- 头条哈尔滨工业大学蒲红红、刘晓胜等：电力线通信网的中继选择新方案导语本文将非正交多址接入（NOMA）技术应用于下行多中继协作电力线通信（PLC）网络，考虑对数正态信道衰落和伯努利-高斯信道噪声，分别针对译码转发（DF）和放大转发（AF）两种中继协议，以满足目的节点服务质量（QoS）要求和最小化系统功耗为目标，设计基于加权调和平均的分布式机会中继选择方案。该方案能够根据电力线信道的瞬时信道状态信息（ICSI）优化目的节点排序，同时自适应调整功率分配系数，因此可获得较传统方案更优的系统吞吐量性能。
团队介绍
蒲红红，博士研究生，主要研究方向为电力线通信系统的协作、非正交多址接入以及物理层安全技术研究。目前在参与国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等项目的研究。
刘晓胜，博士生导师，1966年5月出生于黑龙江省齐齐哈尔市，1988年7月和1993年3月分别获得哈尔滨工业大学电气工程学科学士和硕士学位，1999年9月获得哈尔滨工业大学机械工程学科博士学位，1999年9月至2001年9月在东南大学信息与通信工程博士后流动站从事博士后研究，现为教育部高等学校电气类专业教学指导委员会委员、中国电源学会照明电子委员会委员、全国石油和化学工业电气技术委员会委员，主持多项国家自然科学基金和企业横向课题，担任IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Delivery、中国电机工程学报等权威SCI/EI期刊的审稿人，已发表论文80余篇，申请专利60余项，主要研究方向为电力线通信理论与技术、智能电网通信、能源互联网等。
导语
本文将非正交多址接入（NOMA）技术应用于下行多中继协作电力线通信（PLC）网络，考虑对数正态信道衰落和伯努利-高斯信道噪声，分别针对译码转发（DF）和放大转发（AF）两种中继协议，以满足目的节点服务质量（QoS）要求和最小化系统功耗为目标，设计基于加权调和平均的分布式机会中继选择方案。
该方案能够根据电力线信道的瞬时信道状态信息（ICSI）优化目的节点排序，同时自适应调整功率分配系数，因此可获得较传统方案更优的系统吞吐量性能。
项目研究背景
PLC技术能够利用现有电力基础设施构建能源、信息和控制一体化网络平台，可真正实现电力能源和信息的一体化传输，极具电力系统特色，在泛在电力物联网的信息网络构建中极具竞争力。然而，低发射功率、随通信距离和频率衰减的线路损耗以及高幅脉冲噪声等因素，制约PLC的可靠信息传输。
另一方面，除可靠性外，泛在电力物联网中的海量设备终端和数据还将要求通信网络具备使用有限频谱资源实现更大规模终端接入、更高通信速率和更大系统容量的能力。将新型NOMA与中继协作技术结合，可在允许大规模接入请求、提升系统容量的同时，进一步提升系统的传输可靠性和网络覆盖面。
然而，目前PLC系统下的协作NOMA研究还在起步阶段；无线通信系统中的协作NOMA研究也存在着用户信号解码顺序固定，无法适应时变信道，从而造成多址干扰强度大等问题。
因此，本文将深入对PLC系统下协作NOMA的研究，优化多中继场景下的机会式中继选择方案，以更好地适应时变PLC信道，从而进一步提升系统性能。
论文方法及创新点
图1 多中继PLC的协作NOMA传输系统
以满足目的节点QoS要求和最小化系统功耗为目标，进行机会式中继选择。分析两种协议下中继和目的节点处解码NOMA信号时的信干噪比（SINR）或信干扰比（SNR）可知，最小系统功耗取决于目的节点排序，而目的节点排序受中继与目的节点间链路的ICSI影响。两种协议下目的节点排序均为
需要说明的是，两种中继选择方案的实质均为选择具有最大加权调和平均值的中继节点。此外，AF中继选择方案仅可调整源节点处的功率分配系数，而DF中继选择方案则可自适应调整源节点和中继节点两处的功率分配系数，这将能更好地适应时变的PLC信道。
两种方案在具体实现时均无需中心节点获取全局ICSI，仅由各中继节点根据本地ICSI分布式完成。中继节点独立计算最小系统功耗，自行决定是否参与协作，这就解决了由于信息交换带来的系统开销；同时由于中继选择算法由各中继节点分担，因此很大程度上解决了集中式机制下中心节点处运算量过大、硬件要求较高的问题，便于实际应用。
结论
本文针对多中继PLC下行协作NOMA传输网络，首先提出了基于最大加权调和平均的分布式机会中继选择方案，能够在满足目的节点QoS要求的同时最小化系统功耗。然后分别分析了DF和AF协议下的系统中断概率和吞吐量性能，Monte-Carlo仿真则验证了本文理论分析的正确性。
不同于基准方案，本文方案基于通信链路的ICSI对目的节点排序进行了优化设计和对功率分配系数进行了自适应调整，能够更好地适应时变的电力线信道，使得系统获得更优的系统性能。
另一方面，本文DF方案根据ICSI进行了两次功率分配系数动态调整，功率分配更为合理，能够获得比AF方案更高的系统吞吐量性能。
此外，相比集中式中继选择方案，本文中继选择方案分布式进行，各中继节点仅根据本地ICSI自行决定是否参与数据的协作传输，能够节约用于ICSI反馈的信令开销，并且对单个节点的硬件要求也低。
引用本文
蒲红红, 刘晓胜, 韩铭, 徐殿国. 电力线通信信道下协作非正交多址接入系统的分布式机会中继选择[J]. 电工技术学报, 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.
