電子發燒友App
引言
電力線四通八達覆蓋范圍甚廣，它不僅僅只能傳輸電能，還能傳輸通信數據。華為PLC-IoT通信技術就是利用電力線傳輸通信數據的技術，已被廣泛應用于工業物聯網場景，如配電物聯網、智慧路燈等場景。
PLC-IoT簡介
PLC-IoT概念
電網是全球覆蓋面最廣的網絡，電流過的區域遠比人踏足的區域要寬廣的多，如果在人力無法觸達的場景下，通過電網實現物聯網設備數據的采集及遠程控制，將真正實現萬物互聯,
PLC-IoT（Power Line Communication Internet of Thing），是一種利用電力線通信的技術，是華為推出的面向工業物聯網場景的中頻帶PLC電力線載波通信技術。
PLC-IoT的實現機制是將需要傳輸的IoT終端數據調制成高頻信號在電力線上傳輸。電力線傳輸使用的頻段大致可以分為三類：窄帶PLC、中頻帶PLC和寬帶PLC，它們采用的技術標準及適用場景不同，
PLC-IoT使用的頻段范圍在0.7~12MHz，屬于中頻帶PLC技術，該頻段噪聲低且相對穩定，信道質量好，有利于終端數據的傳輸。
表1-1?PLC技術分類
|
窄帶PLC (Narrowband power line communications) |
<148.5 kHz(EU) <4920 kHz(FCC) |
IEEE P1901.2 |
低速率大連接： 速率：小于150kbps 時延：一般大于200ms 連接數：最高可達1000個 傳輸距離大于1km |
常用于低速率連接的中低壓配電網自動化、電表抄表等場景。 |
|
中頻帶PLC （Meium frequency power line communications） |
0.7～12MHz | IEEE1901.1 |
低時延高可靠： 速率：150kbps～10Mbps 時延：小于50ms 可靠性：99.999% |
常用于高可靠和實時控制類物聯網場景，如智能電表、智能交通燈控制、智慧路燈單燈燈控等場景。 |
|
寬帶PLC (Broadband power line communications) |
1.8～30MHz 1.8～100MHz |
IEEE1901 ITU-T G.hn |
增強大帶寬： 速率：200Mbps～1.5GMbps 時延：小于50ms 距離：小于200米 |
常見于家庭寬帶接入、互連場景。 |
| 帶寬類別 | 頻段范圍 | 國際技術標準 | 技術場景 | 適用場景 |
|---|
PLC-IoT的優勢
在工業物聯網場景下，IoT終端接入技術分為兩類：
無線通信技術：
微功率無線通信技術，如藍牙(Bluetooth)、無線局域網802.11(Wi-Fi)、Zigbee、RF(Radio Frequency)、近場通信(NFC)等。
蜂窩無線通信技術，如NB-IoT（Narrowband Internet of Things）、GPRS、LTE等運營商的網絡。
有線通信技術：
工業現場總線技術：一種工業數據總線，主要用與智能化儀表、控制設備等現場設備之間的數字通信，常見的有RS485和CAN總線等。
電力線通信技術：一種通過電力線進行數據傳輸的技術，不需要額外部署通信線路，復用電力線通信等，如PLC-IoT。
PLC-IoT作為新興的電力線通信技術，相較于其他電力線通信技術，解決了電力線路信號干擾、衰減問題。相較于工業現場總線技術和無線通信技術，優勢如表1-2所示。
表1-2?PLC-IoT技術優勢
|
