G3-PLC Study Note

此為G3聯盟所制定的規格，主要是用在窄帶的電力線通訊上。
制定的範疇只包含Physical和Data Link。

資料鏈結層(Data Link)主要又分為

• 6LoWPAN
  • Bootstrap
  • IPv6 Header Compression
  • Fragmentation
  • Mesh
• MAC
  • CSMA/CA
  • Segmentation & Reassembly
  • ToneMap
  • Security

分了四種Bandplan：

1. FCC (美規)
2. ARIB (日規)
3. CENELEC A (歐規)
4. CENELEC B (義大利)

CSMA/CA mechanism

Inter-Frame spacing

• Response IFS (RIFS)
  回ACK的反應時間，每個Bandplan各有不同規範。
  

  • Specification規範的時間：
    FCC: 10 symbols * 0.232 symbol time(ms) = 2.32 ms
    ARIB: 10 symbols * 0.232 symbol time(ms) = 2.32 ms
    CENELEC A: 8 symbols * 0.695 symbol time(ms) = 5.56 ms

• Contention IFS (CIFS)

  • 需要回ACK
    
  • 不需要回ACK
    
  • Specification規範的時間：
    FCC: 10 symbols * 0.232 symbol time(ms) = 2.32 ms
    ARIB: 108 symbols * 0.232 symbol time(ms) = 25.056 ms
    CENELEC A: 8 symbols * 0.695 symbol time(ms) = 5.56 ms

• Extended IFS (EIFS)
  EIFS = Symbol Time * (N_FCH + MaxFrameSize + CIFS + RIFS) + ACK Time

  • MaxFrameSize：252 for CENELEC A, 511 for FCC

Contention Window

CFS：Contention Free Slot
NPCW：Normal Priority Contention Window
HPCW：High Priority Contention Window
Specification規範的時間：

• FCC Bandplan
  

  • Symbol Duration = 0.232 ms
  • aSlotTime = 2 * Symbol Duration = 2 * 0.695 = 0.464 ms
  • CFS = aSlotTime = 0.464 ms
  • HPCW = macHighPrioityWindowSize * aSlotTime = 7 * 0.464 = 3.248 ms
  • NPCW = (2^macMinBE - 1) * aSlotTime = (2³ - 1) * 0.464 = 3.248 ms

• ARIB Bandplan
  

  • Symbol Duration = 0.232 ms
  • aSlotTime = 2 * Symbol Duration = 2 * 0.695 = 0.464 ms
  • CFS = aSlotTime = 0.464 ms
  • HPCW = macHighPrioityWindowSize * aSlotTime = 7 * 0.464 = 3.248 ms
  • NPCW = (2^macMinBE - 1) * aSlotTime = (2³ - 1) * 0.464 = 3.248 ms

• CENELEC A Bandplan
  

  • Symbol Duration = 0.695 ms
  • aSlotTime = 2 * Symbol Duration = 2 * 0.695 = 1.39 ms
  • CFS = aSlotTime = 1.39 ms
  • HPCW = macHighPrioityWindowSize * aSlotTime = 7 * 1.39 = 9.73 ms
  • NPCW = (2^macMinBE - 1) * aSlotTime = (2³ - 1) * 1.39 = 9.73 ms

Flow Chart

Specification規範建議值

• macMinBE = 3
• macMaxBE = 8
• macMaxCSMABackoffs = 50
• macCSMAFairnessLimit = 25
• macA = 8
• macK = 5
• macMinCWAttempts = 10
• macHighPriorityWindowSize = 7

Normal Priority Contention Window

High Priority Contention Window

ARQ

ARQ：Automatic Repeat reQuest
Transmit ARQ

Receive ARQ

Segmentation & Reassembly

MAC frame format

Segment Control

Frame Control

Frame Type

Command Frame

如何計算PHY PDU大小
如果MAC層的Frame很大，以至於放不下PHY的PDU，這時候必須切割成適合的大小，而PHY層可以支援不同型態的modulation和Tonemap，因此PHY層最大可以乘載的資料也會隨著改變。

1. 計算出最大Symbol數
   

   • MaxRSBlockSize = 255 bytes
   • N_s is the number of symbols in the PHY packet
   • CC_Rate = 0.5
   • CC_{Zero Tail} = 6
   • FL_Band = 4 for CENELEC & FL_Band = 1 for FCC
   • FL_max = 63 for CENELEC & FL_max = 511 for FCC
   • Rep_Code denotes the repetition coding
     • Rep_Code = 4 for ROBO
     • Rep_Code = 1 for all other modes
   • mode_size
     • 1 for ROBO, DBPSK, BPSK
     • 2 for DQPSK, QPSK
     • 3 for D8PSK, 8PSK
     • 4 for 16QAM

