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随着互联网和物联网日益成熟和智能无线设备逐渐普及,无线通信需求已经从原始的语音服务快速发展到多种类、高质量的多媒体服务,同时不断促进相应的无线通信技术快速发展。目前商用4G的正交多址接入技术无法支撑未来低延时、高可靠、大规模接入的通信需求。这促使新型的无线接入技术应运而生,即非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）。NOMA 技术允许多个用户共享相同的频谱资源,可支持更多用户的接入。相比于4G系统中采用正交多址接入技术给每个用户分配不同频谱资源的方式,NOMA技术可以获得更高的频谱利用率和更低的通信时延。为了进一步充分利用空间资源,NOMA技术和多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术结合得到 MIMO-NOMA 技术,使得通信系统可以获得更高的传输速率和更可靠的系统性能。因此,MIMO-NOMA技术是未来5G无线通信系统的关键技术之一。虽然MIMO-NOMA技术能够满足未来大规模接入的通信需求,但是具体实现过程中仍有很多难题没有解决。本文深入研究MIMO-NOMA技术中多用户编码方案设计和信号检测算法设计,为MIMO-NOMA技术的实现提供有效的解决方案。具体的研究工作如下:首先,针对NOMA系统,本文基于空间耦合低密度奇偶校验（Spatially-Coupled Low-Density Parity-Check,SCLDPC）码设计一种结构简单的多用户部分重复空间耦合低密度奇偶校验（Partially Repeated Spatially-Coupled Low-Density Parity-Check,PR-SCLDPC）编码方案。PR-SCLDPC码是通过对一个原始SCLDPC码的部分编码比特进行重复而得到的。由于译码过程的增量仅仅是对数似然比的合并,因此相比于原始的SCLDPC码,PR-SCLDPC码的译码复杂度几乎没有增加。同时,研究表明对数似然比的合并能够有效地对抗多用户干扰。通过优化选择重复编码比特的比例,PR-SCLDPC码的译码阈值可以逼近NOMA系统容量。仿真实验结果表明在NOMA系统中,PR-SCLDPC码能够获得比现有的图扩展SCLDPC码和并行连接SCLDPC码更好的误比特率性能。其次,目前关于MIMO-NOMA系统的大部分工作都集中于理论分析或者部分模块（如多用户发射机或多用户接收机）的设计上,很少有工作考虑设计整个MIMO-NOMA系统。因此,本文提出了一种能够获得接近容量性能和低实现复杂度的实用MIMO-NOMA系统。具体而言,首先采用由线性最小均方误差（Linear Minimum Mean-Square Error,LMMSE）检测器和消息传递译码器构成的接收机,将信号的最优恢复分解为许多分布式低复杂度的计算。然后给出接收机的渐近分析用于追踪其统计特性,并利用该分析方法设计了一种基于稀疏图的多用户码,使得该码与LMMSE检测器相匹配。研究表明,所提出的MIMO-NOMA系统可以获得距离理论系统容量0.2dB以内的译码阈值。通过仿真不同的信道负载、有限的码长、信道衰落和不完善信道估计的场景,验证了所提出的MIMO-NOMA系统的可靠性和鲁棒性,即在不同仿真条件下,所提出的系统能够获得距离系统容量2 dB以内且量级为105的误比特率性能。此外,不同于现有的预编码MIMO-NOMA系统,所提出的系统不需要瞬时信道状态信息。相比于单用户编码MIMO-NOMA系统,所提出的多用户编码方案能够获得很大的性能增益。结合其低实现复杂度的优势,所提出的系统为5G通信中MIMO-NOMA上行链路的实现提供了一种有效的解决方案。针对现有MIMO-NOMA系统的多用户编码方案鲁棒性差的问题,提出了一种多用户码的简化设计方法。一般情况下,当用户数、发射天线数以及接收天线数发生改变时,多用户编码器和相应的译码器都需要重新设计。因此,在系统参数容易变化的场景中,采用现有的多用户码设计方法会使得整个系统的实现太过于复杂。为了解决这个问题,首先,提出一种简单的多用户检测器,即对每个用户信号检测时将其他用户信号的叠加信号当作干扰处理。然后,基于对多用户检测器的外信息转移分析,提出三条用以简化多用户码设计的准则,从而应对用户数量和天线配置变化的场景。此外,当系统中存在大量用户时,每个用户需要采用一个低速率多用户码来克服严重的多用户干扰。因此,基于所提出的简化码设计准则,设计了一种低速率的多用户非规则重复累加（Irregular Repeat Accumulate,IRA）码。仿真实验结果证实了基于所提出的简化多用户码设计准则,设计好的多用户IRA码在信道负载变化场景中能够获得距离信道容量2 dB以内且量级为10-5的误比特率性能。最后,现有关于MIMO-NOMA系统的研究中均假设利用基站与用户之间的授权协议,使得基站可以准确获知用户的激活状态。然而,当系统中存在大量潜在的通信用户并且用户的激活状态随时可能改变时,基站和用户之间频繁的交互授权过程将会给整个通信系统带来巨大的延迟。因此,为了满足大规模接入通信系统的低时延和高吞吐量的需求,本文针对免除授权协议的随机接入分布式MIMO-NOMA系统,设计一种低复杂度的消息传递算法,用于同时检测用户的激活状态和用户发送的信号。基于信道矩阵所对应的因子图,设计因子图中和节点和变量节点处的消息更新函数,其中更新的消息是由用户的激活状态和用户发送的信号组成的,从而得到一种消息传递检测算法。仿真实验结果证实了所提算法能获得与用户数相关的线性复杂度,且在不同稀疏信道下仍能获得接近最优性能,即具有可靠性和鲁棒性。