電力線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與TD-LTE網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)重構(gòu)方案

姚秋莎，孫友偉，李曉迎

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天，已經(jīng)由骨干傳輸網(wǎng)，接入網(wǎng)，進(jìn)一步地向用戶層延伸，發(fā)展到物聯(lián)和傳感器網(wǎng)絡(luò)層面[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對(duì)于靈活性的要求在生活場(chǎng)景或農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景中的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建已經(jīng)不再顯得尤其重要，反而如何能夠充分利用現(xiàn)有資源去構(gòu)建一個(gè)成本低、穩(wěn)定性高的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定等是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的最大缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于部署靈活而快捷[2]。一種更注重成本和穩(wěn)定性的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案將成為下一步物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。利用目前現(xiàn)有的家用電路傳輸線路等電力線路來構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)即基于電力傳輸線路的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[1]。電力傳輸線路有多方面的優(yōu)點(diǎn)，如覆蓋范圍廣、接入便利等決定了基于電力傳輸線路所構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無需重新布線，所有用電設(shè)備都可方便直接的接入網(wǎng)絡(luò)。而且電力傳輸線路能隨時(shí)為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，為網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提供了保障。

在基于電力傳輸線路構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)中，傳感器通過電力線載波芯片連接到電力傳輸線路上進(jìn)行組網(wǎng)。位于電力線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的末梢端的是傳感器，主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器所進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到的結(jié)果往往需要傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行決策和處理。目前對(duì)于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，為滿足電力傳輸線路上構(gòu)建的通信平臺(tái)和云端的數(shù)據(jù)交換的通信需求，在電力線物聯(lián)網(wǎng)中需設(shè)計(jì)一個(gè)能夠完成電力傳輸線路和TDLTE網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)，以滿足傳感器采集信息傳輸?shù)皆贫说男枨蟆Ｆ湟饬x在于通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)電力線通信平臺(tái)和TD-LTE網(wǎng)的無縫連接，使骨干傳送網(wǎng)和用戶駐地有效地連接成一個(gè)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(lián)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)一個(gè)能夠進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)[2-4]，這個(gè)節(jié)點(diǎn)將完成電力線物聯(lián)網(wǎng)與TD-LTE網(wǎng)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。傳感器采集的數(shù)據(jù)以電力線通信協(xié)議進(jìn)入電力傳輸線路，為了使信息通過骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入TD-LTE云端，協(xié)議轉(zhuǎn)換不可避免。文中通過分析比較這兩種協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，研究協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中幀結(jié)構(gòu)重構(gòu)的方案。

1 電力線物聯(lián)網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

在電力線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)一個(gè)能夠進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

先分析整個(gè)協(xié)議框架，眾所周知OSI七層參考模型也不錯(cuò)，但在實(shí)際應(yīng)用中很少有協(xié)議能完全按照此模型標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。主要原因有兩點(diǎn)：其一是OSI七層參考模型成本高且太復(fù)雜；其二是根據(jù)不同的具體對(duì)象來說，無需達(dá)到那么詳細(xì)的功能層劃分。因此按照國外電力線通信協(xié)議主流標(biāo)準(zhǔn)，并且為了給電力線載波應(yīng)用提供足夠的尋址能力。電力線通信協(xié)議可劃分為三層，分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其優(yōu)點(diǎn)是：接受數(shù)據(jù)復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)吞吐量高。而從低到高依次為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。

圖1 電力線構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)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(dú)特的頻率特性，大多數(shù)的電力線載波通信協(xié)議在糾錯(cuò)方面的考慮較多。目前較為普及的電力線通信協(xié)議主要有HomePlug、G.hn以及IEEE P1901等其他標(biāo)準(zhǔn)。

為了傳輸信息，PLC工作站必須準(zhǔn)備數(shù)據(jù)幀，也就是帶有幀頭和幀尾區(qū)域的數(shù)據(jù)模塊。包含用戶數(shù)據(jù)的模塊所具有的特殊格式，如圖2所示：PLC的數(shù)據(jù)通過MAC層（數(shù)據(jù)鏈路層）和物理層傳輸。第一層的結(jié)構(gòu)與接入電力線媒介的結(jié)束相對(duì)應(yīng)，與這一協(xié)議相對(duì)應(yīng)的幀稱作MAC幀或者M(jìn)PDU（MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元）幀。來自于MAC層之上的所有數(shù)據(jù)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(gè)物理層幀之中，這個(gè)幀稱為PPDU（物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元）[5]。

