第1章 引言

1.1 研究背景

1.1.1 多址接入技术

多址技术是无线通信演进的基础技术，它的突破促进了移动通信系统的升级换代[1]。前四代的移动通信系统均基于正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）技术[2]，如图1-1所示。

图1-1 移动通信系统中的多址接入技术革新

第一代移动通信系统（The First Generation Mobile Communication System，1G）采用的是频分多址接入（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术，FDMA将通信频段分成相互正交的子频段，再将不同的子频段分配给不同的用户，每个用户占用其中的一个子频段。

随着数字移动系统的到来，第二代移动通信系统（The Second Generation Mobile Com-munication System，2G）引入时间维度作为通信资源，被称为时分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）技术。在TDMA中，每个用户被分配在一定的时隙中传输数据，不同用户之间共享相同的频谱资源，这样就提高了频谱的利用率，在接收端，每个用户通过信令选择使用的帧，解调出自己的数据信息。TDMA接收机的复杂度随着数据速率、调制阶数及天线数目的增加而增加。

第三代移动通信系统（The Third Generation Mobile Communication System，3G）采用码分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）技术。CDMA提出信道共享的概念，非常适合进行宽带网络（Wideband CDMA，WCDMA）的部署。在WCDMA中，通过给用户分配扩频码来扩展发送信号的带宽，为图像、音乐、视频等多媒体服务提供了一定的基础支持。WCDMA技术处理的复杂度也是随着数据速率的增加而增加，这就造成WCDMA扩展的宽度需要更大的处理增益来提高路径间干扰的抑制能力。

为了进一步满足更多用户的接入和提高频谱效率，第四代移动通信系统（The Forth Generation Mobile Communication System，4G）采用正交频分多址接入（Orthogonal Frequen-cy Division Multiple Access，OFDMA）技术，并继续使用信道共享技术[3]，给不同的用户分配不同的子载波，子载波之间满足相互正交的关系，这样有利于提高频谱的利用率和系统的抗多径干扰能力。OFDMA技术通过利用时隙和频带子载波，能够保持灵活的资源配置，并能够使可利用的信道带宽在期望值的范围之内。由于使用循环前缀和频谱域信号处理，接收端的复杂度是可控的。

1G到4G均采用OMA的方式，例如TDMA、FDMA和CDMA，正交的资源分配到每个用户以避免用户间干扰。即一个正交资源只允许分配给一个用户，不同用户之间不会产生干扰。但是这种方式严重地限制了小区的吞吐量和设备连接的数量。随着物联网（Internet-of-Things，IoT）和移动互联网的快速发展，有限的频谱资源和不断增加的系统容量需求之间的矛盾日益突出，OMA受到频谱效率与接入能力的限制，难以满足未来移动通信应用多样化的需求[4]。因此，面向5G的非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术引起学术界和工业界的广泛关注[5]。在NOMA系统中，不同用户允许通过功率复用使用相同的资源，如时隙和频谱。NOMA通过迭代编码发送新信息，在接收端利用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技术消除资源共享产生的干扰。NOMA的一些技术已经被第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）采纳为标准，例如多用户迭代传输（Multiuser Superposition Transmission，MUST）、大规模机器通信（Massive Machine Type Communication，MMTC）。

1.1.2 5G技术

第五代移动通信系统（The Fifth Generation Mobile Communication System，5G）作为新一代的移动通信技术不仅能够加快用户移动上网速度，更能促进物联网和工业互联网的发展，是未来移动通信市场的重要增长点，具有很大的实用价值和经济价值。5G有以下三个基础特点：第一，更高的传输速率，峰值速率可达到20Gbit/s；第二，高可靠性，更低时延，最低延迟时间为1ms；第三，高容量，海量物与物之间的连接数量，在1km的范围内，不仅能让超过100万台的物联网设备连接到网络，还能让每台设备的传输速度达到100Mbit/s。

在全球关于5G技术的研究进展中，各地组织及研究机构通过不同的途径在5G技术研究方面取得了一定的进展，朝着5G终端形态的多元化、融合化以及应用场景的网络化、智能化的目标不断前进。为了实现较高的峰值速率和频谱效率，包含大规模多输入多输出（Multiple-Input-Multiple-Out，MIMO）、毫米波（Millimeter Wave，mmWave）、移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）、新型多载波调制、无线能量收集（Wireless Energy Harvesting，WEH）、全双工、多址接入等在内的技术能够满足5G的发展需求[6，7]。而多址技术中的NOMA技术能利用广域覆盖的远近效应解决小区边缘用户容量受限的问题，获得比OMA更高的容量增益。因此，NOMA凭借其巨大的研究价值和实用价值，成为目前研究的重点并被广泛应用于不同的移动通信场景中。另外，现有的研究大部分集中于理想硬件或者理想信道状态信息下，在实际系统中，硬件或者信号传输的信道并不是完美的，考虑硬件损伤和信道估计误差对系统性能的影响，为实际的系统设计及性能分析打下一定的理论基础，使NOMA的大规模商用有望达成。通过研究多址接入技术中的NOMA技术，为多址技术的进一步发展提供一定的理论参考，有助于推动5G快速发展。