电力线物联网络与TD-LTE网络帧结构重构方案

姚秋莎，孙友伟，李晓迎

（西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710061）

通信网络发展到今天，已经由骨干传输网，接入网，进一步地向用户层延伸，发展到物联和传感器网络层面[1]。随着物联网络的发展，对于灵活性的要求在生活场景或农业、工业生产场景中的物联网构建已经不再显得尤其重要，反而如何能够充分利用现有资源去构建一个成本低、稳定性高的物联网络方案成为了首选。无线电波之间互相干扰以及能源提供不稳定等是以无线传感器网络为基础的传统物联网的最大缺点，其优点在于部署灵活而快捷[2]。一种更注重成本和稳定性的物联网构建方案将成为下一步物联网构建的基础。利用目前现有的家用电路传输线路等电力线路来构建的物联网络即基于电力传输线路的物联网络[1]。电力传输线路有多方面的优点，如覆盖范围广、接入便利等决定了基于电力传输线路所构建的物联网络无需重新布线，所有用电设备都可方便直接的接入网络。而且电力传输线路能随时为传感器节点供电，为网络的稳定性提供了保障。

在基于电力传输线路构建的物联网通信平台中，传感器通过电力线载波芯片连接到电力传输线路上进行组网。位于电力线物联网络的末梢端的是传感器，主要任务是进行数据采集，传感器所进行数据采集得到的结果往往需要传输到云端进行决策和处理。目前对于TD-LTE网络，为满足电力传输线路上构建的通信平台和云端的数据交换的通信需求，在电力线物联网中需设计一个能够完成电力传输线路和TDLTE网络之间协议转换的节点，以满足传感器采集信息传输到云端的需求。其意义在于通过协议转换，能够实现电力线通信平台和TD-LTE网的无缝连接，使骨干传送网和用户驻地有效地连接成一个整体，提供了一种从“云管端”概念中“端”到“管”的行之有效的可靠方案[3]。

在电力线物联网络中设计一个能够进行协议转换的节点[2-4]，这个节点将完成电力线物联网与TD-LTE网间的协议转换工作。传感器采集的数据以电力线通信协议进入电力传输线路，为了使信息通过骨干传输网络进入TD-LTE云端，协议转换不可避免。文中通过分析比较这两种协议的帧结构及其特点，研究协议转换过程中帧结构重构的方案。

1 电力线物联网帧结构

在电力线物联网络中设计一个能够进行协议转换的节点，如图1所示。

先分析整个协议框架，众所周知OSI七层参考模型也不错，但在实际应用中很少有协议能完全按照此模型标准来实现。主要原因有两点：其一是OSI七层参考模型成本高且太复杂；其二是根据不同的具体对象来说，无需达到那么详细的功能层划分。因此按照国外电力线通信协议主流标准，并且为了给电力线载波应用提供足够的寻址能力。电力线通信协议可划分为三层，分别为：物理层、数据链路层和应用层，其优点是：接受数据复杂度低、数据吞吐量高。而从低到高依次为：物理层、数据链路层、应用层。

图1 电力线构建物联网方案Fig.1 Power line build IoT solutions

由于电力传输线路相较于其他的传输媒介来说有独特的频率特性，大多数的电力线载波通信协议在纠错方面的考虑较多。目前较为普及的电力线通信协议主要有HomePlug、G.hn以及IEEE P1901等其他标准。

为了传输信息，PLC工作站必须准备数据帧，也就是带有帧头和帧尾区域的数据模块。包含用户数据的模块所具有的特殊格式，如图2所示：PLC的数据通过MAC层（数据链路层）和物理层传输。第一层的结构与接入电力线媒介的结束相对应，与这一协议相对应的帧称作MAC帧或者MPDU（MAC协议数据单元）帧。来自于MAC层之上的所有数据被封装到MAC帧里。为了通过物理接口或电力接口来传输帧，MAC帧被封装到第二个物理层帧之中，这个帧称为PPDU（物理协议数据单元）[5]。

图2 PLC结构的数据传输过程Fig.2 PLC of the structure of the data transmission process

在电力线物联网络中，除了数据的传输需要帧结构来进行承载，链路连接的建立和解除等命令信息和ACK、NACK等控制信息同样需要一个帧来进行承载。用于承载数据的帧长度一般较长，而用于承载命令信息RTS（请求发送帧）、CTS（允许发送帧）和控制信息ACK的帧长度一般较短，因此，在基本帧结构的基础上，需要设计长帧和短帧两种帧结构。长帧结构主要用于承载相关的网络信息以及传感器所采集的数据，也就是数据帧如图3所示。短帧结构主要用于承载应答信息以及命令信息，格式和一般的数据帧完全相同，只是没有 Data域，如图4[6]所示。

