms 17
GB/T31983.31一2017 表14(续名称定义有效值 Tu 符号体长度 2.56ms 循环前缀的采样点数 200 N 保护间隔 K 180从s T 滚降间隔 20 RI 加窗的采样点数 20 Nm 带内子载波数 10×G,G为带内子载波组数,与具体工作带宽有关发送时钟 MHz 5.7.5前导生成 5.7.5.1 概述前导由20段BPSK信号调制的OFDM基本信号构成,前导结构图见图11 前导OFDM调制的主要参数见表15 PN NsNo9 PNo PN P BBTwBw们x BwxBwBx s(D Preamble 图11前导结构示意图表15前导oFDM信号调制的主要参数名称定义有效值前导OFDM基本信号的子载波间隔 7.8125kHz A 前导oFDM基本信号的符号抽样数 Ns 128 r 前导oFDM基本信号的符号长度 0.128ms 5.7.5.2前导oFDM基本信号前导的OFDM基本信号生成表达见式(13): 2丙i(/)r -以[习xn (13 B() GB:/T31983.31一2017 式中: C 前导的起始频率对应的子载波号; 前导的终止频率对应的子载波号 Ced PN.(k)为二进制伪随机数据序列由反馈移位寄存器产生,生成多项式见式(15) G(XY=X了十X3十1 (15 伪随序列PN,(k)生成器的结构见附录E 移位寄存器的初始值为1101011lb,在每个物理帧开始前进行复位,且第一个填充子载波对应寄存器的第一个输出,然后依次往后推移 5.7.5.3前导信号波形生成最终的前导信号波形由20位传输模式码对上述BPsK调制基本OFDM信号再进行调制面生成表达如式(16)所示: i×T ×B(t一i×T(16) s()=A×习(2×Pr[门-)×re 式中 Pre[门---20位传输模式码,见5.4.2; 幅度调整因子; A 0<<1 -矩形丽数其他 5.7.5.4前导的屏蔽规则前导信号支持静态屏蔽若需要屏蔽从起始频率F到终止频率Fe的频段,则相应将其对应子载波的映射置为0,即按式(17)计算 (17 X,(i)=0，CsGB/T31983.31一2017 0.5十0.5×cos(其十1×r/T). 0GB:/T31983.31一2017 表16物理层数据服务原语服务类别原语说明 PHIY-DATA.req 发送数据请求 PHY-DATA PHY-DATA.cnf 发送确认接收数据指示 PHY-DATA.ind PHY-ACK. PHY-ACK 请求发送ACK .reg 7.2.2发送数据请求(PHY-DATA.req 物理层通过“发送数据请求”原语PHY-DATA.req允许MAc层向物理层请求发送数据 MAC层应对信道状态进行评估并在信道空闲的状态下发出该请求物理层对待发送数据进行必要的处理(包括物理层分顿)并进行发送物理层通过“发送确认”原语PHY-DATA.cnf返回发送结果 PHY-DATA.req原语相关参数见表17 表17PHY-DATA." r参数参数类型取值范说明发送子信道号 0=子信道0(连续发送时可认为只有子信道0,工频同步过零时隙传输时子信道0对应过零时隙) SubChannel 整型 07 1=子信道1 2=子信道2 其他保留 aMaxPSDUSize MPDUteneth 整型 MPDU长度(单位;字节见表28) MPDU 字节串 MPDU数据 MPDUhandlle 整型 MPDU本地标识 0255 7.2.3发送确认(PHY-DATA.cnt) 物理层执行PHY-DATA.req后,在发送完毕或发送失败时通过本原语返回PHY-DATA.req的结果 PHY-DATA.cenf原语相关参数见表18 表18PHY-DATA.cnf参数参数类型取值范围说明 MPDU本地标识,等于PHY-DATA.req中的 MPDUhandle 整型 -255 MPDUhandle 0SUCCESS,成功发送完毕 1发送失败整型 0~255 statuS 2:接收正确其他保留
GB/T31983.31一2017 物理层接收到PHY-DATA.req请求后进行物理层发送若发送失败,则返回“发送失败” 若发送成功,则返回“发送成功” 7.2.4接收数据指示(PHY-DATA.ind 物理层使用本原语向MAC层传递所接收到的MPDU数据 PHY-DATA.ind原语相关参数见表19 表19PHY-DATA.ind参数参数取值范围类型说明发送子信道号,0=子信道0,1=子信道1,2 SubChannel 整型子信道2,3=子信道3,其他保留 aMaxPSDUSize 整型接收到的MPDU长度(字节数) MPDUlength (见表27) MPDU 字节序列接收到的MPDU数据 MPDUhandlle 整型 1 -255 MPDU本地标识 0.cRc校验正确 CRCstatus 整型 0,l 1;CRC校验错误接收信号强度 1l15 RSSl 整型 7.2.5请求发送确认(PHY-ACK.req 物理层通过原语PHY-ACK.req允许MAC层请求发送确认帧 MAC层在接收到物理层传递的接收数据且Ack=1并AC层地址匹配,则应使用本原语请求物理层发送确认帧 PHY-ACK.req原语相关参数见表20. 表20PHY-ACK.re参数参数类型说明取值范所发送子信道号 0子信道o l:;子信道1 07 SubChannel 整型 2;子信道2 3;子信道3 其他保留 0接收正确 Result 整型 l;:接收错误其他;保留 RecvDataGramCRC 整型接收报文的CRC-16校验码 7.2.6确认帧指示(PHY-ACK.ind 物理层使用本原语向MAC层传递所接收到的确认帧内容 PHY-ACK.ind原语相关参数见表21 22
GB:/T31983.31一2017 表21PHY-ACK.ind参数参数类型说明取值范围发送子信道号 0;子信道o 1:子信道1 07 SubChannel 整型 2子信道2 3:子信道3 其他保留 ACKData 字节序列接收到的确认FCI内容(30bit 0;CRC校验正确 CRCstatus 整型 1:CRC校验错误 7.3物理层管理服务 7.3.1物理层管理服务原语物理层通过表22中的原语,允许对物理层参数、工作状态和操作进行设置、控制和管理表22物理层管理服务原语类别原语说明 PLMECCA.req 信道状态请求 PLMECcA 信道状态确认 PLMECCA.cnf PLMEsET 物理层设置请求 MLMEsET.e" PLMEGET 物理层读请求 T.reg PLME-GET PLME-(GET.cnf 物理层读确认 7.3.2信道状态请求(PLME-CCA.reg 物理层通过原语PL.ME-cCA.req允许MAC层获取物理层信道状态 MAC层发送前应先通过本原语确认物理层信道处于空闲状态物理层通过原语PLMECCA.cnf返回信道状态 PLME-CCA. req原语相关参数见表23 表23PLMIE-CCA.req参数参数取值范围类型说明无 7.3.3信道状态确认PLME-CCA.cnf 物理层使用本原语返回先前PLMEcCA.req的执行结果 PLMECCA.cnf原语相关参数见表24 23
GB/T31983.31一2017 表24PME-cCA.enf参数说明参数类型取值范 0:信道空闲没有检测到信道中有发送 1;本机发送忙整型 status 2;本机接收忙 3;本机收发器未准备好 7.3.4物理层设置请求(PLMIE-SET.re reg 物理层通过本原语允许高层对物理层属性进行设置 PLME-SET.req原语相关参数见表25 表25PLME-SE.reg参数参数类型取值范围说明属性整型见属性表表29 待设置的属性属性值长度字节数整型 0一255 属性值 7.3.5物理层读请求(PLMIE-GET.req 物理层通过本原语允许高层获取物理层属性值 PLME-GET.re原语相关参数见表26. 表26PLME-GET.re参数取值范围参数类型说明待读取的属性属性整型见属性表表29 7.3.6物理层读确认(PLME-GET.cnf 物理层通过本原语返回先前PLMEGET.req的执行结果 PLMEGET.en原语相关参数见表27 表27PLMIE-GET.cnf参数参数类型说明取值范 0;成功 03 1;失败整型 status 其他;保留属性代码整型见属性表表29) 所读取的属性属性值长度整型 0~255 字节数属性值整型见属性表表29 所读属性值 7.4物理层常数和属性物理层常数如下表28和表29所列 24
GB:/T31983.31一2017 表28物理层常数常数名取值描述 MPpU最大字节数 1904 aMaxPSDUSize 表29物理层属性表属性类型取值范围描述子载波比特映射 0.理sK TXx_BMP 整数 0~2 1:QPSK 2,l6QAM 卷积编码效率 01 TX_CR 整数 0:l/2 1:2/3 重复 0:无重复 TXREP 整数 1;2倍重复 2;4倍重复 6倍重复 3:6 传输模式 Tx_MoDE 整数 2 0;连续传输模式 1:工频同步过零时隙传输模式是否有子载波动态屏蔽 TMFlag 整数 0: 无子载波动态屏敞 1;有子载波动态屏蔽子载波动态屏蔽表,共31个比特 TM[门=1,表示第i个子载波超级组加载有效 TM 整数数据 TM[门=0.表示第i个子载波超级组加载0: i=0,l,,30 电气指标要求发送电平及测试要求应符合GB/T31983.11一2015中的规定 25
GB/T31983.31一2017 附录 A 规范性附录) CRC-5和CRC-16的结构 CRC-5结构 A.1 CRC-5由伪随机序列的移位寄存器实现,其输人比特流次序为第1个字节低位(L.SB)先,高位 MSB)后所追加的5比特CRC校验字的输出次序为Z(4)最先,Z(0)最后 CRC-5编码实现结构见图A.1 输入比特流 Z(2) z(3) 图A.1CRC-5编码实现结构 A.2CRC-16结构 CRC-16由伪随机序列的移位寄存器实现,其输人比特流次序为第1个字节低位(L.SB)先,高位 MSB)后所追加的16比特CRC校验字的输出次序为Z(15)最先,Z(0)最后 CRC校验字产生器见图A.2 输入比特流 z(3 (14 (15 图A.2CRC校验字产生器 26