2. 需要判斷是否超過最大Reed Solomon Block Size

3. 計算最大PHY PDU

4. 範例
   假設我們已經得到PHY訊框有40個symbol，用ROBO mode調變，CENELEC A band，可以求出實際上的byte數。ROBO Parity為8，其餘的Parity為16。

   N_s * N_car * mod_size = (40 * 36 * 1) = 1440 bits
   CC_Rate / Rep_Code = 0.5 / 4 = 0.125
   floor((1440 * 0.125 - 6) / 8) = floor(21.75) = 21
   Data Byte = 21 - 8 = 13 bytes

切割封包的規則

• 每筆Segment都必須包含MAC Header和FCS。
• 同一個MAC frame切割出來多個Segments，每筆Segment都設定相同的Sequence number，只有Segment Count會從0開始一直遞增。
• 如果需要加密的MAC frame，應該先做完加密流程再進行切割，當Receiver收到之後先進行重組，再做解密。
• 除了第一筆Segment正常執行CSMA來競爭Channel以外，其餘的Segment使用Contention free slot。
• 如果需要進行ToneMap機制，在最後一筆Segment的Segment Control TMR欄位設1。
• 最後一筆Segment應該在Segment Control LSF欄位設1。
• Segment Length(SL)指的是目前Segment的長度，排除MAC Header、補零和PCS。

隱藏節點問題

節點A和節點C傳輸距離剛好是互相接收不到的，節點B可以接收到節點A和節點C，如果節點A想傳送資料給節點B，當節點B送出資料後，節點C也想傳送資料給節點B且啟動載波偵測，也剛好沒偵測到節點A的，這時候節點C傳送資料到網路上就會和節點A的資料發生碰撞，此為隱藏節點問題。

切割多個封包的碰撞避免
為了減少碰撞的機率，當節點B收到節點A的資料以後，回傳ACK，其中ACK SSCA欄位設置1，接下來還有資料要傳輸，告知附近節點不要在這時候傳送資料。

ToneMap mechanism

Procedure

• 每當Transmitter想要傳送資料時，首先，必須要檢查自己的Neighbor Table是否有Receiver的紀錄。
• Neighbor Table主要是紀錄每個Receiver的Short Address、ToneMap、Modulation Type、每個Tone的Gain值和Neighbor Table生存時間。
• 如果Neighbor Table不存在，MAC層就會在傳送出去的資料中Segment Control TMR欄位設定1，等待接收端偵測目前通道品質之後，回覆ToneMap Response，其中此筆MAC Frame先用ROBO傳送。
• 當Transmitter接收到Receiver回傳的ToneMap Response後，必須更新自己的Neighbor Table，只要Neighbor Table的生存時間還沒超時，下次要傳資料給同一個Receiver，就可以用Neighbor Table裡的參數來傳送資料。

Neighbor Table

Security mechanism

AES - Wikipedia

https://zh.wikipedia.org/wiki/高级加密标准

Auxiliary Security Header

• Security Level：
  • 0x00："none"
  • 0x05："ENC=MIC-32"
• Key Indentifier Mode：
  • 0x01表示只使用1個Byte當作Key Index表示，有0x0和0x1。
• Example：(0x0D)₁₆ = (00001101)₂
  • Security Level：(101)₂
  • Key Indentifier Mode：(01)₂

Security Control

CCM mode

可以參考RFC3610 https://tools.ietf.org/html/rfc3610

CCM Nonce
以下是CCM Nonce擺放的內容，總共有13個Bytes。

CCM Input Transformation

• Inputs are
  • Key - Block Cipher Key
  • N - Nonce
  • a data - Additional authenticated data
  • m data - Message to authenticate and encrypt
  • l(a) - Length of a data
  • l(m) - Length of m data

• Output is c data

CCM Authentication Transformation

計算B_0, B_1, …, B_n
其中B_0欄位如下：

B_0裡的Flags欄位如下：

• Adata bit
  • 0, if l(a)=0
  • 1, if l(a)>0
• M'=(M-2)/2
• L'=L-1

B_1, B_2, …, B_n => l(a) a m

CBC-MAC計算流程如下：

• X_1 := E(K, B_0)
• X_i+1 := E(K, X_i XOR B_i) for i = 1, …, n
• T := first-M-bytes(X_n+1)
• where E() is the block cipher encryption function, and T is the MAC value

CCM Encryption Transformation

先計算A_i

其中A_i裡的Flags欄位

• L'=L-1

利用Counter Mode來加密密文

• S_i := E(K, A_i) for i = 0, 1, 2, …

計算Authentication value U

• U := T XOR first-M-bytes(S_0)

最後產出的結果C是密文，然後緊接著4個Byte的U

tags: G3 PLC Power Line Communication