圖2 PLC結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸過程Fig.2 PLC of the structure of the data transmission process

在電力線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，除了數(shù)據(jù)的傳輸需要幀結(jié)構(gòu)來進(jìn)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(gè)幀來進(jìn)行承載。用于承載數(shù)據(jù)的幀長度一般較長，而用于承載命令信息RTS（請(qǐng)求發(fā)送幀）、CTS（允許發(fā)送幀）和控制信息ACK的幀長度一般較短，因此，在基本幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要設(shè)計(jì)長幀和短幀兩種幀結(jié)構(gòu)。長幀結(jié)構(gòu)主要用于承載相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息以及傳感器所采集的數(shù)據(jù)，也就是數(shù)據(jù)幀如圖3所示。短幀結(jié)構(gòu)主要用于承載應(yīng)答信息以及命令信息，格式和一般的數(shù)據(jù)幀完全相同，只是沒有 Data域，如圖4[6]所示。

在MAC層協(xié)議中幀的長度是一個(gè)很重要的參數(shù)，對(duì)其選擇恰當(dāng)與否，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的延遲和吞吐量。該協(xié)議建議，使用如圖所示的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。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(jié)[7]。根據(jù)家庭控制網(wǎng)絡(luò)信息速率較低的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)幀長度選擇在63*8 bit左右。

圖3 長幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Long frame structure

圖4 短幀結(jié)構(gòu)Fig.4 Short frame structure

該幀結(jié)構(gòu)中各字段的大小及具體內(nèi)容如下：

Start Delimiter域，占用1個(gè)字節(jié)，由16進(jìn)制比特序列“0x09”填充組成，用來指示一個(gè)幀的開始；

FrameControl域，占用2個(gè)字節(jié)，包括數(shù)據(jù)幀的長度占用1個(gè)字節(jié)、另1個(gè)字節(jié)包括優(yōu)先級(jí)、發(fā)送序號(hào)和轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志等控制信息；為了進(jìn)一步降低沖突概率并考慮到一些設(shè)備對(duì)延遲的要求，在幀的控制域中加入了2個(gè)優(yōu)先級(jí)位，同時(shí)定義了3種不同的幀等待時(shí)間 SIFS，MIFS和 LIFS（SIFSG MIFSG LIFS，三者的時(shí)間長短各不相同，代表幀的不同優(yōu)先級(jí)。使用SIFS的幀，具有最高的優(yōu)先級(jí)。

Destination Add:占用1個(gè)字節(jié)，由1個(gè)8位的2進(jìn)制序列填充組成，用于表示接收端節(jié)點(diǎn)的地址，可以為單播、多播或者廣播地址；

Source Addr域：占用1個(gè)字節(jié)，由1個(gè)8位的2進(jìn)制序列填充組成，用于表示發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的地址，只能為單播地址；

Data域：要發(fā)送和承載上層的實(shí)際數(shù)據(jù)，其中N最大為56，56*8bit；

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

End Delimner域：占用1個(gè)字節(jié)，用來指示一幀的結(jié)束。

2 TD_LTE網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)

研究TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)就必須了解空中接口協(xié)議，即無線接口?！翱罩薪涌凇笔腔竞鸵苿?dòng)電話之間的無線傳輸規(guī)范，它定義每個(gè)無線信道的使用頻率、帶寬、接入時(shí)機(jī)、編碼方法以及越區(qū)切換。文中的關(guān)鍵部分幀結(jié)構(gòu)就是只考慮空中接口部分。

無線接口協(xié)議部分主要分成3個(gè)部分，其是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層。物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)主要分成下行和上行信道服務(wù)。而無線接口由用戶平面協(xié)議棧和控制平面協(xié)議棧兩部分構(gòu)成。本論文中只根據(jù)需要只研究用戶平面的協(xié)議與電力線幀協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，完成這樣一個(gè)轉(zhuǎn)換接口，就可以使電力線上的數(shù)據(jù)和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。

