第1章 引言

1.1 研究背景

1.1.1 多址接入技術

多址技術是無線通信演進的基礎技術，它的突破促進了移動通信系統的升級換代[1]。前四代的移動通信系統均基于正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）技術[2]，如圖1-1所示。

第一代移動通信系統（The First Generation Mobile Communication System，1G）采用的是頻分多址接入（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技術，FDMA將通信頻段分成相互正交的子頻段，再將不同的子頻段分配給不同的用戶，每個用戶占用其中的一個子頻段。

隨著數字移動系統的到來，第二代移動通信系統（The Second Generation Mobile Com-munication System，2G）引入時間維度作為通信資源，被稱為時分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）技術。在TDMA中，每個用戶被分配在一定的時隙中傳輸數據，不同用戶之間共享相同的頻譜資源，這樣就提高了頻譜的利用率，在接收端，每個用戶通過信令選擇使用的幀，解調出自己的數據信息。TDMA接收機的復雜度隨著數據速率、調制階數及天線數目的增加而增加。

第三代移動通信系統（The Third Generation Mobile Communication System，3G）采用碼分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）技術。CDMA提出信道共享的概念，非常適合進行寬帶網絡（Wideband CDMA，WCDMA）的部署。在WCDMA中，通過給用戶分配擴頻碼來擴展發送信號的帶寬，為圖像、音樂、視頻等多媒體服務提供了一定的基礎支持。WCDMA技術處理的復雜度也是隨著數據速率的增加而增加，這就造成WCDMA擴展的寬度需要更大的處理增益來提高路徑間干擾的抑制能力。

為了進一步滿足更多用戶的接入和提高頻譜效率，第四代移動通信系統（The Forth Generation Mobile Communication System，4G）采用正交頻分多址接入（Orthogonal Frequen-cy Division Multiple Access，OFDMA）技術，并繼續使用信道共享技術[3]，給不同的用戶分配不同的子載波，子載波之間滿足相互正交的關系，這樣有利于提高頻譜的利用率和系統的抗多徑干擾能力。OFDMA技術通過利用時隙和頻帶子載波，能夠保持靈活的資源配置，并能夠使可利用的信道帶寬在期望值的范圍之內。由于使用循環前綴和頻譜域信號處理，接收端的復雜度是可控的。

1G到4G均采用OMA的方式，例如TDMA、FDMA和CDMA，正交的資源分配到每個用戶以避免用戶間干擾。即一個正交資源只允許分配給一個用戶，不同用戶之間不會產生干擾。但是這種方式嚴重地限制了小區的吞吐量和設備連接的數量。隨著物聯網（Internet-of-Things，IoT）和移動互聯網的快速發展，有限的頻譜資源和不斷增加的系統容量需求之間的矛盾日益突出，OMA受到頻譜效率與接入能力的限制，難以滿足未來移動通信應用多樣化的需求[4]。因此，面向5G的非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術引起學術界和工業界的廣泛關注[5]。在NOMA系統中，不同用戶允許通過功率復用使用相同的資源，如時隙和頻譜。NOMA通過迭代編碼發送新信息，在接收端利用串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術消除資源共享產生的干擾。NOMA的一些技術已經被第三代合作伙伴計劃（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）采納為標準，例如多用戶迭代傳輸（Multiuser Superposition Transmission，MUST）、大規模機器通信（Massive Machine Type Communication，MMTC）。

1.1.2 5G技術

第五代移動通信系統（The Fifth Generation Mobile Communication System，5G）作為新一代的移動通信技術不僅能夠加快用戶移動上網速度，更能促進物聯網和工業互聯網的發展，是未來移動通信市場的重要增長點，具有很大的實用價值和經濟價值。5G有以下三個基礎特點：第一，更高的傳輸速率，峰值速率可達到20Gbit/s；第二，高可靠性，更低時延，最低延遲時間為1ms；第三，高容量，海量物與物之間的連接數量，在1km的范圍內，不僅能讓超過100萬臺的物聯網設備連接到網絡，還能讓每臺設備的傳輸速度達到100Mbit/s。

在全球關于5G技術的研究進展中，各地組織及研究機構通過不同的途徑在5G技術研究方面取得了一定的進展，朝著5G終端形態的多元化、融合化以及應用場景的網絡化、智能化的目標不斷前進。為了實現較高的峰值速率和頻譜效率，包含大規模多輸入多輸出（Multiple-Input-Multiple-Out，MIMO）、毫米波（Millimeter Wave，mmWave）、移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）、新型多載波調制、無線能量收集（Wireless Energy Harvesting，WEH）、全雙工、多址接入等在內的技術能夠滿足5G的發展需求[6，7]。而多址技術中的NOMA技術能利用廣域覆蓋的遠近效應解決小區邊緣用戶容量受限的問題，獲得比OMA更高的容量增益。因此，NOMA憑借其巨大的研究價值和實用價值，成為目前研究的重點并被廣泛應用于不同的移動通信場景中。另外，現有的研究大部分集中于理想硬件或者理想信道狀態信息下，在實際系統中，硬件或者信號傳輸的信道并不是完美的，考慮硬件損傷和信道估計誤差對系統性能的影響，為實際的系統設計及性能分析打下一定的理論基礎，使NOMA的大規模商用有望達成。通過研究多址接入技術中的NOMA技術，為多址技術的進一步發展提供一定的理論參考，有助于推動5G快速發展。