什么是PLC-IoT

• 引言
• PLC-IoT简介
• PLC-IoT如何工作
  • PLC-IoT网络模型
  • PLC-IoT组网
  • PLC-IoT上线流程
  • PLC-IoT数据转发流程
• 华为PLC-IoT产品
  • PLC-IoT通信模块
  • 边缘计算设备
• 华为PLC-IoT典型场景
  • 智慧用能
  • 配电物联网
• 相关信息

引言

电力线四通八达覆盖范围甚广，它不仅仅只能传输电能，还能传输通信数据。华为PLC-IoT通信技术就是利用电力线传输通信数据的技术，已被广泛应用于工业物联网场景，如配电物联网、智慧路灯等场景。本文将为您介绍什么是PLC-IoT、PLC-IoT如何工作、华为PLC-IoT产品及应用场景。

PLC-IoT简介

PLC-IoT概念

电网是全球覆盖面最广的网络，电流过的区域远比人踏足的区域要宽广的多，如果在人力无法触达的场景下，通过电网实现物联网设备数据的采集及远程控制，将真正实现万物互联。

图1-1 电网示意

PLC-IoT（Power Line Communication Internet of Thing），是一种利用电力线通信的技术，是华为推出的面向工业物联网场景的中频带PLC电力线载波通信技术。

PLC-IoT的实现机制是将需要传输的IoT终端数据调制成高频信号在电力线上传输。电力线传输使用的频段大致可以分为三类：窄带PLC、中频带PLC和宽带PLC，它们采用的技术标准及适用场景不同，如表1-1所示。

PLC-IoT使用的频段范围在0.7~12MHz，属于中频带PLC技术，该频段噪声低且相对稳定，信道质量好，有利于终端数据的传输。

表1-1 PLC技术分类

带宽类别	频段范围	国际技术标准	技术场景	适用场景
窄带PLC (Narrowband power line communications)	<148.5 kHz(EU) <4920 kHz(FCC)	IEEE P1901.2	低速率大连接： 速率：小于150kbps 时延：一般大于200ms 连接数：最高可达1000个 传输距离大于1km	常用于低速率连接的中低压配电网自动化、电表抄表等场景。
中频带PLC （Meium frequency power line communications）	0.7～12MHz	IEEE1901.1	低时延高可靠： 速率：150kbps～10Mbps 时延：小于50ms 可靠性：99.999%	常用于高可靠和实时控制类物联网场景，如智能电表、智能交通灯控制、智慧路灯单灯灯控等场景。
宽带PLC (Broadband power line communications)	1.8～30MHz 1.8～100MHz	IEEE1901 ITU-T G.hn	增强大带宽： 速率：200Mbps～1.5GMbps 时延：小于50ms 距离：小于200米	常见于家庭宽带接入、互连场景。

PLC-IoT的优势

在工业物联网场景下，IoT终端接入技术分为两类：

• 无线通信技术：
  • 微功率无线通信技术，如蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11(Wi-Fi)、Zigbee、RF(Radio Frequency)、近场通信(NFC)等。
  • 蜂窝无线通信技术，如NB-IoT（Narrowband Internet of Things）、GPRS、LTE等运营商的网络。
• 有线通信技术：
  • 工业现场总线技术：一种工业数据总线，主要用与智能化仪表、控制设备等现场设备之间的数字通信，常见的有RS485和CAN总线等。
  • 电力线通信技术：一种通过电力线进行数据传输的技术，不需要额外部署通信线路，复用电力线通信等，如PLC-IoT。

PLC-IoT作为新兴的电力线通信技术，相较于其他电力线通信技术，解决了电力线路信号干扰、衰减问题。相较于工业现场总线技术和无线通信技术，优势如表1-2所示。

表1-2 PLC-IoT技术优势

相较工业现场总线技术优势	相较无线通信技术优势（微功率和蜂窝无线技术）
免布专用通信线，免挖路破墙，提高部署效率和降低部署成本。 通信数据和电源同缆，节省户外昂贵线缆的成本。 通信带宽高，可综合传输数据和图片视频。 通信时延低，可用于有实时性要求的控制场景。 具备加密传输和白名单认证，提升了通信网络安全。	组网系统复杂度低，不需进行复杂的无线覆盖勘测，基站选址，以及覆盖仿真设计。 不需架设基站和核心网，综合部署成本低。 通信带宽高，可综合传输数据和图片，有更好的业务体验。 通信时延小，除了实时在线监测，还可用于实时控制。 密集楼宇和地下室等特殊场景，无线信号覆盖相对差，而PLC不受地理环境限制。

