面向5G移动通信系统的非正交多址技术研究

摘要

随着移动互联网和智能终端的快速发展，数据业务量将在短期内实现指数型增长。由于传统的多址接入技术已经无法满下一代蜂窝系统的组网需求，新型多址接入方案引发了业界的广泛讨论。其中功率域非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)是在功率域实现用户信号叠加的一种新型多址接入方案。功率域NOMA原理简单易实现，可与多天线(Multiple-input Multiple-output，MIMO)技术相结合，提升系统的频谱效率。本文针对功率域NOMA技术做了深入的研究。
　　首先，本文介绍了功率域NOMA的系统模型，将功率域NOMA与传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)在容量方面做出了对比。然后，分别阐述了图样分割多址接入(Pattern Division Multiple Access，PDMA)、多用户共享接入(Multi-User Shared Access，MUSA)和稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)的技术原理，并介绍了相应的接收机方案。功率域NOMA、PDMA、MUSA使用了串行干扰抵消(Successive Interference Cancellation，SIC)接收机。SCMA由于码本的稀疏性，采用基于消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)的接收机来恢复信号。
　　其次，本文基于功率域NOMA系统的下行链路模型提出了用户配对算法和功率分配算法。本文首先介绍了功率域NOMA的下行链路模型并对SIC接收机原理做了详细的阐述。然后在推导用户配对与系统容量增益的关系的基础上，提出了基于排序的用户配对算法。在完成用户配对后，提出了最大化信道和容量的功率分配算法和基于用户公平的功率分配算法。仿真结果表明，与已有文献中的用户配对算法相比，本文提出的两种基于排序的用户配对算法的频谱效率和检测性能均得到提高。采用最大化信道和容量的功率分配算法，可以获得理想的频谱效率，但此时误码率相对增大。采用基于用户公平的功率分配算法，在牺牲一部分频谱效率的情况下，保证了用户之间的公平性。
　　最后，本文研究了功率域NOMA系统上行链路的多用户分组和功率调度算法。本文首先针对每簇用户数大于2的情形，给出了一种新的多用户分组算法，算法的准则是扩大簇内用户信道增益的差距。然后基于该多用户分组算法，提出了利用KKT准则求取最优闭合解的功率调度算法。本文首先对最大化和容量的目标函数的凹凸性进行了证明，然后利用最大化凹函数可以用KKT准则求取最优解的定理，给出了最优功率分配的闭式解。

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摘要

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符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 传统多址接入技术

1．3 新型多址接入技术

1．4 5G关键技术

1．4．1 大规模MIMO多天线技术

1．4．2 毫米波通信技术

1．4．3 超密集组网技术

1．5 论文主要工作与内容安排

第二章 非正交多址接入方案综述

2．1 引言

2．2 功率域叠加的非正交多址接入

2．2．2 NOMA下行链路模型

2．2．3 NOMA上行链路模型

2．3 图样分割多址接入

2．3．1 基本原理

2．3．2 PDMA上行链路模型

2．3．3 PDMA下行链路模型

2．3．4 PDMA图样矩阵设计

2．3．5 PDMA接收端设计

2．4 多用户共享接入

2．5 稀疏码多址接入

2．5．1 SCMA基本原理

2．5．2 SCMA系统模型

2．5．3 SCMA接收机

2．6 本章小结

第三章 NOMA系统下行链路用户配对及功率分配算法

3．1 引言

3．2 系统模型

3．2．1 SIC解调顺序和信干噪比求解

3．2．2 检测矩阵求解

3．3 用户配对算法

3．3．1 基于用户配对的系统容量分析

3．3．2 基于排序的用户配对算法

3．4 功率分配算法

3．4．1 NOMA和OMA用户信道容量

3．4．2 最大化信道和容量的功率分配算法

3．4．3 基于用户公平性的功率分配算法

3．5 仿真结果与分析

3．5．1 仿真环境

3．5．2 用户配对对系统容量的影响

3．5．3 不同用户配对算法的检测性能和容量性能对比

3．5．4 不同功率分配下的系统性能对比

3．6 本章小结

第四章 上行NOMA多用户分组和功率调度算法

4．2．1 上行NOMA系统模型

4．2．2 优化问题描述

4．3 多用户分组算法

4．4 上行NOMA多用户功率调度算法

4．4．1 问题描述

4．4．2 Karush-Kuhn-Tucker准则

4．4．3 KKT准则求解功率分配最优值

4．5 仿真结果分析

4．5．1 仿真环境

4．5．2 上行多用户NOMA

4．5．3 下行多用户NOMA

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结及主要贡献

5．2 进一步研究方向

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文