免布專用通信線，免挖路破墻，提高部署效率和降低部署成本。 通信數據和電源同纜，節省戶外昂貴線纜的成本。 通信帶寬高，可綜合傳輸數據和圖片視頻。 通信時延低，可用于有實時性要求的控制場景。 具備加密傳輸和白名單認證，提升了通信網絡安全。 |
組網系統復雜度低，不需進行復雜的無線覆蓋勘測，基站選址，以及覆蓋仿真設計。 不需架設基站和核心網，綜合部署成本低。 通信帶寬高，可綜合傳輸數據和圖片，有更好的業務體驗。 通信時延小，除了實時在線監測，還可用于實時控制。 密集樓宇和地下室等特殊場景，無線信號覆蓋相對差，而PLC不受地理環境限制。 |
| 相較工業現場總線技術優勢 | 相較無線通信技術優勢（微功率和蜂窩無線技術） |
|---|
PLC-IoT亮點特性
支持IPv6，實現IP化PLC通信
窄帶和寬帶PLC技術PLC通信技術僅僅是利用電力線進行數據透傳功能，網絡通信模型中沒有擴展網絡層和傳輸層，不能承載IP報文，因此無法對接使用標準TCP/IP網絡模型的場景。
所謂IP化PLC，是華為基于開放標準的IPv6技術，在PLC網絡通信模型中承載了IPv6協議，擴展出了網絡層和傳輸層，不同類型的末端設備可以共享PLC網絡，實現數據共享，同時不同業務用戶也可共享PLC網絡，獨立訪問各自管理的低壓設備而互不影響，提升PLC網絡的并發能力和通信效率。
網絡架構簡單，組網靈活，即插即用。
PLC-IoT技術同樣需要PLC調制和解調模塊（即PLC通信模塊），但結合了華為邊緣計算網關實現對PLC通信模塊的管理、數據傳輸等功能，同時采用即插即用架構，實現物聯網關與末端設備快速建立業務通道，有效解決傳統末端設備上線流程復雜，安裝部署耗時的問題。
無擾臺區識別，避免設備歸屬問題
所謂臺區，即一個變壓器所管轄的范圍，因為配電變壓器對電力載波信號具有阻隔作用，因此PLC通信技術僅能在一個變壓器的區域內傳輸，這樣就會存在末端設備串擾的問題，如本屬于一個變壓器下區域的信號傳輸串擾至另外一臺距離較近的變壓器下。
無擾臺區識別是華為推出新一代臺區識別技術，無需任何外加設備，根據寬帶載波技術特點和電網及信號特性，僅通過軟件分析處理，在模塊本地自動分析出末端設備所歸屬的變壓器。利用無擾臺區識別的結果，可免除白名單配置，從而減少現場配置，提升設備部署效率。
PLC-IoT如何工作
PLC-IoT網絡模型
了解PLC-IoT如何工作，需要先了解PLC-IoT網絡模型。PLC-IoT借鑒了OSI網絡模型，包括物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，如PLC-IoT網絡模型所示，目的是能夠支持基于TCP/IP的通信與標準TCP/IP進行對接實現標準IP網絡通信，實現電力線傳輸的數據及不同類型PLC終端之間能夠基于IP網絡通信（即IP化PLC），擴展PLC-IoT的應用場景。
PLC-IoT技術按照IEEE1901.1國際技術標準實現，若需要更詳細地了解PLC-IoT網絡模型及實現原理，可參考IEEE1901.1標準解讀。
圖1-2?PLC-IoT網絡模型
物理層
PLC-IoT通信信號傳輸的媒介是電力線，物理層負責將需要數據鏈路層分發的數據傳輸報文編碼、調制為載波信號，發送到電力線上，同時負責接收電力線上傳輸的載波信號經解調、解碼發送至數據鏈路層進行傳輸。
數據鏈路層
分為網絡管理子層和媒體訪問控制子層：
網絡管理子層：負責PLC-IoT通信網絡的組網、網絡維護、路由管理及網路層報文的匯聚和分發。
媒體訪問控制子層：負責所有數據報文的可靠傳輸。
網絡層