PLC-IoT亮点特性

• 支持IPv6，实现IP化PLC通信

  窄带和宽带PLC技术PLC通信技术仅仅是利用电力线进行数据透传功能，网络通信模型中没有扩展网络层和传输层，不能承载IP报文，因此无法对接使用标准TCP/IP网络模型的场景。

  所谓IP化PLC，是华为基于开放标准的IPv6技术，在PLC网络通信模型中承载了IPv6协议，扩展出了网络层和传输层，不同类型的末端设备可以共享PLC网络，实现数据共享，同时不同业务用户也可共享PLC网络，独立访问各自管理的低压设备而互不影响，提升PLC网络的并发能力和通信效率。

• 网络架构简单，组网灵活，即插即用。

  PLC-IoT技术同样需要PLC调制和解调模块（即PLC通信模块），但结合了华为边缘计算网关实现对PLC通信模块的管理、数据传输等功能，同时采用即插即用架构，实现物联网关与末端设备快速建立业务通道，有效解决传统末端设备上线流程复杂，安装部署耗时的问题。

• 无扰台区识别，避免设备归属问题

  所谓台区，即一个变压器所管辖的范围，因为配电变压器对电力载波信号具有阻隔作用，因此PLC通信技术仅能在一个变压器的区域内传输，这样就会存在末端设备串扰的问题，如本属于一个变压器下区域的信号传输串扰至另外一台距离较近的变压器下。

  无扰台区识别是华为推出新一代台区识别技术，无需任何外加设备，根据宽带载波技术特点和电网及信号特性，仅通过软件分析处理，在模块本地自动分析出末端设备所归属的变压器。利用无扰台区识别的结果，可免除白名单配置，从而减少现场配置，提升设备部署效率。

PLC-IoT如何工作

PLC-IoT网络模型

了解PLC-IoT如何工作，需要先了解PLC-IoT网络模型。PLC-IoT借鉴了OSI网络模型，包括物理层、链路层、网络层、传输层和应用层，如PLC-IoT网络模型所示，目的是能够支持基于TCP/IP的通信与标准TCP/IP进行对接实现标准IP网络通信，实现电力线传输的数据及不同类型PLC终端之间能够基于IP网络通信（即IP化PLC），扩展PLC-IoT的应用场景。

PLC-IoT技术按照IEEE1901.1国际技术标准实现，若需要更详细地了解PLC-IoT网络模型及实现原理，可参考IEEE1901.1标准解读。

图1-2 PLC-IoT网络模型

• 物理层

  PLC-IoT通信信号传输的媒介是电力线，物理层负责将需要数据链路层分发的数据传输报文编码、调制为载波信号，发送到电力线上，同时负责接收电力线上传输的载波信号经解调、解码发送至数据链路层进行传输。

• 数据链路层

  分为网络管理子层和媒体访问控制子层：

  • 网络管理子层：负责PLC-IoT通信网络的组网、网络维护、路由管理及网路层报文的汇聚和分发。
  • 媒体访问控制子层：负责所有数据报文的可靠传输。
• 网络层

  物联网场景下终端数量庞大，且需要轻量级IP报文实现数据高效传输，PLC-IoT网络层支持的是轻量级IPv6协议（IPv6 over Low Power WPAN），实现PLC-IoT网络的IPv6通信。

• 传输层

  向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。

• 应用层

  实现通信单元之间（即PLC通信单元）业务数据交互，为了保证电力线传输数据安全可靠，PLC-IoT支持 DTLS（Datagram Transport Layer Security，数据包传输层安全协议）和 CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的应用协议）实现数据安全和高效传输。

PLC-IoT组网

PLC-IoT网络典型组网如图1所示，由边缘计算网关（包括PLC头端通信模块、Host、容器和APP）、PLC尾端通信模块以及IoT终端组成：

• 边缘计算网关中的Host提供容器环境，用户可将管理IoT终端的业务APP部署在容器中，实现下发采集IoT终端数据及控制指令。
• PLC头端通信模块负责处理应用数据将其耦合至电力线上，向上与Host连接，实现将通过PLC-IoT网路传输的数据上报给Host处理，向下将Host中的业务APP下发的采集IoT终端数据及控制指令通过电力线传输至PLC尾端通信模块。
• PLC尾端模块集成在IoT终端中，负责采集IoT终端数据或执行边缘计算网关侧下发的命令。

