電力線物聯網絡與TD-LTE網絡幀結構重構方案

姚秋莎，孫友偉，李曉迎

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710061）

通信網絡發展到今天，已經由骨干傳輸網，接入網，進一步地向用戶層延伸，發展到物聯和傳感器網絡層面[1]。隨著物聯網絡的發展，對于靈活性的要求在生活場景或農業、工業生產場景中的物聯網構建已經不再顯得尤其重要，反而如何能夠充分利用現有資源去構建一個成本低、穩定性高的物聯網絡方案成為了首選。無線電波之間互相干擾以及能源提供不穩定等是以無線傳感器網絡為基礎的傳統物聯網的最大缺點，其優點在于部署靈活而快捷[2]。一種更注重成本和穩定性的物聯網構建方案將成為下一步物聯網構建的基礎。利用目前現有的家用電路傳輸線路等電力線路來構建的物聯網絡即基于電力傳輸線路的物聯網絡[1]。電力傳輸線路有多方面的優點，如覆蓋范圍廣、接入便利等決定了基于電力傳輸線路所構建的物聯網絡無需重新布線，所有用電設備都可方便直接的接入網絡。而且電力傳輸線路能隨時為傳感器節點供電，為網絡的穩定性提供了保障。

在基于電力傳輸線路構建的物聯網通信平臺中，傳感器通過電力線載波芯片連接到電力傳輸線路上進行組網。位于電力線物聯網絡的末梢端的是傳感器，主要任務是進行數據采集，傳感器所進行數據采集得到的結果往往需要傳輸到云端進行決策和處理。目前對于TD-LTE網絡，為滿足電力傳輸線路上構建的通信平臺和云端的數據交換的通信需求，在電力線物聯網中需設計一個能夠完成電力傳輸線路和TDLTE網絡之間協議轉換的節點，以滿足傳感器采集信息傳輸到云端的需求。其意義在于通過協議轉換，能夠實現電力線通信平臺和TD-LTE網的無縫連接，使骨干傳送網和用戶駐地有效地連接成一個整體，提供了一種從“云管端”概念中“端”到“管”的行之有效的可靠方案[3]。

在電力線物聯網絡中設計一個能夠進行協議轉換的節點[2-4]，這個節點將完成電力線物聯網與TD-LTE網間的協議轉換工作。傳感器采集的數據以電力線通信協議進入電力傳輸線路，為了使信息通過骨干傳輸網絡進入TD-LTE云端，協議轉換不可避免。文中通過分析比較這兩種協議的幀結構及其特點，研究協議轉換過程中幀結構重構的方案。

1 電力線物聯網幀結構

在電力線物聯網絡中設計一個能夠進行協議轉換的節點，如圖1所示。

先分析整個協議框架，眾所周知OSI七層參考模型也不錯，但在實際應用中很少有協議能完全按照此模型標準來實現。主要原因有兩點：其一是OSI七層參考模型成本高且太復雜；其二是根據不同的具體對象來說，無需達到那么詳細的功能層劃分。因此按照國外電力線通信協議主流標準，并且為了給電力線載波應用提供足夠的尋址能力。電力線通信協議可劃分為三層，分別為：物理層、數據鏈路層和應用層，其優點是：接受數據復雜度低、數據吞吐量高。而從低到高依次為：物理層、數據鏈路層、應用層。

圖1 電力線構建物聯網方案Fig.1 Power line build IoT solutions

由于電力傳輸線路相較于其他的傳輸媒介來說有獨特的頻率特性，大多數的電力線載波通信協議在糾錯方面的考慮較多。目前較為普及的電力線通信協議主要有HomePlug、G.hn以及IEEE P1901等其他標準。

為了傳輸信息，PLC工作站必須準備數據幀，也就是帶有幀頭和幀尾區域的數據模塊。包含用戶數據的模塊所具有的特殊格式，如圖2所示：PLC的數據通過MAC層（數據鏈路層）和物理層傳輸。第一層的結構與接入電力線媒介的結束相對應，與這一協議相對應的幀稱作MAC幀或者MPDU（MAC協議數據單元）幀。來自于MAC層之上的所有數據被封裝到MAC幀里。為了通過物理接口或電力接口來傳輸幀，MAC幀被封裝到第二個物理層幀之中，這個幀稱為PPDU（物理協議數據單元）[5]。

圖2 PLC結構的數據傳輸過程Fig.2 PLC of the structure of the data transmission process

在電力線物聯網絡中，除了數據的傳輸需要幀結構來進行承載，鏈路連接的建立和解除等命令信息和ACK、NACK等控制信息同樣需要一個幀來進行承載。用于承載數據的幀長度一般較長，而用于承載命令信息RTS（請求發送幀）、CTS（允許發送幀）和控制信息ACK的幀長度一般較短，因此，在基本幀結構的基礎上，需要設計長幀和短幀兩種幀結構。長幀結構主要用于承載相關的網絡信息以及傳感器所采集的數據，也就是數據幀如圖3所示。短幀結構主要用于承載應答信息以及命令信息，格式和一般的數據幀完全相同，只是沒有 Data域，如圖4[6]所示。