物聯網場景下終端數量龐大，且需要輕量級IP報文實現數據高效傳輸，PLC-IoT網絡層支持的是輕量級IPv6協議（IPv6 over Low Power WPAN），實現PLC-IoT網絡的IPv6通信。
傳輸層
向高層提供可靠的端到端的網絡數據流服務。
應用層
實現通信單元之間（即PLC通信單元）業務數據交互，為了保證電力線傳輸數據安全可靠，PLC-IoT支持 DTLS（Datagram Transport Layer Security，數據包傳輸層安全協議）和 CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的應用協議）實現數據安全和高效傳輸。
PLC-IoT組網
PLC-IoT網絡典型組網如圖1所示，由邊緣計算網關（包括PLC頭端通信模塊、Host、容器和APP）、PLC尾端通信模塊以及IoT終端組成：
邊緣計算網關中的Host提供容器環境，用戶可將管理IoT終端的業務APP部署在容器中，實現下發采集IoT終端數據及控制指令。
PLC頭端通信模塊負責處理應用數據將其耦合至電力線上，向上與Host連接，實現將通過PLC-IoT網路傳輸的數據上報給Host處理，向下將Host中的業務APP下發的采集IoT終端數據及控制指令通過電力線傳輸至PLC尾端通信模塊。
PLC尾端模塊集成在IoT終端中，負責采集IoT終端數據或執行邊緣計算網關側下發的命令。
圖1-3?PLC-IoT典型組網圖
在PLC-IoT通信網絡中，主要有PLC頭端通信模塊與PLC尾端通信模塊通過電力線連接實現電力線載波通信，PLC-IoT網絡如圖1-4所示。
圖1-4?PLC-IoT網絡
PLC頭端通信模塊與PLC尾端通信模塊并非一對一的連接方式，一個頭端通信模塊可與多個尾端通信模塊連接。根據電力線布線方式及實際環境要求，PLC-IoT網絡拓撲組網包括兩種樹型和星型，如圖1-5和圖1-6所示：
圖1-5?星型組網
圖1-6?樹型組網
星型組網下，頭端通信模塊與尾端通信模塊直接通過電力線連接，該組網下PLC通信傳輸距離僅有幾百米。
樹型組網下，部分尾端通信模塊可作為中繼節點與其他尾端連接，擴展PLC-IoT載波數據通信的傳輸距離，可達數公里。
以樹型組網為例，介紹PLC-IoT各節點作用。PLC-IoT網絡中包含三種節點角色：根節點CCO（Central Coordinator）中央節點、PCO代理節點（中繼節點）、STA（Station）三種節點：
根節點CCO中央節點，負責PLC-IoT組網控制、網絡維護管理等，同時完成下掛所有尾端STA模塊的入網認證、數據信息交互等，一個CCO最大支持512個STA接入。
PCO代理節點（中繼節點），作為葉子節點完成作為中繼級聯的作用。
STA站點（站點模塊），作為葉子節點完成網絡接入的作用。
組網流程
設備上電，CCO會進行全網PLC檢測，根據電力線通信參數、到網絡節點的通信參數確定承擔PCO和STA角色的節點；
CCO啟動偵聽STA的請求報文或者主動詢問STA，通過載波檢測技術進行傳輸管理和控制。
STA上電后會向頭端CCO發起入網請求，根據PLC-IoT網絡狀態將請求入網報文發送給PCO或直接發送給CCO，PCO收到連接請求并認證成功后上報CCO請求入網，CCO接收到后即認證完成，STA方可加入PLC網絡，從而進行數據通信。
PLC-IoT上線流程
尾端通信模塊需要在頭端通信模塊上線后才能進行數據通信，分別介紹星型組網和樹型組網下通信模塊的上線過程。
樹型組網認證流程