图1-3 PLC-IoT典型组网图

在PLC-IoT通信网络中，主要有PLC头端通信模块与PLC尾端通信模块通过电力线连接实现电力线载波通信，PLC-IoT网络如图1-4所示。

图1-4 PLC-IoT网络

PLC头端通信模块与PLC尾端通信模块并非一对一的连接方式，一个头端通信模块可与多个尾端通信模块连接。根据电力线布线方式及实际环境要求，PLC-IoT网络拓扑组网包括两种树型和星型，如图1-5和图1-6所示：

图1-5 星型组网

图1-6 树型组网

星型组网下，头端通信模块与尾端通信模块直接通过电力线连接，该组网下PLC通信传输距离仅有几百米。

树型组网下，部分尾端通信模块可作为中继节点与其他尾端连接，扩展PLC-IoT载波数据通信的传输距离，可达数公里。

以树型组网为例，介绍PLC-IoT各节点作用。PLC-IoT网络中包含三种节点角色：根节点CCO（Central Coordinator）中央节点、PCO代理节点（中继节点）、STA（Station）三种节点：

• 根节点CCO中央节点，负责PLC-IoT组网控制、网络维护管理等，同时完成下挂所有尾端STA模块的入网认证、数据信息交互等，一个CCO最大支持512个STA接入。
• PCO代理节点（中继节点），作为叶子节点完成作为中继级联的作用。
• STA站点（站点模块），作为叶子节点完成网络接入的作用。

组网流程

1. 设备上电，CCO会进行全网PLC检测，根据电力线通信参数、到网络节点的通信参数确定承担PCO和STA角色的节点；
2. CCO启动侦听STA的请求报文或者主动询问STA，通过载波检测技术进行传输管理和控制。
3. STA上电后会向头端CCO发起入网请求，根据PLC-IoT网络状态将请求入网报文发送给PCO或直接发送给CCO，PCO收到连接请求并认证成功后上报CCO请求入网，CCO接收到后即认证完成，STA方可加入PLC网络，从而进行数据通信。

PLC-IoT上线流程

尾端通信模块需要在头端通信模块上线后才能进行数据通信，分别介绍星型组网和树型组网下通信模块的上线过程。

树型组网认证流程

树型组网下，PLC通信模块之间的交互流程如图1-8所示：

图1-7 树型组网流程

上线流程如下：

1. 设备上电后，头端通信模块会根据配置启动PLC-IoT组网，在工作频段内进行全网PLC检测，发送可入网广播报文。
2. 尾端通信模块上电后，同样在工作频段内发送入网请求，请求与头端通信模块建立连接。
3. 头端通信模块接收到尾端通信模块入网请求后，需要根据配置的尾端通信模块入网策略判断是否允许入网。PLC-IoT网络支持三种入网策略：
   • 配置白名单，只允许白名单内的尾端通信模块才允许入网。

     头端通信模块收到站点的关联请求报文后，将请求入网尾端模块信息（MAC地址、ESN和ODI）与CCO本地存储的白名单表项进行比对，当请求入网尾端模块信息在头端通信模块白名单内时，头端通信模块允许该站点加入网络；当请求入网的站点的MAC地址不在白名单内时，头端通信模块拒绝该站点加入，并且通知该站点在一段时间内不可以再次请求加入本网络。

   • 不限制节点接入，即允许所有发送入网请求的尾端通信模块入网。
   • 无扰台区识别方式入网：无扰台区识别是指无需额外增加任何设备，尾端通信模块可以根据电力线宽带载波技术及电力线的信号状态信息判断应当归属于哪个头端通信模块，并向其发送入网请求。若头端通信模块配置了无扰台区识别功能，则允许向其发送入网请求的所有尾端模块入网。
4. 头端通信模块判定允许尾端通信模块入网后，向其发送入网响应报文。
5. 尾端通信模块上报尾端通信模块接收到入网确认报文后，发送状态、证书等信息。
6. 头端通信模块根据上报的尾端信息，确定尾端通信模块在PLC-IoT网络中的角色（PCO或STA），并下发给响应的尾端通信模块。
7. 尾端通信模块根据分配到的角色信息上报确认报文，同时PCO节点根据CCO发送的认证信息完成自身认证。
8. 角色为STA的尾端通信模块定期向邻居广播发送代理认证信息请求。
9. 角色为PCO的尾端通信模块接收到代理认证请求后，向STA发送认证代理发现确认报文。
10. STA向PCO发送尾端通信模块的设备信息及证书信息，请求认证。
11. PCO接收到STA的认证请求报文后，根据代理认证信息完成节点认证，并将认证结果（包含设备证书）上报给CCO。
12. CCO根据上报认证结果及STA节点证书完成校验，并将PCO下发认证响应及网络配置（IPv6前缀）等信息。
13. PCO接收到信息后，将认证响应及网络配置等信息发送给STA。
14. STA根据获取的参数信息完成网络配置并将网络配置及注册响应发送给PCO和CCO。
15. 启动通信数据交互。

