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近年来,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)因其能够显著提高频谱效率,已经成为5G通信系统中最有潜力的多址接入方式之一。NOMA系统以功率域复用的方式为处于相同时域、频域、码域资源的多个用户同时提供服务。另外,面对人们日益增长的通信网络需求,协作通信技术以能扩大网络覆盖范围、提升通信的可靠性引起广泛关注,其主要思想是用户之间通过共享彼此的天线,形成虚拟的多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)系统,从而突破传统的MIMO技术在天线尺寸等方面的限制。因此,在未来的5G通信系统中,将NOMA技术和协作通信技术结合具有重要的研究意义。目前,多天线NOMA协作中继网络研究方向主要集中在保持空间分集增益的同时减小MIMO技术带来的功耗、NOMA系统的最优功率分配算法设计、NOMA系统中更为高效的串行干扰删除(Successive Interference Cancellation,SIC)接收机的方案改进与设计等。本文主要从天线选择(Antenna Selection,AS)算法设计,联合中继和天线选择(Joint-Relay-and-Antenna-Selection,JRAS)方案设计及认知无线电NOMA(CR-NOMA)系统的性能等方面进行研究。1.针对两用户的下行MIMO NOMA系统,提出了一个致力于中断概率最小化的天线选择算法,同时研究了系统的中断性能。基于Nakagami-m衰落信道,分别推导了理想CSI和非理想CSI下中断概率的准确闭环表达式。另外,本文还推导了高信噪比下中断概率的渐近表达式和分集阶数,清晰地说明节点天线数、信道参数等和中断性能之间的关系。最后,仿真验证了理论分析的正确性和所提算法相比于Max-Min-Max和Max-Max-Max两种天线选择算法能够获得更低的中断概率。与正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术相比,NOMA能够获得更好的中断性能和用户公平。2.将认知无线电技术(Cognitive Radio,CR)和NOMA技术相结合,研究了MIMO CR-NOMA协作系统的中断性能。考虑Nakagami-m衰落环境和信道估计误差,推导了非理想CSI下MIMO CR-NOMA系统的中断概率的准确闭环表达式和渐近表达式。通过仿真验证了MIMO CR-NOMA相比于传统的MIMO NOMA系统在中断性能方面的优势。3.针对多天线多中继NOMA单向译码转发(Decode-and-Forward,DF)中继系统,提出了一种新颖的JRAS算法。该方案要求选出最好的中继的同时,在基站和用户节点分别选出最优的天线。其次,对该系统的中断性能进行了分析。考虑Nakagami-m衰落信道,分别推导了理想CSI和非理想CSI下中断概率的准确闭环表达式、渐近表达式和分集阶数。通过仿真,验证了理论分析的正确性和所提出算法相比于传统的Max-Min-Max JRAS算法能取得更好的中断性能。4.为了进一步提升系统性能,本文还研究了多天线多中继CR-NOMA协作系统。运用提出的JRAS算法,考虑信道估计误差,研究了CR-NOMA在Nakagami-m衰落信道下的性能。同时,推导了中断概率的准确闭环表达式和渐近表达式,清晰地反映了天线数、中继数和信道衰落系数对中断性能的影响。仿真结果表明,与传统的固定功率分配的NOMA(F-NOMA)系统相比,CR-NOMA系统能够获得更低的中断概率。