Введение
Стандарт IEEE 1901 — это стандарт для высокоскоростных (до 500 Мбит/с на физическом уровне) устройств связи через электрические линии электропередач, часто называемых широкополосной связью по линиям электропередач (BPL). Стандарт использует частоты передачи ниже 100 МГц. Этот стандарт применим ко всем классам устройств BPL, включая устройства BPL, используемые для подключения (<1500 м до помещения) к услугам доступа в Интернет, а также устройства BPL, используемые в зданиях для локальных сетей, приложений интеллектуального энергоснабжения, транспортных платформ (транспортных средств) и других приложений для распределения данных (<100 м между устройствами). Стандарт IEEE 1901, установленный в 2010 году, определил первый в мире эталон для связи по линиям электропередач, адаптированный для домашних мультимедийных сетей, аудио- и видеотехники, а также интеллектуальных сетей. В 2019 году стандарт был дополнен в IEEE 1901a, внедрив улучшения в физический уровень HD PLC (wavelet) для приложений Интернета вещей (IoT). Он был дополнительно обновлен в 2020 году и известен как IEEE 1901 2020. Стандарт IEEE 1901 заменил дюжину предыдущих спецификаций для линий электропередач. Он включает в себя обязательный протокол сосуществования между системами (ISP). Протокол ISP IEEE 1901 предотвращает взаимные помехи при работе различных реализаций BPL в непосредственной близости друг от друга. Стандарт IEEE 1901 является обязательным для инициации зарядки электромобилей постоянным током SAE J1772 (переменный ток использует PWM) и единственным протоколом линий электропередач для гетерогенных сетей IEEE 1905.1. Он настоятельно рекомендовался в стандартах IEEE P1909.1 для интеллектуальных сетей, поскольку они предназначены главным образом для управления устройствами переменного тока, которые по определению всегда подключены к сети переменного тока, что исключает необходимость в дополнительных соединениях.
IEEE 1901 is a standard for high speed (up to 500 Mbit/s at the physical layer) communication devices via electric power lines, often called broadband over power lines (BPL). The standard uses transmission frequencies below 100 MHz. This standard is usable by all classes of BPL devices, including BPL devices used for the connection (<1500m to the premises) to Internet access services as well as BPL devices used within buildings for local area networks, smart energy applications, transportation platforms (vehicle), and other data distribution applications (<100m between devices). The IEEE 1901 Standard, established in 2010, set the first worldwide benchmark for powerline communication tailored for multimedia home networks, audio video, and the smart grid. This standard underwent an amendment in IEEE 1901a 2019, introducing improvements to the HD PLC physical layer (wavelet) for Internet of Things (IoT) applications. It was further updated in 2020, known as IEEE 1901 2020. The IEEE 1901 standard replaced a dozen previous powerline specifications. It includes a mandatory coexistence Inter System Protocol (ISP). The IEEE 1901 ISP prevents interference when the different BPL implementations are operated within close proximity of one another. The IEEE 1901 standard is mandatory to initiate SAE J1772 electric vehicle DC charging (AC uses PWM) and the sole powerline protocol for IEEE 1905.1 heterogeneous networking. It was highly recommended in the IEEE P1909.1 smart grid standards because those are primarily for control of AC devices, which by definition always have AC power connections thus no additional connections are required.
Обзор обновлений
Стандарт IEEE 1901 стал важным шагом в развитии технологий связи по линиям электропередач (PLC). PLC позволяет осуществлять передачу данных по существующим линиям электропередач, что может быть особенно полезно в средах, где сложно проложить новую проводку или где беспроводная связь может быть затруднена. IEEE 1901 2010: Это был первоначальный стандарт, заложивший основу для широкополосного доступа по линиям электропередач (BPL) и домашних сетей PLC. Он определил два несовместимых физических уровня:
FFT (Fast Fourier Transform) на основе OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): В основном используется для BPL доступа. OFDM на основе вейвлетов: используется для домашних сетей и некоторых приложений BPL доступа. IEEE 1901a 2019: Эта поправка была направлена на усовершенствование физического уровня HD PLC (High Definition Power Line Communication) на основе вейвлетов. Основная цель заключалась в том, чтобы сделать его более подходящим для приложений Интернета вещей (IoT). Устройства IoT часто требуют низкого энергопотребления, низкой задержки и надежной связи, и улучшения, внесенные в этой поправке, были направлены на удовлетворение этих потребностей. IEEE 1901 2020: Это была редакция оригинального стандарта 1901. Редакции стандартов обычно включают обновления для учета технологического прогресса, отражения отзывов от отрасли и обеспечения актуальности и эффективности стандарта. В редакцию включена поправка IEEE 1901a 2019. IEEE 1901b 2021: Эта поправка добавила современные механизмы аутентификации и авторизации в уровень управления доступом (MAC) с использованием IEEE Std 802.1X, обеспечивая безопасную и совместимую связь в сетях IEEE 1901 IoT и Smart Grid. IEEE 1901c 2024: Эта поправка определяет, как применять спецификации IEEE 1901 к любым средам передачи. Целью было достижение бесшовной связи через различные среды и между различными каналами связи. Новые каналы связи, расширенные до низкочастотных диапазонов, были добавлены к физическому уровню Nessum (новое название HD PLC High Definition Power Line Communication) на основе вейвлетов для обеспечения связи на больших расстояниях и высокой надежности в этих новых средах. В поправке также указано, как использовать протокол точного времени IEEE Std 1588 (PTP) в сетях IEEE 1901. Разработка и эволюция стандарта IEEE 1901 подчеркивает важность связи по линиям электропередач в современных сетевых сценариях. По мере роста Интернета вещей, с подключением миллиардов устройств, надежная и универсальная среда передачи данных, такая как PLC, может быть бесценной, особенно в средах, где традиционные методы сетевого взаимодействия могут быть сложными.
