- 頭條哈爾濱工業大學蒲紅紅、劉曉勝等：電力線通信網的中繼選擇新方案2021-07-23 作者：蒲紅紅 劉曉勝 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語本文將非正交多址接入（NOMA）技術應用于下行多中繼協作電力線通信（PLC）網絡，考慮對數正態信道衰落和伯努利-高斯信道噪聲，分別針對譯碼轉發（DF）和放大轉發（AF）兩種中繼協議，以滿足目的節點服務質量（QoS）要求和最小化系統功耗為目標，設計基于加權調和平均的分布式機會中繼選擇方案。該方案能夠根據電力線信道的瞬時信道狀態信息（ICSI）優化目的節點排序，同時自適應調整功率分配系數，因此可獲得較傳統方案更優的系統吞吐量性能。
團隊介紹
蒲紅紅，博士研究生，主要研究方向為電力線通信系統的協作、非正交多址接入以及物理層安全技術研究。目前在參與國家自然科學基金、黑龍江省自然科學基金等項目的研究。
劉曉勝，博士生導師，1966年5月出生于黑龍江省齊齊哈爾市，1988年7月和1993年3月分別獲得哈爾濱工業大學電氣工程學科學士和碩士學位，1999年9月獲得哈爾濱工業大學機械工程學科博士學位，1999年9月至2001年9月在東南大學信息與通信工程博士后流動站從事博士后研究，現為教育部高等學校電氣類專業教學指導委員會委員、中國電源學會照明電子委員會委員、全國石油和化學工業電氣技術委員會委員，主持多項國家自然科學基金和企業橫向課題，擔任IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Delivery、中國電機工程學報等權威SCI/EI期刊的審稿人，已發表論文80余篇，申請專利60余項，主要研究方向為電力線通信理論與技術、智能電網通信、能源互聯網等。
導語
本文將非正交多址接入（NOMA）技術應用于下行多中繼協作電力線通信（PLC）網絡，考慮對數正態信道衰落和伯努利-高斯信道噪聲，分別針對譯碼轉發（DF）和放大轉發（AF）兩種中繼協議，以滿足目的節點服務質量（QoS）要求和最小化系統功耗為目標，設計基于加權調和平均的分布式機會中繼選擇方案。
該方案能夠根據電力線信道的瞬時信道狀態信息（ICSI）優化目的節點排序，同時自適應調整功率分配系數，因此可獲得較傳統方案更優的系統吞吐量性能。
項目研究背景
PLC技術能夠利用現有電力基礎設施構建能源、信息和控制一體化網絡平臺，可真正實現電力能源和信息的一體化傳輸，極具電力系統特色，在泛在電力物聯網的信息網絡構建中極具競爭力。然而，低發射功率、隨通信距離和頻率衰減的線路損耗以及高幅脈沖噪聲等因素，制約PLC的可靠信息傳輸。
另一方面，除可靠性外，泛在電力物聯網中的海量設備終端和數據還將要求通信網絡具備使用有限頻譜資源實現更大規模終端接入、更高通信速率和更大系統容量的能力。將新型NOMA與中繼協作技術結合，可在允許大規模接入請求、提升系統容量的同時，進一步提升系統的傳輸可靠性和網絡覆蓋面。
然而，目前PLC系統下的協作NOMA研究還在起步階段；無線通信系統中的協作NOMA研究也存在著用戶信號解碼順序固定，無法適應時變信道，從而造成多址干擾強度大等問題。
因此，本文將深入對PLC系統下協作NOMA的研究，優化多中繼場景下的機會式中繼選擇方案，以更好地適應時變PLC信道，從而進一步提升系統性能。
論文方法及創新點
圖1 多中繼PLC的協作NOMA傳輸系統
以滿足目的節點QoS要求和最小化系統功耗為目標，進行機會式中繼選擇。分析兩種協議下中繼和目的節點處解碼NOMA信號時的信干噪比（SINR）或信干擾比（SNR）可知，最小系統功耗取決于目的節點排序，而目的節點排序受中繼與目的節點間鏈路的ICSI影響。兩種協議下目的節點排序均為
需要說明的是，兩種中繼選擇方案的實質均為選擇具有最大加權調和平均值的中繼節點。此外，AF中繼選擇方案僅可調整源節點處的功率分配系數，而DF中繼選擇方案則可自適應調整源節點和中繼節點兩處的功率分配系數，這將能更好地適應時變的PLC信道。
兩種方案在具體實現時均無需中心節點獲取全局ICSI，僅由各中繼節點根據本地ICSI分布式完成。中繼節點獨立計算最小系統功耗，自行決定是否參與協作，這就解決了由于信息交換帶來的系統開銷；同時由于中繼選擇算法由各中繼節點分擔，因此很大程度上解決了集中式機制下中心節點處運算量過大、硬件要求較高的問題，便于實際應用。
結論
本文針對多中繼PLC下行協作NOMA傳輸網絡，首先提出了基于最大加權調和平均的分布式機會中繼選擇方案，能夠在滿足目的節點QoS要求的同時最小化系統功耗。然后分別分析了DF和AF協議下的系統中斷概率和吞吐量性能，Monte-Carlo仿真則驗證了本文理論分析的正確性。
不同于基準方案，本文方案基于通信鏈路的ICSI對目的節點排序進行了優化設計和對功率分配系數進行了自適應調整，能夠更好地適應時變的電力線信道，使得系統獲得更優的系統性能。
另一方面，本文DF方案根據ICSI進行了兩次功率分配系數動態調整，功率分配更為合理，能夠獲得比AF方案更高的系統吞吐量性能。
此外，相比集中式中繼選擇方案，本文中繼選擇方案分布式進行，各中繼節點僅根據本地ICSI自行決定是否參與數據的協作傳輸，能夠節約用于ICSI反饋的信令開銷，并且對單個節點的硬件要求也低。
引用本文
蒲紅紅, 劉曉勝, 韓銘, 徐殿國. 電力線通信信道下協作非正交多址接入系統的分布式機會中繼選擇[J]. 電工技術學報, 2020, 35(11): 2306-2318. Pu Honghong, Liu Xiaosheng, Han Ming, Xu Dianguo. Distributed Opportunistic Relay Selection for Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access Power Line Communication Networks. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(11): 2306-2318.
