输变电设备物联网微功率无线网通信协议

DL

%&'()*+,-./01,2345

"!#$

本文件规定了输变电设备物联网传感终端微功率无线接入协议，包括通信网络拓扑与协议栈结构、

物理层协议和媒体接入控制层协议。

本文件适用于输变电设备物联网传感终端的微功率无线通信。

%!&#'()*+

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

IEEE802.15.4-2015-IEEEStandardforLow-RateWirelessNetworks

LoRaWAN™1.1SpecificationLoRaWAN™1.1规范

,!-./01

DL/Txxxx-2021界定的及下列术语和定义适用于本文件。

,2"!

3456accessnode

输变电设备物联网的感知层中的通信主设备，具备边缘计算、自组网和终端接入的功能。

,2%!

7856sinknode

输变电设备物联网的感知层中的通信中继设备，具备自组网和终端接入等功能。

,2,!

9:;<sensorterminal

输变电设备物联网感知层中的终端设备，可实现对输变电设备运行状态感知，并通过无线或者有线

接入汇聚节点或接入节点。

,2=!

>?@ABCDmicro-powerwirelesscommunication

传感终端使用470MHz~510MHz频段且发射功率小于50mW（e.r.p），或者使用2400MHz~

2483.5MHz频段且发射功率小于10mW（e.r.p）无线通信技术。

,2E!

B'FGHGchirpspreadspectrum

在一个周期内，发射的射频脉冲信号载频的频率作线性变化的调制方式。

,2I!

1

DL

>?@AB34Jmicro-powerwirelessaccessnetworks

输变电设备物联网传感终端以微功率无线通信的方式接入到汇聚节点，从而构建起由多个汇聚节

点和传感终端所组成的数据传输业务承载网络，以下简称为“无线接入网”。

,2K!

LMNwhitelist

白名单用于记录可在节点进行注册接入的传感终端地址列表。

,2O!

PMNblacklist

黑名单用于记录不可在节点进行注册接入的传感终端地址列表。

=!QR.

下列缩略语适用于本文件。

BW：带宽（Bandwidth）

CR：编码率（CodingRate）

CSS：线性调频扩频（ChirpSpreadSpectrum）

E.R.P：有效辐射功率（EffectiveRadiatedPower）

FEC：前向纠错（ForwardErrorCorrection）

GFSK：高斯频移键控（GaussFrequencyShiftKeying）

NWK：网络层（NetworkLayer）

MAC：媒体接入控制（MediaAccessControl）

MACPayload：媒体访问控制层负载（MediaAccessControlPayload）

MIC：信息完整性校验（MessageIntegrityCheck）

MWP：微功率无线通信协议（Micro-PowerWirelessCommunicationProtocol）

O-QPSK：偏移四进制相移键控（Offset-Quadrature-Phase-Shift-Keying）

PSD：功率谱密度（PowerSpectralDensity）

REQ：请求（Request）

RF：无线电频率（RadioFrequency）

RFU：保留备用（ReservedForUse）

RSP：响应（Response）

RSP_END：响应结束（ResponseEnd）

SF：扩频因子（SpreadingFactor）

E!JSTUVWXYZ[

E2"!JSTU\9]^_

E2"2"!>?@ABJCDWXJSTU

微功率无线网通信协议网络中包含接入节点、汇聚节点和传感终端，网络配置为星型网络模型，即

多个传感终端与一个汇聚节点或接入节点直接相连，如图1所示。本网络模型支持两种通信传输，

分别为单向传输和双向传输。

2

DL

传感终端

传感终端

汇聚节点/

接入节点

传感终端

传感终端

传感终端

`"!abJScb

E2"2%!Nd9]^_

单向传输指接入节点或汇聚节点与传感终端在一个单独的信道上传输。单向传输只能在传感终端

发起，在汇聚节点或接入节点进行接收。传感终端通过上行链路上传数据，如图2所示。

传感终端

上行链路

汇聚节点/

接入节点

上行链路传感终端

`%!Nd9]

3

DL

E2"2,!ed9]^_

双向传输指传感终端和汇聚节点或接入节点通过给定信道的上行链路和下行链路进行数据传输，

如图3所示。多个传感终端有序接入同一个汇聚节点或接入节点时，双向传输由传感终端在上行链路发

起，汇聚节点或接入节点在下行链路上进行应答。

传感终端

上行链路

下行链路

汇聚节点/

接入节点

下行链路

上行链路传感终端

`,!ed9]