用戶平面協(xié)議棧是由PDCP層協(xié)議，RLC協(xié)議層協(xié)議，MAC層協(xié)議以及物理層協(xié)議組成。用戶面負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(bào)頭壓縮，加密，調(diào)度，自動(dòng)重傳請(qǐng)求等功能[8]。

上行架構(gòu)與下行架構(gòu)的區(qū)別主要為：下行反映網(wǎng)絡(luò)側(cè)的情況，處理多個(gè)用戶；上行反映終端側(cè)的情況，只處理一個(gè)用戶。在發(fā)送（下行）（發(fā)往電力線網(wǎng)絡(luò)）端，將承載高層業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP數(shù)據(jù)流經(jīng)過頭壓縮 （PDCP）、 加密 （PDCP）、 分段（RLC）、復(fù)用（MAC）、調(diào)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(wǎng)絡(luò)發(fā)送），將物理層接收到的比特?cái)?shù)據(jù)流，按調(diào)度要求，解復(fù)用（MAC）、級(jí)聯(lián)（RLC）、解密（PDCP）、壓縮（PDCP），稱為高層應(yīng)用可以識(shí)別的數(shù)據(jù)流，整個(gè)過程如圖5所示。

圖5 LTE空中接口用戶面數(shù)據(jù)流處理過程Fig.5 LTE air interface user plane data stream processing

同電力線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一樣，要在物理介質(zhì)中傳輸幀，那么就得想辦法加入功能，組成完整的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)節(jié)的封裝，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)封裝流程圖如圖6所示。

圖6 一個(gè)完整的數(shù)據(jù)封裝流程Fig.6 A complete data encapsulation process

上行發(fā)送（電力線網(wǎng)側(cè)發(fā)往到TD-LTE網(wǎng)側(cè)）：MAC PDU（TB）由 MAC頭和 MAC負(fù)荷組成，其中 MAC頭包括若干個(gè)MAC子頭（1 byte，2 byte 或 3 byte），MAC負(fù)荷包含 0個(gè)或者多個(gè) MAC SDU、0個(gè)或者多個(gè) MAC控制單元以及填充字節(jié)，各個(gè)MAC子頭都與各 SDU、MAC控制信息單元或者填充位依次對(duì)應(yīng)起來。MAC復(fù)用模塊根據(jù)調(diào)度結(jié)果，復(fù)用各邏輯信道來的MAC SDU和 MAC產(chǎn)生的 MAC控制單元，填不滿TB時(shí)進(jìn)行填充。

在MAC進(jìn)行復(fù)用時(shí)，優(yōu)先復(fù)用 MAC控制單元，但當(dāng)復(fù)用時(shí)多出 1byte或者2byte時(shí)，這時(shí)選擇在MAC PDU的最前端置1個(gè)或者2個(gè)空填充頭。除了這種情況的填充外，多于2byte的剩余字節(jié)都將產(chǎn)生正常的填充，其中 1byte用于填充對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)不同的 MAC負(fù)荷內(nèi)容：MAC控制單元等固定長度單元、填充位對(duì)應(yīng) 1byte的 MAC子頭；長度小于 128bytes的 MAC SDU對(duì)應(yīng) 2bytes的 MAC子頭；長度大于128bytes的MACSDU對(duì)應(yīng)；最后一個(gè) MAC PDU負(fù)荷部分，不論是 MAC控制單元、MACSDU還是填充位，一定對(duì)應(yīng)1byte的MAC子頭。

各種MAC子頭都有LCID字段，該字段用于標(biāo)識(shí)各個(gè)邏輯信道和各種 MAC控制單元或者填充。其中 LCID=00000用于標(biāo)識(shí)承載 SRB0的CCCH，00001~01010的 LCID用于標(biāo)識(shí)用于承載 SRB1或 SRB2的 DCCH和承載上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的 DTCH，可見基站與某一終端之間的上行業(yè)務(wù)承載最多只能有8條。01011~11001作為預(yù)留，剩余的LCID都用于標(biāo)識(shí)MAC控制單元和填充位。

