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(tǒng)的協(xié)作、非正交多址接入以及物理層安全技術(shù)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(dǎo)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(yè)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(yè)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(xiàn)為教育部高等學校電氣類專業(yè)教學指導(dǎo)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(yè)電氣技術(shù)委員會委員，主持多項國家自然科學基金和企業(yè)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(quán)威SCI/EI期刊的審稿人，已發(fā)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(shù)、智能電網(wǎng)通信、能源互聯(lián)網(wǎng)等。

導(dǎo)語

本文將非正交多址接入（NOMA）技術(shù)應(yīng)用于下行多中繼協(xié)作電力線通信（PLC）網(wǎng)絡(luò)，考慮對數(shù)正態(tài)信道衰落和伯努利-高斯信道噪聲，分別針對譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）兩種中繼協(xié)議，以滿足目的節(jié)點服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求和最小化系統(tǒng)功耗為目標，設(shè)計基于加權(quán)調(diào)和平均的分布式機會中繼選擇方案。

該方案能夠根據(jù)電力線信道的瞬時信道狀態(tài)信息（ICSI）優(yōu)化目的節(jié)點排序，同時自適應(yīng)調(diào)整功率分配系數(shù)，因此可獲得較傳統(tǒng)方案更優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量性能。

項目研究背景

PLC技術(shù)能夠利用現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建能源、信息和控制一體化網(wǎng)絡(luò)平臺，可真正實現(xiàn)電力能源和信息的一體化傳輸，極具電力系統(tǒng)特色，在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中極具競爭力。然而，低發(fā)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(lián)網(wǎng)中的海量設(shè)備終端和數(shù)據(jù)還將要求通信網(wǎng)絡(luò)具備使用有限頻譜資源實現(xiàn)更大規(guī)模終端接入、更高通信速率和更大系統(tǒng)容量的能力。將新型NOMA與中繼協(xié)作技術(shù)結(jié)合，可在允許大規(guī)模接入請求、提升系統(tǒng)容量的同時，進一步提升系統(tǒng)的傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)覆蓋面。

然而，目前PLC系統(tǒng)下的協(xié)作NOMA研究還在起步階段；無線通信系統(tǒng)中的協(xié)作NOMA研究也存在著用戶信號解碼順序固定，無法適應(yīng)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(tǒng)下協(xié)作NOMA的研究，優(yōu)化多中繼場景下的機會式中繼選擇方案，以更好地適應(yīng)時變PLC信道，從而進一步提升系統(tǒng)性能。

論文方法及創(chuàng)新點

圖1 多中繼PLC的協(xié)作NOMA傳輸系統(tǒng)

以滿足目的節(jié)點QoS要求和最小化系統(tǒng)功耗為目標，進行機會式中繼選擇。分析兩種協(xié)議下中繼和目的節(jié)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(tǒng)功耗取決于目的節(jié)點排序，而目的節(jié)點排序受中繼與目的節(jié)點間鏈路的ICSI影響。兩種協(xié)議下目的節(jié)點排序均為

需要說明的是，兩種中繼選擇方案的實質(zhì)均為選擇具有最大加權(quán)調(diào)和平均值的中繼節(jié)點。此外，AF中繼選擇方案僅可調(diào)整源節(jié)點處的功率分配系數(shù)，而DF中繼選擇方案則可自適應(yīng)調(diào)整源節(jié)點和中繼節(jié)點兩處的功率分配系數(shù)，這將能更好地適應(yīng)時變的PLC信道。

兩種方案在具體實現(xiàn)時均無需中心節(jié)點獲取全局ICSI，僅由各中繼節(jié)點根據(jù)本地ICSI分布式完成。中繼節(jié)點獨立計算最小系統(tǒng)功耗，自行決定是否參與協(xié)作，這就解決了由于信息交換帶來的系統(tǒng)開銷；同時由于中繼選擇算法由各中繼節(jié)點分擔，因此很大程度上解決了集中式機制下中心節(jié)點處運算量過大、硬件要求較高的問題，便于實際應(yīng)用。

結(jié)論

本文針對多中繼PLC下行協(xié)作NOMA傳輸網(wǎng)絡(luò)，首先提出了基于最大加權(quán)調(diào)和平均的分布式機會中繼選擇方案，能夠在滿足目的節(jié)點QoS要求的同時最小化系統(tǒng)功耗。然后分別分析了DF和AF協(xié)議下的系統(tǒng)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(jié)點排序進行了優(yōu)化設(shè)計和對功率分配系數(shù)進行了自適應(yīng)調(diào)整，能夠更好地適應(yīng)時變的電力線信道，使得系統(tǒng)獲得更優(yōu)的系統(tǒng)性能。

另一方面，本文DF方案根據(jù)ICSI進行了兩次功率分配系數(shù)動態(tài)調(diào)整，功率分配更為合理，能夠獲得比AF方案更高的系統(tǒng)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(jié)點僅根據(jù)本地ICSI自行決定是否參與數(shù)據(jù)的協(xié)作傳輸，能夠節(jié)約用于ICSI反饋的信令開銷，并且對單個節(jié)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(xié)作非正交多址接入系統(tǒng)的分布式機會中繼選擇[J]. 電工技術(shù)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.