E2%!WXYZ[

E2%2"!fgZ[

微功率无线网通信协议分为物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）两部分，如图4所示。其

中，物理层用于物理比特流的数据传输，媒体接入控制层用于数据链路的连接和管理。网络层部分是由

上层通信协议决定，不在本文件中进行规定。

网络层（NWK）

媒体接入控制层

访问接口

媒体接入控制层（MAC）

物理层

访问接口

物理层（PHY）

`=!>?@ABJCDWXh[

4

DL

E2%2%!ijg

物理层负责处理比特流的物理传输，包括发送和接收，物理层具有调制与解调、发送状态和接收状

态的切换等功能。

E2%2,!kl34m_g

媒体接入控制层用于处理逻辑链路的连接和控制问题，包括数据包顺序传输、交互应答、接入控制、

信道管理、组帧和时间同步、传输控制参数配置等功能。

I!ijgWX

I2"!ijgnb

物理层通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元，并对物理层数据信息和控制信息进行

管理，具体规定见以下a、b、c，物理层宜在以下a、b类型中选择其一：

a)CSS物理层：工作在470MHz~510MHz或者2400MHz~2483.5MHz频段，采用线性调频扩频（CSS）

调制。线性调频扩频（CSS）调制应符合LoRaWAN™1.1Specification中第3章对物理层的规

定。

b)IEEE802.15.4物理层：工作在2400MHz~2483.5MHz频段，采用偏移四进制相移键控（O-QPSK）

调制。偏移四进制相移键控（O-QPSK）调制应符合IEEEStd802.15.4TM-2015中第12章对物理

层的规定。

c)其它物理层调制方式和通信频段，经论证后满足本文件第7章媒体接入控制层协议要求的前提

下，可以参照本文执行。

I2%!ijgoZ[

I2%2"!oZ[01

物理层的帧结构应符合表1。

p"!ijgoZ[

物理层头物理层头校验物理层负载校验

前导物理层负载

（可选）（可选）（可选）

注1：CSS物理层帧结构符合附录A，物理层头、物理层头校验、以及物理层负载校验字段为必选。

注2：IEEE802.15.4物理层帧结构符合附录B，物理层头为必备，不必含有物理层头校验字段和物理层负载校验

字段。

I2%2%!qrGs

本文件共设置2个工作频段：470MHz~510MHz频段和2400MHz~2483.5MHz频段。

I2%2,!CSSijgtu

5

DL

本文件采用的CSS物理层参数应符合表2和表3，CSS物理层470MHz~510MHz频段和

2400MHz~2483.5MHz频段信道分配表应符合表4和表5，CSS物理层发送功率应符合表6和表7，CSS

物理层的调制和传输及RF参数要求应符合附录A。

p%!2400MHz~2483.5MHzGsCSSijgvwp

带宽前导长度发射功率

物理层配置编号扩频因子编码率备注

kHzSymbolsmW（e.r.p）

默认业务信道和控制信

18812.5CR4/56<10

道配置方式

27812.5CR4/56<10

36812.5CR4/56<10

45812.5CR4/56<10

510812.5CR4/56<10

661625CR4/56<10

p,!470MHz~510MHzGsCSSijgvwp

带宽前导长度发射功率

物理层配置编号扩频因子编码率备注

kHz字节mW（e.r.p）

默认业务信道和控

18500CR4/56<50

制信道配置方式

27500CR4/56<50

36500CR4/56<50

45500CR4/56<50

510500CR4/56<50

p=!CSSijg470MHz~510MHzGsDxfvp

中心频率

信道编号信道类型

MHz

1默认控制信道470.5

2可配信道471.0

………………

n可配信道(470.5+(n-1)/2)