在MAC层协议中帧的长度是一个很重要的参数，对其选择恰当与否，会影响网络的延迟和吞吐量。该协议建议，使用如图所示的数据帧结构。为了保证通信的可靠性，要求帧长度不能过长，通常帧长度小于63字节[7]。根据家庭控制网络信息速率较低的特点，数据帧长度选择在63*8 bit左右。

图3 长帧结构Fig.3 Long frame structure

图4 短帧结构Fig.4 Short frame structure

该帧结构中各字段的大小及具体内容如下：

Start Delimiter域，占用1个字节，由16进制比特序列“0x09”填充组成，用来指示一个帧的开始；

FrameControl域，占用2个字节，包括数据帧的长度占用1个字节、另1个字节包括优先级、发送序号和转发标志等控制信息；为了进一步降低冲突概率并考虑到一些设备对延迟的要求，在帧的控制域中加入了2个优先级位，同时定义了3种不同的帧等待时间 SIFS，MIFS和 LIFS（SIFSG MIFSG LIFS，三者的时间长短各不相同，代表帧的不同优先级。使用SIFS的帧，具有最高的优先级。

Destination Add:占用1个字节，由1个8位的2进制序列填充组成，用于表示接收端节点的地址，可以为单播、多播或者广播地址；

Source Addr域：占用1个字节，由1个8位的2进制序列填充组成，用于表示发送端节点的地址，只能为单播地址；

Data域：要发送和承载上层的实际数据，其中N最大为56，56*8bit；

FCS域：帧的校验序列（采用8 bit的CRC冗余校验，用来检查帧在传输过程中是否损坏）；

End Delimner域：占用1个字节，用来指示一帧的结束。

2 TD_LTE网络帧结构

研究TD-LTE无线网络就必须了解空中接口协议，即无线接口。“空中接口”是基站和移动电话之间的无线传输规范，它定义每个无线信道的使用频率、带宽、接入时机、编码方法以及越区切换。文中的关键部分帧结构就是只考虑空中接口部分。

无线接口协议部分主要分成3个部分，其是物理层、数据链路层以及网络层。物理层的数据服务主要分成下行和上行信道服务。而无线接口由用户平面协议栈和控制平面协议栈两部分构成。本论文中只根据需要只研究用户平面的协议与电力线帧协议之间的转换，完成这样一个转换接口，就可以使电力线上的数据和TD-LTE网络上的数据进行通信。

用户平面协议栈是由PDCP层协议，RLC协议层协议，MAC层协议以及物理层协议组成。用户面负责业务数据的传送和处理，用户平面各层的功能在控制平面中都有涉及，主要完成报头压缩，加密，调度，自动重传请求等功能[8]。

上行架构与下行架构的区别主要为：下行反映网络侧的情况，处理多个用户；上行反映终端侧的情况，只处理一个用户。在发送（下行）（发往电力线网络）端，将承载高层业务应用的IP数据流经过头压缩 （PDCP）、 加密 （PDCP）、 分段（RLC）、复用（MAC）、调度等过程变成物理层可处理的传输块；在接收端（上行）（电力线网络发送），将物理层接收到的比特数据流，按调度要求，解复用（MAC）、级联（RLC）、解密（PDCP）、压缩（PDCP），称为高层应用可以识别的数据流，整个过程如图5所示。

图5 LTE空中接口用户面数据流处理过程Fig.5 LTE air interface user plane data stream processing

同电力线数据帧结构一样，要在物理介质中传输帧，那么就得想办法加入功能，组成完整的数据帧结构，对数据进行细节的封装，一个完整的数据封装流程图如图6所示。

图6 一个完整的数据封装流程Fig.6 A complete data encapsulation process

上行发送（电力线网侧发往到TD-LTE网侧）：MAC PDU（TB）由 MAC头和 MAC负荷组成，其中 MAC头包括若干个MAC子头（1 byte，2 byte 或 3 byte），MAC负荷包含 0个或者多个 MAC SDU、0个或者多个 MAC控制单元以及填充字节，各个MAC子头都与各 SDU、MAC控制信息单元或者填充位依次对应起来。MAC复用模块根据调度结果，复用各逻辑信道来的MAC SDU和 MAC产生的 MAC控制单元，填不满TB时进行填充。

