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5G移动网络非正交多址接入及相关技术研究

杨正  
【摘要】:物联网和移动互联网的迅猛发展给第五代(5G)移动通信研究提出了诸多挑战,比如更高的传输速率、更低的时延、更高的连接密度等。基于功率域复用的非正交多址接入(PD-NOMA)和基于码域复用的稀疏码多址接入(SCMA))被认为是5G移动通信系统多址接入方式的两个最重要候选技术。本论文分别研究了不同5G场景下,PD-NOMA和SCMA的中断概率和平均速率性能,得到了一些闭合表达式和相关近似结果表达式,对PD-NOMA和SCMA的系统设计以及系统参数优化具有重要指导意义。首先,提出了一种提高用户公平性的PD-NOMA功率分配方案,可以更灵活地满足不同用户服务质量(QoS)需求。进而得到了该方案的中断概率与平均速率的精确表达式及其在高信噪比条件下的近似值。与基于固定功率分配的PD-NOMA和认知无线电启发式PD-NOMA相比,该方案可以严格保证其中断概率和平均和速率性能同时优于传统的正交多址接入(OMA)。通过该方案,系统吞吐量和不同用户间公平性可以实现更加灵活地折中。其次,研究了一个源端通过一个瞬时无线信息和功率传输(SWIPT)的中继来服务两个用户的协作模型。通过分析固定功率分配PD-NOMA(F-NOMA)和认知无线电启发式PD-NOMA(CR-NOMA)的性能,分别得到了相应的中断概率闭合表达式以及高信噪比条件下的近似值。分析结果表明,这两种功率分配策略都可以实现接收可靠性、用户公平性以及系统复杂度之间的折中关系,在保证与SWIPT中继网络OMA实现相同分集增益的基础上可以有效地减小中断概率。接着,假定用户在单小区内均匀分布,研究了仅已知部分信道状态信息(CSI)条件下的下行PD-NOMA系统的性能。对于基于信道估计误差模型的非理想CSI,得到了PD-NOMA系统的中断概率与平均和速率以及高信噪比条件下的近似表达式。对于基于二阶统计(SOS)的PD-NOMA模型,分别得到了中断概率的闭合表达式以及两用户情况下的近似平均和速率表达式。对于这两种典型的部分CSI下的PD-NOMA场景,PD-NOMA的性能均优于传统的OMA,而且基于SOS的PD-NOMA系统性能优于基于非理想CSI的PD-NOMA系统。特别地,在低信噪比区域,基于SOS的PD-NOMA系统可以获得与理想CSI的PD-NOMA系统类似的性能。再次,研究了用户位置在六边形小区内随机部署的上行SCMA系统的平均和速率,分析结果表明,SCMA系统的平均和速率优于OFDMA系统。假定所有用户相对基站的距离固定但不一定相同,研究了因子图矩阵对上行SCMA系统平均和速率的影响。结果表明,当正交资源分配给相邻用户时,可以得至JSCMA系统最优遍历和速率。同时也提出了一个低复杂度的迭代算法来设计最优的SCMA因子图矩阵。最后,假定基站在圆盘内均匀分布,研究了云无线接入网络(C-RAN)。利用高斯切比雪夫积分获得了C-RAN系统的中断概率和遍历容量的近似结果,该结果比已有的分析结果更精确。另外,论文还研究了一个认知无线电协作网络模型,它包括一个主用户、一对认知发射—接收机和一个能量收集中继,其中中继是从所观测的无线电频率上获取能量。得到了基于SWIPT认知无线电协作网络的中断概率及高信噪比条件下的近似值。分析结果表明,运用SWIPT可以获得与传统认知无线电网络相同的分集增益。


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