FFT (Fast Fourier Transform) based OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Primarily used for access BPL. Wavelet based OFDM: Used for in home networks and some access BPL applications. IEEE 1901a 2019: This amendment focused on enhancing the wavelet based HD PLC (High Definition Power Line Communication) physical layer. The main goal was to make it more suitable for Internet of Things (IoT) applications. IoT devices often require low power, low latency, and reliable communication, and the enhancements in this amendment aimed to cater to these needs. IEEE 1901 2020: This was a revision of the original 1901 standard. Revisions in standards typically involve updates to address technological advancements, incorporate feedback from the industry, and ensure that the standard remains relevant and effective. The revision incorporates amendment IEEE 1901a 2019. IEEE 1901b 2021: This amendment added state of the art authentication and authorization mechanisms to the Medium Access Control (MAC) layer using IEEE Std 802.1X, providing secure, interoperable communication to IEEE 1901 IoT and Smart Grid networks. IEEE 1901c 2024: This amendment specified how to apply IEEE 1901 specifications on any media. The goal was to achieve seamless communication over different media and between different communication channels. New communication channels extended to low frequency bands were added to the wavelet based Nessum (New name of HD PLC High Definition Power Line Communication) physical layer to address long range and robust communication on these new media. The amendment also specified how to use IEEE Std 1588 precision time protocol (PTP) in IEEE 1901 netwoks. The development and evolution of the IEEE 1901 standard underscores the importance of powerline communication in modern networking scenarios. As the IoT continues to grow, with billions of devices getting connected, having a robust and versatile communication medium like PLC can be invaluable, especially in environments where traditional networking methods might be challenging.
Статус
Рабочая группа IEEE P1901 начала свою работу в июне 2005 года. Более 90 организаций внесли вклад в создание стандарта. Половина организаций представляла США, четверть – Японию, а последняя четверть – Европу. Официальный стандарт IEEE 1901 2010 был завершен и опубликован в декабре 2010 года. Рабочая группа, занимающаяся поддержкой и расширением стандарта, спонсируется Комитетом IEEE по стандартам связи по линиям электропередач (PLCSC). IEEE 1901 2020 был опубликован в январе 2021 года.
ITU-T G.9972
Протокол сосуществования IEEE 1901 ISP был расширен для поддержки семейства стандартов домашней сети Международного союза электросвязи, известного как G.hn, и принят ITU-T в качестве Рекомендации ITU-T G.9972.
DLNA
В 2012 году Digital Living Network Alliance (DLNA) объявила о поддержке стандартов IEEE 1901.
SAE и IEC 62196
Стандарты SAE J1772 и IEC 62196 для зарядки электромобилей включают IEEE 1901 в качестве стандарта для обмена данными по электросети между транспортным средством, внебортовой зарядной станцией постоянного тока и интеллектуальной энергосетью, без необходимости использования дополнительного контакта; SAE International и IEEE Standards Association совместно разрабатывают проекты стандартов, касающиеся интеллектуальных энергосетей и электрификации транспорта.
IEEE 1905.1
IEEE 1901 — это стандарт передачи данных по линиям электропередач, поддерживаемый стандартом IEEE 1905.1 для конвергентной цифровой домашней сети.
Описание
Стандарты 1901 года включают два различных физических уровня (PHY), один на основе быстрого преобразования Фурье (FFT) и ортогонального мультиплексирования с разделением по частоте (OFDM), а другой – на основе волновой OFDM-модуляции. Каждый PHY является необязательным, и разработчики спецификации могут, но не обязаны, включать оба. PHY на основе FFT происходит от технологии HomePlug AV и используется в продуктах HomePlug. PHY на основе волновой обработки происходит от технологии HD PLC и используется в продуктах HD PLC. Он поддерживает модуляцию до 1024 QAM. PHY на основе FFT включает схему коррекции прямой ошибки (FEC) на основе сверточного турбокода (CTC). Второй вариант, “PHY на основе волновой обработки”, включает обязательную FEC на основе каскадного кодирования Reed–Solomon (RS) и сверточного кода, а также возможность использования кода с низкой плотностью проверки (LDPC). Помимо этих двух физических уровней, были определены два различных уровня управления доступом к среде (MAC): один для домашней сети, а другой – для доступа в Интернет. Два MAC-уровня необходимы, поскольку каждое приложение имеет различные требования. Для управления сосуществованием PHY и MAC был разработан межсистемный протокол (ISP). ISP позволяет различным устройствам и системам BPL совместно использовать ресурсы связи (частоту/время) при установке в сети с общей электрической проводкой. ISP обеспечивает совместимость устройств, соответствующих стандарту IEEE 1901, и устройств, соответствующих ITU-T G.hn. Протокол обеспечивает конфигурируемое частотное разделение для доступа и временное разделение для домашней сети с гранулярностью, совместимой с требованиями к качеству обслуживания (QoS) самых требовательных аудио- и видеоприложений. Поправка 2019 года, IEEE 1901a 2019, определяет более гибкий способ разделения волновых OFDM-каналов для приложений Интернета вещей. Вторая поправка 2021 года, IEEE 1901b 2021, добавляет современные механизмы аутентификации и авторизации в уровень управления доступом к среде (MAC) с использованием IEEE Std 802.1X. Третья поправка 2024 года, IEEE 1901c 2024, расширяет применение IEEE 1901 на любые среды передачи и определяет новые каналы Nessum (ранее HD PLC) для обеспечения связи на больших расстояниях и высокой надежности в этих новых средах.