星型组网流程

星型组网下，PLC通信模块之间的交互流程如图1-8所示：

图1-8 星型组网流程

上线流程如下：

1. 设备上电后，头端通信模块会根据配置启动PLC-IoT组网，在工作频段内进行全网PLC检测，发送可入网广播报文。
2. 尾端通信模块上电后，同样在工作频段内发送入网请求，请求与头端通信模块建立连接。
3. 头端通信模块接收到尾端通信模块入网请求后，需要根据配置的尾端通信模块入网策略判断是否允许入网。PLC-IoT网络支持三种入网策略：
   • 配置白名单，只允许白名单内的尾端通信模块才允许入网。

     头端通信模块收到站点的关联请求报文后，将请求入网尾端模块信息（MAC地址、ESN和ODI）与CCO本地存储的白名单表项进行比对，当请求入网尾端模块信息在头端通信模块白名单内时，头端通信模块允许该站点加入网络；当请求入网的站点的MAC地址不在白名单内时，头端通信模块拒绝该站点加入，并且通知该站点在一段时间内不可以再次请求加入本网络。

   • 不限制节点接入，即允许所有发送入网请求的尾端通信模块入网。
   • 无扰台区识别方式入网：无扰台区识别是指无需额外增加任何设备，尾端通信模块可以根据电力线宽带载波技术及电力线的信号状态信息判断应当归属于哪个头端通信模块，并向其发送入网请求。若头端通信模块配置了无扰台区识别功能，则允许向其发送入网请求的所有尾端模块入网。
4. 头端通信模块判定允许尾端通信模块入网后，向其发送入网响应报文。
5. 尾端通信模块接收到入网确认报文后，发送状态、证书等信息，并发送认证请求。
6. 入网成功，头端通信模块启动认证流程。
7. 认证成功后，头端通信模块向尾端通信模块发动认证成功报文及网络配置等信息。
8. 启动通信数据交互。

PLC-IoT数据转发流程

尾端通信模块上线完成后，即容器、APP、Host、PLC头端通信模块、PLC尾端通信模块激IoT终端之间的数据通信：

• 容器、APP、Host及PLC头端通信模块之间基于标准的TCP/IP网络模型通信。
• PLC头端通信模块和PLC尾端通信模块利用电力线通信，采用的是PLC-IoT网络模型进行通信。PLC-IoT网络模型可以标准TCP/IP进行无缝对接实现标准IP网络通信。

华为PLC-IoT网络是基于IPv6地址的报文转发功能，是通过边缘计算网关（即Host）下发IPv6网络前缀，为PLC-IoT网络配置IPv6地址：

• 容器：IPv6网络前缀结合根据槽位号生成的容器MAC地址，生成容器IPv6地址。
• PLC尾端通信模块：IPv6网络前缀结合扣卡MAC地址，生成PLC尾端通信模块IPv6地址。

如图1-9所示，集成在容器中的APP，使用IP网络通过电力线传输与远端IoT终端进行数据通信，

图1-9 PLC-IoT网络数据转发流程示意图

容器内的应用程序与远端IoT终端的通信数据，经IPv6协议栈转发到达边缘计算网关，其数据的转发过程如下：

1. 边缘计算网关接收到应用数据报文后，采用中继转发的形式将报文转发到核心板的PLC头端通信模块中。
2. PLC头端通信模块对数据报文仅做中继转发，不感知IP，仅到达数据链路层，然后使用PLC二层协议对报文进行封装，并且耦合进PLC物理层即电力线中进行传输。
3. 数据报文经过电力网络的传输到达IoT终端后，由IoT终端设备上的PLC尾端通信模块对接收到的数据报文进行解封装，IPv6地址匹配成功后，通过基于IPv6的网络层传输到应用层。
4. PLC尾端通信模块将解析得到的应用层数据，经由服务代理所配置的数据通道传给IoT终端。

华为PLC-IoT产品

华为 PLC-IoT 系列通信模块是面向于电力线宽带载波通信的通信模块产品（包括PLC-IoT头端和PLC-IoT尾端），采用华为 PLC-IoT 宽带电力线载波技术，广泛适用于电力、交通、工业制造等领域。同时结合边缘计算核心板或网关作为行业物联网关使用，实现数据采集和通信模块的远程控制。

图1-10 组网

PLC-IoT通信模块