………………

80可配信道509.5

n=1、2、…、80。除默认控制信道频点和默认业务信道频点外，其它频点可根据带宽和业务要求选定。

注1：默认业务信道频点为494.5MHz。

6

DL

pE!CSSijg2400MHz~2483.5MHzGsDxfvp

中心频率

信道编号信道类型

MHz

1默认控制信道2400.5

2可配信道2401.5

………………

n可配信道2399.5+n

………………

83可配信道2482.5

n=1、2、…、83。除默认控制信道频点和默认业务信道频点外，其它频点可根据带宽和业务要求选定。

注1：默认业务信道频点为2424.5MHz。

pI!CSSijg2400MHz~2483.5MHzyz?@

发送功率

发送功率编号

dBm

80-20

81-19

…………

nn-100

…………

1099

11010

注：n=80、81、…、110。

pK!CSSijg470MHz~510MHzyz?@

发送功率

发送功率编号

dBm

80-20

81-19

…………

nn-10

…………

11616

11717

注：n=80、81、…、117。

I2%2=!IEEE802.15.4ijgtu

7

DL

本文件采用的IEEE802.15.4物理层参数应符合表8，IEEE802.15.4物理层2400MHz~2483.5MHz

频段信道分配应符合表9，IEEE802.15.4物理层的调制和传输及RF参数要求应符合附录B。

pO!IEEE802.15.4ijgtu

频段2400MHz~2483.5MHz

发射功率<10mW（e.r.p）

p{!IEEE802.15.4ijg2400MHz~2483.5MHzGsDxfvp

中心频率

信道编号信道类型

MHz

1控制信道2403.0

2可配信道2404.0

………………

n可配信道2402.0+n

………………

80可配信道2482.0

n=1、2、…、80。除默认控制信道频点和默认业务信道频点外，其他频点可根据带宽和业务要求选定。

注1：默认业务信道频点为2427.0MHz。

K!kl34m_gWX

K2"!kl34m_g|}

媒体接入控制层在物理层提供服务的基础上向上层提供服务，媒体接入控制层与物理层的帧结构

关系如图5所示。

媒体接入控制层MAC层头MAC层负载信息完整度校验

物理层前导物理层头物理层头校验物理层负载物理层负载校验

`E!kl34m_gVijg~oZ[•€

K2%!kl34m_goZ[

K2%2"!•s|}

传输数据采用帧结构作为基本单元，帧结构应符合表10，物理层负载长度为9到264字节，用来

记录物理层需要传输的数据。

8

DL

p"‚!ijgƒ„Z[

字段名称MAC层头MAC层负载信息完整度校验

字段长度8字节0-255字节1字节

注1：MAC层头描述帧的类型、负载字段的长度和传感终端ID等配置信息。

注2：MAC层负载承载MAC层传输的数据。此字段的数据结构根据帧类型字段的定义进行结构组织和编码，

其承载的数据长度还受限于物理层约束。

注3：信息完整度校验用于对MAC层头和MAC层负载进行校验，判断发送数据是否被第三方篡改。校验方

法是将MAC层头和MAC层负载以1字节为单位进行累加，累加结果作为信息完整度校验字段的值填

入信息完整度校验字段。

K2%2%!MACg…

K2%2%2"!MACg…Z[

MAC层头由帧类型（MType）、通信信令指示（CC_Ind）、加密指示（Key_If）、MAC层负载长

度（Length）和传感终端ID等字段组成，见表11。

p""!MACg…Z[

字段名称MTypeCC_IndKey_IfLength传感终端ID

字段长度4比特1比特3比特1字节6字节

注：除特殊说明，本文件各字段均采用高位字节在前方式传输。

K2%2%2%!o†b

帧类型字段长度为4比特，定义帧的具体类型和功能。帧类型的具体编码及对应的含义应符合表

12。

p"%!o†b‡ˆ

比特序列帧类型（英文）帧类型（中文）

0b0000MESSAGE业务信道信息帧

0b0001REQ控制信道请求帧

0b0010RSP控制信道应答帧

0b0011RSP_END控制信道应答终帧

0b0100BURST控制信道突发帧

0b0101ACK控制信道确认帧

其他RFU保留备用

注：0b表示二进制数字。

K2%2%2,!CDD‰Š‹

9

DL

通信信令指示（CC_Ind）用于指示MAC负载是业务或通信指令；取值0b1表示业务，取值0b0表

示通信指令。通信信令指示只在控制信道突发帧（BURST）、控制信道应答帧（RSP帧）或控制信道应

答终帧（RSP_END帧）中有效。

K2%2%2=!Œ•Š‹

加密指示字段表明发送的MAC层负载和信息完整度校验是否进行了加密，长度为3比特：0b000

表示不加密；0b001表示加密。

K2%2%2E!MACgƒ„Ž•

