【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 物理层规范

ICS 17.220.20
中华人民共和国国家标准
GB/T31983.31—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
Narrow band power line communication over low-voltage mains-Part 3 1 :Narrow band orthogonal frequency division multiplexing power line-Communication physical layer specification2017-05-12 发布
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　
2017-12-01实施
GB/T31983.31—2017
规范性引用文件
术语和定义、符号、缩略语
网络模型
PLC域
参考模型
物理层编码和调制
物理层框图
数据预处理
物理层帧格式
子载波
信道编码
OFDM调制
物理层信号传输模式·
连续传输模式
工频同步过零时隙传输模式
物理层服务
数据服务
物理层管理服务
物理层常数和属性·
8电气指标要求
附录A（规范性附录）CRC-5和CRC-16的结构·附录B（规范性附录）
附录C（规范性附录）
附录D（规范性附录）
附录E（规范性附录）
参考文献
频率方案
比特加扰的结构
卷积编码器的结构
伪随序列PN，（k）生成器结构图10
GB/T31983《低压窄带电力线通信》分为下列部分：第11部分：3kHz～500kHz频带划分、输出电平和电磁骚扰限值；一第21部分：3kHz～500kHz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/个1.1一2009给出的规则起草GB/T31983.31—2017
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。本部分由中国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、中国电力科学研究院、青岛鼎信通讯股份有限公司、钜泉光电科技（上海）股份有限公司、国网重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、深圳市航天泰瑞捷电子有限公司、国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：刘鲲、王瑄、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、I
GB/T31983.31—2017
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。在此背景下结合中国国情制定本标准体系。
本物理层协议规范支持3kHz～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。I
1范围
低压窄带电力线通信
GB/T31983.31—2017
第31部分：窄带正交频分复用电力线通信物理层规范
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（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、物理层信号顿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/T31983.11—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
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1.1
信powerlinecommunication
电力线通信
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。
电力线载波通信
即电力线通信。
窄带电力线通信
power line carrier communicationnarrowbandpowerlinecommunication载波频率在3kHz～500kHz频段的电力线通信。GB/T31983.31—2017
低压电力线通信
powerlinecommunicationoverlow-voltagemains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 line communication lower layer protocolPLC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
PLC应用
application of power line communication建立在PLC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。6
缩略语
加载到子载波的比特组的宽度。载荷携带数据的长度因子。
子载波组个数。
MAC层待传输的MPDU字节数。
交织器的行数。
单顿载荷最大的OFDM个数。
IFFT的抽样数。
循环前缀的采样数
OFDM符号数。
表1的缩略语适用于本文件。
表1缩略语
Applicaton Interface
CENELEC
CSMA/CA
Advanced Metering InfrastructureAutomatic Meter Reading
Advanced Metering ManagementApplication
Application Support Layer
Active Subcarrier Group
Binary Phase Shift Keying
EuropeanCommittee forElectrotechnical StandardizationCyclic Redundancy Check
CarrierSenseMultipleAccess with Collision AvoidanceCyelic Prefix
Domain Identification
Data Link Layer
DomainMaster Node
应用接口
高级量测体系
自动抄表
高级计量管理
应用层
应用支持层
有效子载波组
二进制相移键控
欧洲电工标准化委员会
循环允余校验
基于载波侦听和避碰的信道接人循环前缀
域标识
数据链路层
域主节点
Data Subcarrier
Frame Control Information
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
Forbidden Subcarrier
Frame Type
Guard Interval
Header Check Sum
Home Energy Management
In-band Subcarrier
表１（续）
International Electrotechnical CommitteeInstitute of Electrical and Electronics EngineersInverse Fast Fourier TransformInternational Telecommunications UnionLeast Significant Bit
Logical Link Control
Medium Access Control
Media Dependent Interface
MAC Protocol Data Unit
Most Significant Bit
Masked Subcarrier