在MAC層協議中幀的長度是一個很重要的參數，對其選擇恰當與否，會影響網絡的延遲和吞吐量。該協議建議，使用如圖所示的數據幀結構。為了保證通信的可靠性，要求幀長度不能過長，通常幀長度小于63字節[7]。根據家庭控制網絡信息速率較低的特點，數據幀長度選擇在63*8 bit左右。

圖3 長幀結構Fig.3 Long frame structure

圖4 短幀結構Fig.4 Short frame structure

該幀結構中各字段的大小及具體內容如下：

Start Delimiter域，占用1個字節，由16進制比特序列“0x09”填充組成，用來指示一個幀的開始；

FrameControl域，占用2個字節，包括數據幀的長度占用1個字節、另1個字節包括優先級、發送序號和轉發標志等控制信息；為了進一步降低沖突概率并考慮到一些設備對延遲的要求，在幀的控制域中加入了2個優先級位，同時定義了3種不同的幀等待時間 SIFS，MIFS和 LIFS（SIFSG MIFSG LIFS，三者的時間長短各不相同，代表幀的不同優先級。使用SIFS的幀，具有最高的優先級。

Destination Add:占用1個字節，由1個8位的2進制序列填充組成，用于表示接收端節點的地址，可以為單播、多播或者廣播地址；

Source Addr域：占用1個字節，由1個8位的2進制序列填充組成，用于表示發送端節點的地址，只能為單播地址；

Data域：要發送和承載上層的實際數據，其中N最大為56，56*8bit；

FCS域：幀的校驗序列（采用8 bit的CRC冗余校驗，用來檢查幀在傳輸過程中是否損壞）；

End Delimner域：占用1個字節，用來指示一幀的結束。

2 TD_LTE網絡幀結構

研究TD-LTE無線網絡就必須了解空中接口協議，即無線接口。“空中接口”是基站和移動電話之間的無線傳輸規范，它定義每個無線信道的使用頻率、帶寬、接入時機、編碼方法以及越區切換。文中的關鍵部分幀結構就是只考慮空中接口部分。

無線接口協議部分主要分成3個部分，其是物理層、數據鏈路層以及網絡層。物理層的數據服務主要分成下行和上行信道服務。而無線接口由用戶平面協議棧和控制平面協議棧兩部分構成。本論文中只根據需要只研究用戶平面的協議與電力線幀協議之間的轉換，完成這樣一個轉換接口，就可以使電力線上的數據和TD-LTE網絡上的數據進行通信。

用戶平面協議棧是由PDCP層協議，RLC協議層協議，MAC層協議以及物理層協議組成。用戶面負責業務數據的傳送和處理，用戶平面各層的功能在控制平面中都有涉及，主要完成報頭壓縮，加密，調度，自動重傳請求等功能[8]。

上行架構與下行架構的區別主要為：下行反映網絡側的情況，處理多個用戶；上行反映終端側的情況，只處理一個用戶。在發送（下行）（發往電力線網絡）端，將承載高層業務應用的IP數據流經過頭壓縮 （PDCP）、 加密 （PDCP）、 分段（RLC）、復用（MAC）、調度等過程變成物理層可處理的傳輸塊；在接收端（上行）（電力線網絡發送），將物理層接收到的比特數據流，按調度要求，解復用（MAC）、級聯（RLC）、解密（PDCP）、壓縮（PDCP），稱為高層應用可以識別的數據流，整個過程如圖5所示。

圖5 LTE空中接口用戶面數據流處理過程Fig.5 LTE air interface user plane data stream processing

同電力線數據幀結構一樣，要在物理介質中傳輸幀，那么就得想辦法加入功能，組成完整的數據幀結構，對數據進行細節的封裝，一個完整的數據封裝流程圖如圖6所示。

圖6 一個完整的數據封裝流程Fig.6 A complete data encapsulation process

上行發送（電力線網側發往到TD-LTE網側）：MAC PDU（TB）由 MAC頭和 MAC負荷組成，其中 MAC頭包括若干個MAC子頭（1 byte，2 byte 或 3 byte），MAC負荷包含 0個或者多個 MAC SDU、0個或者多個 MAC控制單元以及填充字節，各個MAC子頭都與各 SDU、MAC控制信息單元或者填充位依次對應起來。MAC復用模塊根據調度結果，復用各邏輯信道來的MAC SDU和 MAC產生的 MAC控制單元，填不滿TB時進行填充。