MAC层负载长度字段定义了MAC层负载字段的字节长度，此字段长度为1字节，MAC层负载字

段的长度为0到255字节。

K2%2%2I!9:;<ID

传感终端ID是传感终端设备在网络中的唯一标识，每个传感终端都会被分配一个唯一的传感终端

地址。传感终端ID字段的长度为6字节，传感终端ID的构成参见“输变电设备物联网传感器数据规

范”。

K2%2,!•‘DxD’o

业务信道信息帧（MESSAGE）为在业务信道中传输的一种帧的类型，其功能主要为将发送端的数

据按照指定的数据格式以及传输规则有序地传输给接收端，用于传感终端上报监测数据报文，传感终端

ID的构成参见“输变电设备物联网传感器数据规范”。为减少数据传输，省略了监测数据报文中的传感

终端ID，只保留MAC帧头中的传感终端ID。

K2%2=!m_Dx“”o

控制信道请求帧（REQ）为在控制信道中传输的一种帧的类型，其功能主要为发送端以一定的传输

规则向接收端发送信息，并请求回复。发送端根据需求将数据写入请求数据类型字段。控制信道请求帧

的MAC层负载字段的结构应符合表13，由信息类型和保留备用组成。

p",!m_Dx“”o~MACgƒ„

信息类型保留备用

1字节1字节

注1：信息类型字段取值范围是0~2，取值为0表示“任意类型”，取值为1表示“通信指令”，取值为2表示“控制报

文”。

注2：信息类型字段的默认值为0；保留备用字段的默认值为0。

K2%2E!m_Dx•–o

K2%2E2"!m_Dx•–o?—

控制信道应答帧可承载通信指令或者控制报文。控制信道应答帧（RSP）是在控制信道中传输的一

种帧的类型，其功能主要为接收端在接收到控制信道请求帧后，根据控制信道请求帧的信息类型字段向

发送端进行控制信息的回复。通信指令和控制报文不能在同一个的RSP帧或控制信道应答终帧

（RSP_END）内传输。

10

DL

K2%2E2%!˜™CDŠ‰

MAC帧头中的CC_Ind取值0b0。为减少传输的交互次数，将多个通信指令组合成单帧进行发送，

单帧的数据结构应符合表14，单个RSP帧或RSP_END帧承载的数据不能超过MAC负载上限，即255

字节。每个通信指令数据由通信指令类型和通信指令内容组成应符合表15，其中通信指令类型和内容

字段的定义应符合表16。

p"=!CDD‰ušZ[

通信指令1通信指令2……通信指令i……通信指令N

注1：通信指令i字段为回复的第i个通信指令，通信指令N字段为回复的最后一个通信指令。

注2：每组数据采用统一的数据格式，具体格式应符合表16。

p"E!CDŠ‰uš›œ

通信指令i

通信指令类型（1字节）通信指令内容（变长）

p"I!CDŠ‰†b/‡ˆ01

通信指令分类通信指令类型取值通信指令内容长度单位

字节

配置业务周期长度0b000000004ms

配置控制周期长度0b000000012业务周期

配置延迟时间0b000000104ms

配置最大随机扰动时长0b0000001115ms

配置业务信道频点（编号）0b000001001-

配置物理层参数（编号）0b000001011-

配置REQ帧等待回复超时时间0b000001101ms

配置BURST帧等待回复超时时间0b000001111ms

配置发送功率（编号）0b000010001-

保留0b00001001~0b00111111--

查询业务周期长度0b01000000--

查询控制周期长度0b01000001--

查询延迟时间0b01000010--

查询最大随机扰动时长0b01000011--

查询业务信道频点（编号）0b01000100--

查询物理层参数（编号）0b01000101--

查询REQ帧等待回复超时时间0b01000110--

查询BURST帧等待回复超时时间0b01000111--

查询发送功率（编号）0b01001000--

保留0b01001000~0b01111111--

用户自定义0b10000000~0b11000000--

11

DL

查询业务周期+控制周期组合+延迟

0b11111110--

+随机扰动时长

注1：业务周期定义为发送端发送业务信息的周期。

注2：控制周期定义为发送端发送控制信息请求的周期，以业务周期（默认或配置后的业务周期）为单位。控制周

期为0时，发送端不发送控制信息请求帧；控制周期为1时，每个业务周期发送1次控制信道请求帧，不发

送业务信道信息帧；控制周期为m时，每m个业务周期，发送一次控制信道请求帧，发送m-1次业务信道

信息帧。

注3：延迟时间定义为业务信息发送时刻的时间偏移量。

注4：最大随机扰动时长定义为发送端发送时刻偏离发射基准时刻的最大允许范围，以5ms为单位。随机扰动时长

与延时配合使用，确定发送端的发射时刻。

注5：业务信道频点用于控制业务信道的频点，默认业务信道频点不支持动态配置，默认业务信道被配置在固定的

频点，并且采用默认的物理层配置。传感终端可以在汇聚节点的指派下，从默认业务信道频点转移到其它业

务信道频点下进行通信。