Masked Subcarrier Group
Out-of-band Subcarrier
Orthogonal Frequency Division MultiplexingOpen System Interconnection
Physical Layer
Pilot Subcarrier
Power Line Communication
Physical Media Independent InterfacePseudo-random Noise SequencePHY Service Data Unit
Quaternary Phase Shift KeyingQuaternary AmplitudeModulationReed-Solomon Code
Tone Map
Terminal Node
Usable Subcarrier
数据子载波
顿控制信息
前向纠错
GB/T 31983.31—2017
快速傅里叶变换
不可用子载波
顿类型
保护间隔
顿头校验
家庭能源管理
带内子载波
国际电工委员会
电气和电子工程师协会
逆傅里叶变换
国际电信联盟
最低有效位
逻辑链路控制
介质访问控制
介质相关接口
MAC层协议数据单元
最高有效位
被屏蔽子载波
被屏蔽子载波组
带外子载波
正交频分复用
开放式系统互联
物理层
导频子载波
电力线通信
介质无关的物理层接口
伪随机噪声序列
物理层服务数据单元
正交相移键控
正交幅度调制
里德-所罗门码
音色图谱（本规范中特指子载波映射)终端设备节点
可用子载波
GB/T31983.31—2017
4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。
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c）
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。
应用层（APP）
AMR/AMM
应用情形
OSI参考模型
数据链路层（Data link layer）物理层（Physical layer）
电力线
家庭能源管理（HEM）
应用情形
应用支持层（APS）
逻辑链路控制子层（LLC）
介质访问控制子层（MAC）
物理层（PHY）
图1PLC参考模型
各层主要功能和服务
APS-MGMT
LLC-MGMT
MAC-MGMT
PHY-MGMT
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。4
APS利用数据链路层服务进行数据发送和接收，GB/T31983.31—2017
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、产生物理层信号顿、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顿进行解调和解码，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、ILC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。表２牛
物理层数据服务
数据服务
PHY-DATA.req
PHY-DATA.cnf
PHY-DATA.ind
PHY-ACK.req
PHY-ACK.ind
管理服务
PHY-MGMT.req
PHY-MGMT.cnf
PHY-MGMT.ind
PHY-MGMT.res
物理层编码和调制
5.1概述
DLL->PHY
PHY->DLL
PHY->DLLwwW.bzxz.Net
DLI.->PHY
PHY->DLL
DLL请求PHY发送MPDU
PHY层返回先前PHY-DATA.req执行结果（发送成功、发送失败、接收端肯定确认、接收端否定确认、确认超时等）
PHY将接收到的顿传递给MAC层
DLI.请求PHY发送ACK顿
PHY将接收到的确认顿内容传递给MAC层物理层管理服务
管理请求
PHY层返回先前PHY-MGMT.req执行结果PHY发出有关物理层管理的指示
对PHY-MGMG.ind的响应（本地）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
GB/T31983.31—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，并插人循环前缀和加窗重叠，至此形成数据的顿体部分。数据顿体部分与前导、帧头复接成发射信号顿，最终通过模拟前端注人到电力线进行传输载荷输
入数据
5.3数据预处理
5.3.1CRC校验
比特加扰
RS编码
顿头输
入数据
导频插入
卷积编码
卷积编码
插入CP/
比特重复
比特重复
插入前导
图2物理层发射端框图
星座映射
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。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Ld十2字节。CRC-16的生成多项式见式（1）：G(X)=X16+X15+X2+1
（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分顿发送
若L.十2字节数据超过单个物理顿所能承载的最大数据长度BytesPerFrame，则需要将其拆分成多个物理进行发送。物理层对每一个分顿进行独立编码和发送。分顿由物理帧头中分顿序号（FSN)进行标识。
分顿处理过程如下：
若发送Ld十2字节不超过BytesPerFrame，则进行单帧发送；BytesPerFrame由物理层单顿载a
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。否则，将Ld十2字节数据拆分成多个分顿进行发送。分顿处理器根据BytesPerFrame确定分b）
帧数以及每顿发送的字节数。
每个分顿独立进行编码和发送，并用FSN(见表5)进行标识。c）
5.4物理层顿格式
5.4.1概述
GB/T31983.31—2017
物理层由前导（Preamble），物理顿头（PFH）、扩展顿头（PFH_EXT）（若有）和载荷（Payload)组成，见图3。
物理顿头
扩展顿头（若有）
图3物理层顿结构
前导供接收机进行顿检测、帧同步和定时，并携带传输模式识别。物理顿头携带顿类型、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顿进行解调和解码。扩展帧头（若有）携带子载波动态映射表。顿载荷域承载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顿信号检测、顿同步、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]=1,0,0,1,0,1,0,01,0,1,1,1,0,1,1,0,0,0,1。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物理顿头（PFH)
物理顿头为30比特信息，包括顿类型（FT，1比特）和顿控制信息（FCI,29比特）。本物理层定义两种顿类型，即数据顿和确认顿。定义见表4。表4顿类型FT定义
域名称
顿类型(FT)
比特宽度
0：数据顿
1:确认顿
根据顿类型的不同,FCI的含义也不同，分为数据顿FCI和确认顿FCI。当FT=0时，顿类型为数据顿，数据顿FCI定义见表5。表5数据顿FCI定义
顿序号(FSN)
比特宽度
b[1-4]
取值范围
顿序号。对于物理层单顿发送，该子域为0。当物理层分帧发送时，对于最后一个分顿，该子域为0；对于分顿发送的首顿，该子域等于15；对于分帧发送中间顿，该子域为分顿序号，取值1～14，自1开始，每次加1，到14后下一分顿再从1开始7