樹型組網下，PLC通信模塊之間的交互流程如圖1-8所示：
圖1-7?樹型組網流程
上線流程如下：
設備上電后，頭端通信模塊會根據配置啟動PLC-IoT組網，在工作頻段內進行全網PLC檢測，發送可入網廣播報文。
尾端通信模塊上電后，同樣在工作頻段內發送入網請求，請求與頭端通信模塊建立連接。
頭端通信模塊接收到尾端通信模塊入網請求后，需要根據配置的尾端通信模塊入網策略判斷是否允許入網。PLC-IoT網絡支持三種入網策略：
配置白名單，只允許白名單內的尾端通信模塊才允許入網。
頭端通信模塊收到站點的關聯請求報文后，將請求入網尾端模塊信息（MAC地址、ESN和ODI）與CCO本地存儲的白名單表項進行比對，當請求入網尾端模塊信息在頭端通信模塊白名單內時，頭端通信模塊允許該站點加入網絡；當請求入網的站點的MAC地址不在白名單內時，頭端通信模塊拒絕該站點加入，并且通知該站點在一段時間內不可以再次請求加入本網絡。
不限制節點接入，即允許所有發送入網請求的尾端通信模塊入網。
無擾臺區識別方式入網：無擾臺區識別是指無需額外增加任何設備，尾端通信模塊可以根據電力線寬帶載波技術及電力線的信號狀態信息判斷應當歸屬于哪個頭端通信模塊，并向其發送入網請求。若頭端通信模塊配置了無擾臺區識別功能，則允許向其發送入網請求的所有尾端模塊入網。
頭端通信模塊判定允許尾端通信模塊入網后，向其發送入網響應報文。
尾端通信模塊上報尾端通信模塊接收到入網確認報文后，發送狀態、證書等信息。
頭端通信模塊根據上報的尾端信息，確定尾端通信模塊在PLC-IoT網絡中的角色（PCO或STA），并下發給響應的尾端通信模塊。
尾端通信模塊根據分配到的角色信息上報確認報文，同時PCO節點根據CCO發送的認證信息完成自身認證。
角色為STA的尾端通信模塊定期向鄰居廣播發送代理認證信息請求。
角色為PCO的尾端通信模塊接收到代理認證請求后，向STA發送認證代理發現確認報文。
STA向PCO發送尾端通信模塊的設備信息及證書信息，請求認證。
PCO接收到STA的認證請求報文后，根據代理認證信息完成節點認證，并將認證結果（包含設備證書）上報給CCO。
CCO根據上報認證結果及STA節點證書完成校驗，并將PCO下發認證響應及網絡配置（IPv6前綴）等信息。
PCO接收到信息后，將認證響應及網絡配置等信息發送給STA。
STA根據獲取的參數信息完成網絡配置并將網絡配置及注冊響應發送給PCO和CCO。
啟動通信數據交互。
星型組網流程
星型組網下，PLC通信模塊之間的交互流程如圖1-8所示：
圖1-8?星型組網流程
上線流程如下：
設備上電后，頭端通信模塊會根據配置啟動PLC-IoT組網，在工作頻段內進行全網PLC檢測，發送可入網廣播報文。
尾端通信模塊上電后，同樣在工作頻段內發送入網請求，請求與頭端通信模塊建立連接。
頭端通信模塊接收到尾端通信模塊入網請求后，需要根據配置的尾端通信模塊入網策略判斷是否允許入網。PLC-IoT網絡支持三種入網策略：
配置白名單，只允許白名單內的尾端通信模塊才允許入網。
頭端通信模塊收到站點的關聯請求報文后，將請求入網尾端模塊信息（MAC地址、ESN和ODI）與CCO本地存儲的白名單表項進行比對，當請求入網尾端模塊信息在頭端通信模塊白名單內時，頭端通信模塊允許該站點加入網絡；當請求入網的站點的MAC地址不在白名單內時，頭端通信模塊拒絕該站點加入，并且通知該站點在一段時間內不可以再次請求加入本網絡。
不限制節點接入，即允許所有發送入網請求的尾端通信模塊入網。