下行接收（TD-LTE網(wǎng)側(cè)發(fā)往電力線網(wǎng)側(cè)）數(shù)據(jù)時(shí)，下行HARQ將正確接收的數(shù)據(jù)重新排序后，交給解復(fù)用模塊，分解成為MACSDU后根據(jù)LCID交給各RLC實(shí)體。解復(fù)用過程是復(fù)用的逆過程，接收到的數(shù)據(jù)的格式與復(fù)用模塊完成復(fù)用的數(shù)據(jù)格式相同，解復(fù)用模塊按照依次解析出下行 MAC PDU里的 MAC SDUs和 MACCE。和復(fù)用模塊一樣，解出來的 MAC SDU（RLC PDU）的邏輯信道標(biāo)識(shí)、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(gè)結(jié)構(gòu)體中，注意區(qū)別與上行LCID的區(qū)別。

3 幀結(jié)構(gòu)重構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在電力傳輸線路構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的設(shè)置使得傳感器數(shù)據(jù)和其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換成為可能。該節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧設(shè)置如圖7所示。

下行數(shù)據(jù)傳輸過程是從TD-LTE網(wǎng)側(cè)發(fā)往電力線網(wǎng)側(cè)：在該協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，接收到的是完整的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)，要將此時(shí)的幀轉(zhuǎn)換成電力線上傳輸?shù)膸?，那么就要?duì)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)行解封裝得到有效地址數(shù)據(jù)信息，在對(duì)應(yīng)地址表找到相應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)的地址。然后在電力線側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，得到可以在電力線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這時(shí)電力線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)緩存中的字節(jié)進(jìn)行提取。在電力傳輸線路構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)側(cè)，按照電力線載波通信協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過物理層電力載波芯片的接收，恢復(fù)出幀結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)鏈路層處理幀中相應(yīng)信息字段、提取幀中的有效數(shù)據(jù)載荷部分并裝入緩沖。第一個(gè)幀到來時(shí)設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器等待周期，完成一個(gè)定時(shí)周期后緩存區(qū)域未滿或未達(dá)到一個(gè)周期時(shí)緩存空間耗盡后，提取緩存中的字節(jié)，送入MAC子層封裝成為MAC SDU，并添加MAC頭形成MACPDU。再經(jīng)過物理層與MAC子層間通信實(shí)體接口送入物理信道。

上行數(shù)據(jù)傳輸過程是從電力線網(wǎng)側(cè)發(fā)往TD-LTE網(wǎng)側(cè)：在該協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，接受到的是電力線網(wǎng)側(cè)幀結(jié)構(gòu)，有數(shù)據(jù)到達(dá)該協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)時(shí)，要將此時(shí)的幀轉(zhuǎn)換成TD-LTE網(wǎng)絡(luò)側(cè)幀結(jié)構(gòu)。首先要對(duì)電力線網(wǎng)絡(luò)側(cè)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解封裝，然后得到有效的地址數(shù)據(jù)信息。將得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行電力線側(cè)封裝。那么首先對(duì)有效地址信息進(jìn)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(fù)用調(diào)度信息后。最后進(jìn)入物理層，添加物理層信息，就可以使此時(shí)的數(shù)據(jù)在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)信道中傳輸了。

圖8 協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換算法Fig.8 Protocol conversion algorithm of protocol conversion node

4 結(jié) 論

基于電力傳輸線路的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[9-10]構(gòu)建中，如何能夠使得所構(gòu)建的電力線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能高效的與以太網(wǎng)互連是該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。在該網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著電力線物聯(lián)網(wǎng)和LD-LTE網(wǎng)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的任務(wù)，幀結(jié)構(gòu)的重構(gòu)關(guān)系到協(xié)議轉(zhuǎn)換能否成功進(jìn)行，進(jìn)而決定了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間是否能成功互連進(jìn)行通信[3]。文中針對(duì)基于電力傳輸線路構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)和LD-LTE網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，討論了以下兩個(gè)核心的問題：1）在協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)構(gòu)建協(xié)議棧，提供協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的軟件平臺(tái)；2）提出了切實(shí)可行的幀結(jié)構(gòu)重構(gòu)的方案，為協(xié)議轉(zhuǎn)換的進(jìn)行提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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