注6：物理层参数配置用于指定业务信道和控制信道的物理层参数配置编号，默认物理层参数不支持动态配置。传

感终端可以在汇聚节点的指派下，按指定的物理层参数配置编号进行配置。

注7：REQ帧等待回复超时时间定义为发送端发送REQ帧后等待回复的时间。

注8：BURST帧等待回复超时时间定义为发送端发送BURST帧后等待回复的时间。

K2%2E2,!m_•*

MAC帧头中的CC_Ind取值0b1。MAC层负载内容承载控制报文，报文格式见“输变电设备物联

网传感器数据规范”。为减少数据传输，省略报文中的传感终端ID，只保留MAC帧头中的传感终端

ID。

K2%2I!m_Dx•–;o

控制信道应答终帧（RSP_END）为控制信道应答帧的扩展。当发送端回复控制信道应答帧时，表

明发送端发送的信息还没有结束，此后还会有信息发送。当发送端回复控制信道应答终帧时，表明此次

发送的信息已经结束，此后没有新帧发送。控制信道应答终帧的MAC层负载字段与控制信道应答帧相

同，应符合7.2.5小节。

K2%2K!m_Dxžyo

K2%2K2"!m_Dxžyo01

控制信道突发帧（BURST）为在控制信道中传输的一种帧的类型，可承载通信指令、告警数据报文

或者控制数据报文，应符合以下a、b、c中的要求。

a）承载告警数据报文或控制数据报文时，传感终端的报文格式应符合“输变电设备物联网传感器

数据规范”；为减少数据传输，省略告警数据报文中的传感终端ID，只保留MAC帧头中的传感终端ID。

b）承载通信指令时，用于传感终端上报通信参数。

c）告警数据报文和通信指令不能在同一个的BURST帧内传输。

K2%2K2%!Ÿ™CDŠ‰

MAC帧头中的CC_Ind取值0b0。为减少传输的交互次数，将多个通信指令组合成单帧进行发送，

单帧的数据结构应符合表17，单个BURST帧承载的数据不能超过MAC负载上限，即255字节。每个

12

DL

通信指令数据由通信指令类型和通信指令内容组成应符合表18，其中通信指令类型和内容字段的定义

应符合表19。

p"K!tuŸ•~ušZ[

通信指令1通信指令2……通信指令i……通信指令N

注1：通信指令i字段为回复的第i个通信指令，通信指令N字段为回复的最后一个通信指令。

注2：每组数据采用统一的数据格式，具体格式应符合表18。

p"O!tuŸ•~uš›œ

通信指令i

通信指令类型（1字节）通信指令内容（变长）

p"{!tuŸ•~Š‰‡ˆ01

通信指令分类通信指令类型取值通信指令内容长度单位

字节

上报业务周期长度0b000000004ms

上报控制周期长度0b000000012业务周期

上报延迟时间0b000000104ms

上报最大随机扰动时长0b0000001115ms

上报业务信道频点（编号）0b000001001-

上报物理层参数（编号）0b000001011-

上报REQ帧等待回复超时时间0b000001101ms

上报BURST帧等待回复超时时间0b000001111ms

上报发送功率（编号）0b000010001-

保留备用0b00001001~0b00111111--

用户自定义0b01000000~0b11111110--

上报业务周期+控制周期组合+延迟+

0b1111111111-

随机扰动时长

K2%2O!m_Dx¡o

控制信道确认帧（ACK）为在控制信道中传输的一种帧的类型，其功能主要为接收端在接收到需要

确认回复的帧后，向发送端发送控制信道确认帧进行确认。控制信道确认帧的使用情况应符合表20。

控制信道确认帧的MAC层负载字段定义了控制信道确认帧的类型，长度为1字节，具体的编码及对应

含义应符合表21。

p%‚!m_Dx¡o~¢)

发送帧类型是否需要回复ACK帧（Y/N）

业务信道信息帧N

13

DL

控制信道请求帧N

控制信道应答帧Y

控制信道应答终帧Y

控制信道突发帧Y

p%"!m_Dx¡o~MACgƒ„•sZ[

比特序列（b7b6b5b4b3b2b1b0）ACK帧类型（英文）ACK帧类型（中文）

0b00000001RSP_END_ACKRSP_END帧确认帧

0b00000010BURST_ACKBURST帧确认帧

0b00000100RSP_ACKRSP帧确认帧

其它RFU_ACK保留

K2%2{!£¤¥)o

保留备用帧（RFU）是用来保留以备使用者需要增加新的定义帧所准备的一种帧的类型。使用者可

以根据需要添加的功能，在不与现有的帧发生冲突的情况下，定义设计此帧的结构和编码形式。新的帧

格式和编码必须在收发双方设备中同时更新，确保收发双方通信的可靠性。保留备用帧的使用增加了本

文件的可扩展性。

K2,!¦§tu01

可配置的时间参数类型及名称应符合表22。这些参数均可在控制信道的接入过程进行配置。

p%%!¨vw~¦§tu01

时间定义类型参数名称初值范围

业务周期长度Message_Length5min5min~71580min

控制周期长度Control_Length24个业务周期