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什么是PLC-IoT？

PLC-IoT（Power Line Communication Internet of Thing），是一种面向工业物联网场景、基于HPLC/IEEE 1901.1协议的适用于低压网络的中频带电力线载波通信技术。PLC-IoT技术直接复用电力线进行数据传输，无需额外部署通信线路，保障物联网“最后一公里”的通信可靠、安全、高效。

为什么需要PLC-IoT？

物联网通信技术

物联网的快速发展，离不开通信技术的不断突破。为了实现万物互联的终极目标，人们对物联终端采集数据的需求越来越多，迫切需要各种物联接入技术，保障物联网最后一公里的通信可靠、安全和高效。

物联网通信方式可分为以下两类：无线通信技术（如蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等）和有线通信技术（工业现场总线和电力线通信技术）。其中，电力线通信技术（Power Line Communication，简称PLC）直接复用电力线，无需部署专用线路，即可实现对物联设备的连接。它避免了无线通信技术受周边环境因素（如信号差）影响大的问题，也不像工业现场总线技术则受线路特性的影响大、开放性和互操作性还难以统一的问题。

电力线通信技术（Power Line Communication，简称PLC）的出现，解决了各通信技术无法共用一张网络、客户额外投资大的问题。电网是世界上覆盖最广的网络，电流过的区域远比人踏足的区域要宽广的多。在人力无法触达的场景下，通过电力线就能实现数据通信，万物互联将逐渐成为现实。

PLC技术按调制的载波通信信号的频段及传输速率可分为窄带、中频带和宽带技术，如下图所示：

表1-1 PLC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	<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	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	1.8～30MHz 1.8～100MHz	IEEE1901 ITU-T G.hn	增强大带宽速率：200Mbps～1.5Gbps 时延：小于50ms 距离：小于200米	常见于家庭宽带接入、互连场景。

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

<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

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

1.8～30MHz

1.8～100MHz

IEEE1901

ITU-T G.hn

增强大带宽

速率：200Mbps～1.5Gbps

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的出现

PLC-IoT是PLC技术应用在物联场景的创新实践，基于HPLC/IEEE 1901.1，面向物联网场景的中频带电力线载波通信技术，有效解决了电力线路信号干扰、衰减问题，同时支持IP化通信能力：

它的工作频段范围在0.7-12MHz，噪声低且相对稳定，信道质量好；
它采用正交频分复用（OFDM）技术，频带利用率高，抗干扰能力强；通过将数字信号调制在高频载波上，实现数据在电力线介质的高速长距离传输。
它的PLC-IoT应用层通信速率在100Kbps到2Mbps，通过多级组网可将传输距离扩展至数公里，基于IPv6可承载丰富的物联网协议，使能末端设备智能化、实现设备全联接。

PLC-IoT精确有效地建立了电力线通信信道传输模型，根据频率选择电力线物理特性确定最佳信号传输频率，同时通过大量的实测数据，分析获得电力线的信道特性，包括信号的衰减特性、阻抗特性、噪声特性等。针对这些特征，设计有效的抗噪声技术和抗衰减技术，最终大大地提高了电力线的通信性能，实现高速、可靠、实时的长距离通信。

PLC-IoT是如何工作的？

PLC-IoT基本通信原理并不复杂，如下图所示：

在信号源侧，PLC调制模块将需要传输的数据信号经过编码、调制等一系列流程，调制成高频信号通过耦合电路耦合到电力线上。
在接收端PLC解调模块上将数据信号从电力线上分离出高频信号并解调，恢复出原有的数据信号。

简单的讲，就是将信号源发送的通信数据信息通过PLC模块调制成高频电波传输到电力线上，经过电力线传输到达数据接收端，接收端侧的PLC模块再将高频电波从电流分离出来，完成信息传输。

PLC-IoT网络

PLC-IoT通信模型

要了解PLC-IoT如何工作，首先需要了解传统PLC的通信模型，及PLC-IoT在传统通信模型上的改进。

传统PLC通信模型由物理层、数据链路层和应用层组成，数据链路层可直接向应用层提供传输服务。PLC-IoT网络则扩展了网路层和传输层，包含了5层结构，网络层与传输层直接借鉴OSI七层模型中的网络层和传输层，在网络层实现了IPv6协议，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，使得应用不再直接运行在数据链路层之上，而是应用在网络层（IP层）。

PLC-IoT通信模型

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
向上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 组网方式

PLC-IoT网络根据实际行业应用场景下布线环境和终端连接方式的不同，可呈现星型与树型两种不同的组网拓扑。如下图所示，其中树形组网最多支持8级组网，可提供更大的载波传输距离。

PLC-IoT组网类型

PLC-IoT网络支持三种角色：

CCO：中央协调器（Central Coordinator），在PLC-IoT通信中由PLC头端通信模块承担，负责末端设备的接入以及数据的接收与发送。
PCO：代理协调器（Proxy Coordinator），仅树型组网下支持，为中央协调器与站点或者站点与站点之间进行数据中继转发的站点。
STA：终端设备（Station），在PLC-IoT通信中由PLC尾端通信模块承担，负责接收与发送电力载波信号，为终端设备提供统一的接入PLC-IoT网络方式。

为了实现PLC快速组网，PLC-IoT组网具备如下特征：

快速逐级收敛，代理认证技术，最短时间完成大规模站点入网。
快速路径评估，路径择优，确保入网后STA通信成功率。
动态时隙管理，自适应台区多相位规模不平衡问题，最大化利用带宽。
单网关最大支持节点数512个，支持8级组网，解决大台区覆盖。

PLC-IoT组网流程

以树型组网为例，介绍PLC-IoT的组网流程：

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。
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。
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的行业应用

PLC-IoT技术作为物联通信技术，无需额外挖沟埋缆即可构建高速可靠的末端物联通信网络，直接复用电力线，可降低通信施工部署成本超过50%，并大幅度缩短部署周期，已被广泛应用于智能交通灯、智慧路灯等场景。

智慧交通灯

智慧交通灯方案采用PLC-IoT技术，利用电力线传输通信，充分利用旧路口管道、灯线等设施，快速加装新设备，实现交通设备（信号灯、倒计时牌、诱导屏等）的统一管理，同时通过边缘计算技术打破系统间信息孤岛，实现路口级数据互通共享，交通状况智能联动，如信号灯故障智能检测、信号灯信息联网可查等，提高交通管理智能化水平，打造智慧路口。