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5G(The Fifth Generation,第五代)移动网络有望在若干关键性能指标方面取得显著的提升,其中低时延是被众多新兴的物联网业务(例如远程手术、增强现实、触觉互联网和车联网)所迫切需要的。NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access,非正交多址接入)技术能提供高频谱效率、低时延和高连接密度,已被广泛认为是一种有希望支持5G的技术。NOMA可以允许多个用户在相同的频率和时间无线资源上同时发送信号,然后在接收端通过先进MUD(Multi-User Detection,多用户检测)来区分多个用户的信号。目前,学术界和工业界提出了多种候选NOMA技术,例如PD-NOMA(Power-Domain NOMA,功率域NOMA)、PDMA(Pattern Division Multiple Access,图样分割多址接入)和SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏码多址接入)。为了确保可靠的低时延通信,可以通过MIMC(Multiple-Input and Multiple-Output,多输入多输出)、先进调制编码和FD(Full-Duplex,全双工)技术来增强NOMA。一般来说,接入用户信号的非正交叠加和免调度可以减少接入时延,MIMO和FD可以通过提升频谱效率来缩短传输时延,先进调制编码和低复杂度的MUD可以降低处理时延。本文研究了NOMA的设计和增强来保证上行链路的低时延。为了适应物联网业务的特性,研究了接入用户数巨大、用户发送天线数少、阴影衰落和非完美CSI(Channel State Information,信道状态信息)对上行NOMA的影响。同时,针对物联网业务的短数据包特点,利用新提出的FBL(Finite BlockLength,有限编码块长度)信息理论分析和评估了所提方案的有效性。本文的主要贡献概括如下。1.提出了一种新型多载波NOMA技术RIePDMA(Random Interleaver enhanced PDMA,随机交织器增强的PDMA),通过在上行PDMA中加入随机交织器实现。利用所提出的BP-IDD-IC(Iterative Detection and Decoding based on Belief Propagation and Interference Cancellation,基于置信传播和干扰消除的迭代检测和解码),可以进一步提高系统过载因子和可靠性。仿真结果表明,RIePDMA和BP-IDD-IC可以在不显著增加复杂度的情况下获得更高的可靠性。同时,自适应的BP-IDD-IC可以通过较少的迭代次数来降低处理时延,在高SNR(Signal-to-Noise Ratio,信噪比)区域中效果更明显。2.提出了可用于MU-MIMO(Multi-User MIMO,多用户MIMO)NOMA的速率分割算法和SIC(Successive Interference Cancellation,串行干扰消除)检测,可以最小化用户的最大传输时延。首先,本文推导了MMSE-SIC(Minimum Mean Square Error SIC,最小均方误差SIC)和MRC-SIC(Maximal-Ratio Combining,最大比合并SIC)检测的可达数据速率,并适配MMSE-SIC和MRC-SIC设计了对应的速率分割算法。此外,为了降低检测的复杂度和时延,可采用分组SIC和两层MRC-SIC检测来大幅降低SIC次数。数值结果验证了采用速率分割的MU-MIMO NOMA可以有效地缩短传输时延和处理时延。3.首次提出了FD-SCMA(SCMA enhanced FD,SCMA增强的FD技术),可以支持上行和下行短数据包同时传输。利用FBL信息理论,本文推导出了不完全SIS(Self-Interference Suppression,自干扰抑制)时FD-SCMA在给定的传输时延下的错误概率,并从理论上证明了在时不变平坦衰落信道中FD-SCMA可以获得比现有的SCMA和FD方案更低的传输时延。此外,在时不变频率选择性衰落信道中,本文推导出了FD-SCMA错误概率的上界,并通过理论计算和蒙特卡罗仿真验证了FD-SCMA的低传输时延。4.研究了新出现的大规模MU-MIMO NOMA在完美和非完美CSI情况下的低时延传输。假设用户的随机部署服从均匀分布并遭遇服从对数正态分布的阴影衰落,本文推导出了有效SNR的概率密度函数,并利用FBL信息理论计算了给定传输时延下的错误概率。此外,本文可以通过黄金分割搜索方法来优化导频长度从而使错误概率最小。数值结果验证了即使用户遇到较严重的阴影衰落,大规模MU-MIMO NOMA也可以支持大量接入用户的低时延传输。总体而言,使用先进MUD的NOMA通过交织器、MIMO和FD技术的增强,可以从接入时延、传输时延和处理时延这三个方面显著降低时延,从而有效地保障低时延短数据包传输。