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非正交多址接入理论及技术研究

郭成  
【摘要】:针对第五代移动通信三种应用场景(增强型的移动带宽、海量机器类通信、超可靠低时延通信),为了满足高系统容量、高频谱效率、海量连接以及低时延的应用需求,非正交多址技术已成为学术界与工业界共同的研究热点。第一代到第四代移动通信均采用的是正交多址接入,即每个用户相对独立地使用正交的无线资源。然而正交多址接入存在频谱效率低、连接数受限、公平性差等问题,因而无法满足未来通信场景的应用需求。随着硬件处理能力的进步,收发机有能力执行较为复杂的信号处理,这为非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)的工程实现提供了有力保障。相比于正交多址,非正交多址将多个用户的信号叠加在同一无线资源上,根据用户信道的差异性在功率域将多个用户信号区分开,尽管引入了一定的复杂度,但是可以有效的提高频谱效率、设备连接数、用户公平性等性能指标。本文主要围绕非正交多址理论以及相关技术展开了研究,从基本的单小区NOMA出发延伸到单小区协作NOMA;在引入能量收集(Energy Harvesting,EH)/全双工(Full Duplex,FD)技术的同时,将单小区NOMA扩展为多小区NOMA;并且研究了协作NOMA的物理层安全问题。具体包括:基于计算转发(Compute and Forward,CF)的上行链路NOMA研究,基于能量收集及全双工中继的协作NOMA研究,协作NOMA系统的物理层安全研究以及基于能量收集的多小区协作NOMA研究。本文的主要贡献如下:1.针对基于串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)的上行链路NOMA(SIC-NOMA)解码存在的问题。首先,本文分析了SIC-NOMA的解码性能,然后通过将CF的思想引入到NOMA,提出了一种基于CF的上行链路NOMA(CF-NOMA)。其次,研究了 SIC-NOMA与CF-NOMA之间关系:SIC-NOMA只能在多址接入信道容量区域上取到两点的Pareto最优解,而CF-NOMA可以取到更多的Pareto最优解,SIC-NOMA可视为CF-NOMA的特例,CF-NOMA利用这些更多的选择可以提高用户公平性以及平均中断概率。再次,通过算法给出了如何选择合适的高斯整数系数取到更多的Pareto最优解。最后,通过仿真对比验证了 CF-NOMA比SIC-NOMA可以获得更高的公平性以及更小的平均中断概率。2.针对协作NOMA网络存在的问题:中继用户能量受限以及半双工中继带来的速率损失,本文在考虑协作NOMA网络的基础上,研究了基于EH和FD中继的协作NOMA系统(EH-FD-NOMA)及其传输机制,推导出了用户的中断概率以及遍历速率,通过仿真验证了理论分析的正确性以及EH-FD-NOMA相比EH-FD-OMA在中断概率、遍历速率以及Jain公平性方面的优势。3.针对协作NOMA网络存在的安全问题:窃听者可能会截获基站或是中继用户的发送信息,本文在协作NOMA网络基础上,引入了窃听者节点,研究了基于EH-FD-NOM A系统的物理层安全,推导出了系统的加密中断概率和遍历加密速率,通过仿真验证了理论分析的正确性及EH-FD-NOM A相比EH-FD-OM A在遍历加密速率和加密中断概率方面的优势。4.针对多小区NOMA网络存在的问题:小区间干扰更为严重导致小区边缘用户的速率下降甚至通信中断,本文在单小区NOMA网络基础上,研究了基于能量收集的多小区协作NOMA系统,利用随机几何分析了用户的覆盖概率和遍历速率以及系统的能量效率,通过仿真验证了理论分析的正确性以及基于能量收集的多小区协助NOMA相比OMA在遍历速率、中断概率以及能量效率方面的优势。


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