在MAC進行復用時，優先復用 MAC控制單元，但當復用時多出 1byte或者2byte時，這時選擇在MAC PDU的最前端置1個或者2個空填充頭。除了這種情況的填充外，多于2byte的剩余字節都將產生正常的填充，其中 1byte用于填充對應的MAC子頭，剩余用于 MAC PDU尾部的填充位。不同長度的 MAC子頭對應不同的 MAC負荷內容：MAC控制單元等固定長度單元、填充位對應 1byte的 MAC子頭；長度小于 128bytes的 MAC SDU對應 2bytes的 MAC子頭；長度大于128bytes的MACSDU對應；最后一個 MAC PDU負荷部分，不論是 MAC控制單元、MACSDU還是填充位，一定對應1byte的MAC子頭。

各種MAC子頭都有LCID字段，該字段用于標識各個邏輯信道和各種 MAC控制單元或者填充。其中 LCID=00000用于標識承載 SRB0的CCCH，00001~01010的 LCID用于標識用于承載 SRB1或 SRB2的 DCCH和承載上行數據業務的 DTCH，可見基站與某一終端之間的上行業務承載最多只能有8條。01011~11001作為預留，剩余的LCID都用于標識MAC控制單元和填充位。

下行接收（TD-LTE網側發往電力線網側）數據時，下行HARQ將正確接收的數據重新排序后，交給解復用模塊，分解成為MACSDU后根據LCID交給各RLC實體。解復用過程是復用的逆過程，接收到的數據的格式與復用模塊完成復用的數據格式相同，解復用模塊按照依次解析出下行 MAC PDU里的 MAC SDUs和 MACCE。和復用模塊一樣，解出來的 MAC SDU（RLC PDU）的邏輯信道標識、地址和長度以鏈表的形式存放。與上行類似，下行的MACCE也存放在一個結構體中，注意區別與上行LCID的區別。

3 幀結構重構設計方案

在電力傳輸線路構建的物聯網絡中，協議轉換節點的設置使得傳感器數據和其他網絡的數據交換成為可能。該節點的協議棧設置如圖7所示。

下行數據傳輸過程是從TD-LTE網側發往電力線網側：在該協議轉換節點，接收到的是完整的TD-LTE網絡幀結構，要將此時的幀轉換成電力線上傳輸的幀，那么就要對TD-LTE網絡幀進行解封裝得到有效地址數據信息，在對應地址表找到相應目的節點的地址。然后在電力線側對數據進行封裝，得到可以在電力線上傳輸的數據。這時電力線物聯網絡協議棧數據鏈路層對緩存中的字節進行提取。在電力傳輸線路構建物聯網絡側，按照電力線載波通信協議發送的數據，通過物理層電力載波芯片的接收，恢復出幀結構。在數據鏈路層處理幀中相應信息字段、提取幀中的有效數據載荷部分并裝入緩沖。第一個幀到來時設置單片機定時器等待周期，完成一個定時周期后緩存區域未滿或未達到一個周期時緩存空間耗盡后，提取緩存中的字節，送入MAC子層封裝成為MAC SDU，并添加MAC頭形成MACPDU。再經過物理層與MAC子層間通信實體接口送入物理信道。

上行數據傳輸過程是從電力線網側發往TD-LTE網側：在該協議轉換節點，接受到的是電力線網側幀結構，有數據到達該協議轉換節點時，要將此時的幀轉換成TD-LTE網絡側幀結構。首先要對電力線網絡側幀結構進行解封裝，然后得到有效的地址數據信息。將得到的有效數據進行電力線側封裝。那么首先對有效地址信息進行壓縮、加密和分段后形成RLC SDU，加RLC頭形成MAC層的MAC SDU，而后在MAC子層加入MAC頭和復用調度信息后。最后進入物理層，添加物理層信息，就可以使此時的數據在TD-LTE網絡信道中傳輸了。

圖8 協議轉換節點協議轉換算法Fig.8 Protocol conversion algorithm of protocol conversion node

4 結 論

基于電力傳輸線路的物聯網絡[9-10]構建中，如何能夠使得所構建的電力線物聯網絡能高效的與以太網互連是該網絡構建過程中關鍵的一個環節。在該網絡中，協議轉換節點承擔著電力線物聯網和LD-LTE網之間協議轉換的任務，幀結構的重構關系到協議轉換能否成功進行，進而決定了兩個網絡之間是否能成功互連進行通信[3]。文中針對基于電力傳輸線路構建的物聯網絡的幀結構和LD-LTE網幀結構的特點，討論了以下兩個核心的問題：1）在協議轉換節點構建協議棧，提供協議轉換所需的軟件平臺；2）提出了切實可行的幀結構重構的方案，為協議轉換的進行提供了一定的理論基礎。

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