了解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/T31983.31-2017

窄带正交频分复用电力线通信物理层规范是什么？

窄带正交频分复用电力线通信物理层规范GB/T31983.31-2017是低压窄带电力线通信技术的一项重要标准。该标准主要规定了在低压电力线媒介中，采用窄带正交频分复用（NB-OFDM）技术实现通信所需遵循的物理层规范。

窄带正交频分复用的特点

窄带正交频分复用作为一种新型的低压电力线通信技术，具有许多独特的特点。首先，它采用了正交频分复用技术，可以充分利用电力线媒介的带宽资源，提高传输效率。其次，窄带正交频分复用技术对电力线媒介的干扰抵抗能力较强，可以有效降低信号失真率。此外，在实现低功耗和远距离通信方面，窄带正交频分复用也表现出色。

窄带正交频分复用的应用

窄带正交频分复用电力线通信技术在实际应用中已经得到广泛应用。它可以用于低压电力线通信领域，比如智能家居、能源监测、安防监控等。此外，窄带正交频分复用技术也可以应用于工业自动化、物联网、智慧城市等领域，推动信息化与工业化深度融合。

结语

总而言之，窄带正交频分复用电力线通信技术是当前低压电力线通信技术中一种非常重要的技术。其采用正交频分复用技术实现通信，具有高效、抗干扰、低功耗等特点，在实际应用中具有广泛的应用前景。