無擾臺區識別方式入網：無擾臺區識別是指無需額外增加任何設備，尾端通信模塊可以根據電力線寬帶載波技術及電力線的信號狀態信息判斷應當歸屬于哪個頭端通信模塊，并向其發送入網請求。若頭端通信模塊配置了無擾臺區識別功能，則允許向其發送入網請求的所有尾端模塊入網。
頭端通信模塊判定允許尾端通信模塊入網后，向其發送入網響應報文。
尾端通信模塊接收到入網確認報文后，發送狀態、證書等信息，并發送認證請求。
入網成功，頭端通信模塊啟動認證流程。
認證成功后，頭端通信模塊向尾端通信模塊發動認證成功報文及網絡配置等信息。
啟動通信數據交互。
PLC-IoT數據轉發流程
尾端通信模塊上線完成后，即容器、APP、Host、PLC頭端通信模塊、PLC尾端通信模塊激IoT終端之間的數據通信：
容器、APP、Host及PLC頭端通信模塊之間基于標準的TCP/IP網絡模型通信。
PLC頭端通信模塊和PLC尾端通信模塊利用電力線通信，采用的是PLC-IoT網絡模型進行通信。PLC-IoT網絡模型可以標準TCP/IP進行無縫對接實現標準IP網絡通信。
華為PLC-IoT網絡是基于IPv6地址的報文轉發功能，是通過邊緣計算網關（即Host）下發IPv6網絡前綴，為PLC-IoT網絡配置IPv6地址：
容器：IPv6網絡前綴結合根據槽位號生成的容器MAC地址，生成容器IPv6地址。
PLC尾端通信模塊：IPv6網絡前綴結合扣卡MAC地址，生成PLC尾端通信模塊IPv6地址。
如圖1-9所示，集成在容器中的APP，使用IP網絡通過電力線傳輸與遠端IoT終端進行數據通信，
圖1-9?PLC-IoT網絡數據轉發流程示意圖
容器內的應用程序與遠端IoT終端的通信數據，經IPv6協議棧轉發到達邊緣計算網關，其數據的轉發過程如下：
邊緣計算網關接收到應用數據報文后，采用中繼轉發的形式將報文轉發到核心板的PLC頭端通信模塊中。
PLC頭端通信模塊對數據報文僅做中繼轉發，不感知IP，僅到達數據鏈路層，然后使用PLC二層協議對報文進行封裝，并且耦合進PLC物理層即電力線中進行傳輸。
數據報文經過電力網絡的傳輸到達IoT終端后，由IoT終端設備上的PLC尾端通信模塊對接收到的數據報文進行解封裝，IPv6地址匹配成功后，通過基于IPv6的網絡層傳輸到應用層。
PLC尾端通信模塊將解析得到的應用層數據，經由服務代理所配置的數據通道傳給IoT終端。
華為PLC-IoT產品
華為 PLC-IoT 系列通信模塊是面向于電力線寬帶載波通信的通信模塊產品（包括PLC-IoT頭端和PLC-IoT尾端），采用華為 PLC-IoT 寬帶電力線載波技術，廣泛適用于電力、交通、工業制造等領域。同時結合邊緣計算核心板或網關作為行業物聯網關使用，實現數據采集和通信模塊的遠程控制。
圖1-10?組網
PLC-IoT通信模塊
華為PLC-IoT系列通信模塊包含頭端和尾端兩種類型，頭端配合邊緣計算核心板或網關使用，尾端被集成于不同的行業終端設備中，實現復用電力線進行數據傳輸，網隨電通，免布線，可靠性高。
頭端通信模塊
頭端通信模塊分為兩類：
配套邊緣計算核心板使用，型號分別為PLC-IH-1和PLCh-Power-1：
PLC-IH-1模塊，如圖1-11所示，是華為Inside解決方案中的頭端通信模塊，通過PLC通信方式上傳或下載數據，實現遠程控制。本產品使用場景豐富，如智能交通信號燈場景，通過PLC電力載波技術，充分利用舊電源、桿件、管道、線路等資源快速建立網絡，高效打通路口終端設備，實現新終端的快速部署。
審核編輯：湯梓紅
?
?
工商網監
評論