在MAC进行复用时，优先复用 MAC控制单元，但当复用时多出 1byte或者2byte时，这时选择在MAC PDU的最前端置1个或者2个空填充头。除了这种情况的填充外，多于2byte的剩余字节都将产生正常的填充，其中 1byte用于填充对应的MAC子头，剩余用于 MAC PDU尾部的填充位。不同长度的 MAC子头对应不同的 MAC负荷内容：MAC控制单元等固定长度单元、填充位对应 1byte的 MAC子头；长度小于 128bytes的 MAC SDU对应 2bytes的 MAC子头；长度大于128bytes的MACSDU对应；最后一个 MAC PDU负荷部分，不论是 MAC控制单元、MACSDU还是填充位，一定对应1byte的MAC子头。

各种MAC子头都有LCID字段，该字段用于标识各个逻辑信道和各种 MAC控制单元或者填充。其中 LCID=00000用于标识承载 SRB0的CCCH，00001~01010的 LCID用于标识用于承载 SRB1或 SRB2的 DCCH和承载上行数据业务的 DTCH，可见基站与某一终端之间的上行业务承载最多只能有8条。01011~11001作为预留，剩余的LCID都用于标识MAC控制单元和填充位。

下行接收（TD-LTE网侧发往电力线网侧）数据时，下行HARQ将正确接收的数据重新排序后，交给解复用模块，分解成为MACSDU后根据LCID交给各RLC实体。解复用过程是复用的逆过程，接收到的数据的格式与复用模块完成复用的数据格式相同，解复用模块按照依次解析出下行 MAC PDU里的 MAC SDUs和 MACCE。和复用模块一样，解出来的 MAC SDU（RLC PDU）的逻辑信道标识、地址和长度以链表的形式存放。与上行类似，下行的MACCE也存放在一个结构体中，注意区别与上行LCID的区别。

3 帧结构重构设计方案

在电力传输线路构建的物联网络中，协议转换节点的设置使得传感器数据和其他网络的数据交换成为可能。该节点的协议栈设置如图7所示。

下行数据传输过程是从TD-LTE网侧发往电力线网侧：在该协议转换节点，接收到的是完整的TD-LTE网络帧结构，要将此时的帧转换成电力线上传输的帧，那么就要对TD-LTE网络帧进行解封装得到有效地址数据信息，在对应地址表找到相应目的节点的地址。然后在电力线侧对数据进行封装，得到可以在电力线上传输的数据。这时电力线物联网络协议栈数据链路层对缓存中的字节进行提取。在电力传输线路构建物联网络侧，按照电力线载波通信协议发送的数据，通过物理层电力载波芯片的接收，恢复出帧结构。在数据链路层处理帧中相应信息字段、提取帧中的有效数据载荷部分并装入缓冲。第一个帧到来时设置单片机定时器等待周期，完成一个定时周期后缓存区域未满或未达到一个周期时缓存空间耗尽后，提取缓存中的字节，送入MAC子层封装成为MAC SDU，并添加MAC头形成MACPDU。再经过物理层与MAC子层间通信实体接口送入物理信道。

上行数据传输过程是从电力线网侧发往TD-LTE网侧：在该协议转换节点，接受到的是电力线网侧帧结构，有数据到达该协议转换节点时，要将此时的帧转换成TD-LTE网络侧帧结构。首先要对电力线网络侧帧结构进行解封装，然后得到有效的地址数据信息。将得到的有效数据进行电力线侧封装。那么首先对有效地址信息进行压缩、加密和分段后形成RLC SDU，加RLC头形成MAC层的MAC SDU，而后在MAC子层加入MAC头和复用调度信息后。最后进入物理层，添加物理层信息，就可以使此时的数据在TD-LTE网络信道中传输了。

图8 协议转换节点协议转换算法Fig.8 Protocol conversion algorithm of protocol conversion node

4 结 论

基于电力传输线路的物联网络[9-10]构建中，如何能够使得所构建的电力线物联网络能高效的与以太网互连是该网络构建过程中关键的一个环节。在该网络中，协议转换节点承担着电力线物联网和LD-LTE网之间协议转换的任务，帧结构的重构关系到协议转换能否成功进行，进而决定了两个网络之间是否能成功互连进行通信[3]。文中针对基于电力传输线路构建的物联网络的帧结构和LD-LTE网帧结构的特点，讨论了以下两个核心的问题：1）在协议转换节点构建协议栈，提供协议转换所需的软件平台；2）提出了切实可行的帧结构重构的方案，为协议转换的进行提供了一定的理论基础。

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