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非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)作为实现5G无线通信网络超高频谱效率和大连接的一种高价值技术手段,受到业界的广泛关注。不同于传统的正交多址接入(orthogonal multiple access,OMA)技术,功率域的NOMA技术通过在发送端对不同信号进行叠加编码(superposition coding,SC)并在接收端以连续干扰消除(successive interference cancellation,SIC)的方式有效抑制多接入干扰,在容纳更多接入用户的同时,显著提高了网络的频谱效率和带宽使用的灵活性。本文围绕NOMA技术及其应用进行了深入研究,综合考虑波束成形、功率分配、多用户公平性等多个影响因素,研究了无线携能通信系统、D2D通信系统、安全广播通信系统和移动边缘计算(mobile edge computation,MEC)通信系统中的NOMA技术。具体的研究内容和主要贡献如下:1、针对基于NOMA的无线携能通信系统中能耗问题,提出一种满足NOMA用户服务质量(quality of service,Qo S)要求和功率约束,以能量发送端能耗最小为目标的设计方案。能量受限的全双工无线设备收集来自能量发送端和回环信道的无线信号能量,发送经叠加编码的信号给下行用户。通过能量波束成形和信息波束成形的联合优化,抑制同频传输的能量信号对用户接收信息的干扰,实现能量发送端能耗最小化。本文通过半正定松弛(semi-definition relaxion,SDR)的方法得到该非凸优化问题的最优解,并通过最优解秩为1的证明保证了SDR的紧性。此外,本文还提出了一种具有低复杂度的次优波束成形设计算法,并通过拉格朗日对偶方法给出了基于干扰置零次优算法的闭式解。仿真结果表明,本文所设计的方案中无线供能端比OMA方案具有更低的发射功率。2、针对小蜂窝内的D2D通信,提出一种基于NOMA用户Qo S和公平性要求的预编码设计方案。在给定译码顺序的条件下,结合用户公平性考虑,每个普通用户都可以采用SIC译码信息,通过优化设计多天线信息收发用户的预编码,采用分式规划和迭代算法实现指定用户信息可达速率最大化。同时提出了基于奇异值分解(singular value decomposition,SVD)的预编码次优设计算法,降低了算法的计算复杂度。仿真结果表明,本文提出的基于NOMA的D2D预编码设计方案比常规时分多址接入(time division multiple access,TDMA)方案具有更高的可达速率和通信效率。3、针对多用户的下行广播链路中单播信号安全高效传输的问题,提出了NOMA辅助的单播安全传输方案。多天线基站将多播信号发送给各用户的同时叠加发送单播信号给特定用户。各用户均可采用SIC译码,先译码多播信号后译码单播信号,此时其他用户就是单播信号的潜在窃听者。满足各用户接收多播信息的Qo S要求和基站发送功率约束,通过联合优化设计基站多播信息发送波束成形和单播信息的发送波束成形,实现单播信号可达安全速率最大。该设计建模的数学化问题是非凸的且难于求解。为此,本文提出分两步对两个子问题进行优化的解决方案。首先给定最大单播信息窃听信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR),采用SDR方法通过联合优化此时的多播信息和单播信息发送波束,得到满足各用户多播信号Qo S和功率约束的单播信息的最大安全SINR。再对最大单播信息窃听SINR进行一维搜索,采用迭代的方法获得单播信息最大可达安全速率。最后根据对SDR紧性的证明,得到单播信息最大可达安全速率下的基站端最优的多播信息和单播信息波束成形设计方案。此外,本文还提出了具有低复杂度的两种波束成形设计的次优算法,即窃听迫零(zero forcing,ZF)算法和最大比传输(maximal ratio transmission,MRT)算法。仿真结果表明,本文所提的最优算法和次优算法可以获得更高效的传输性能。4、针对存在窃听的MEC系统中用户计算任务安全卸载和能耗的问题,提出了一个包含MEC服务器的接入点、多个卸载用户和一个信道状态信息未知的窃听者的上行NOMA的MEC系统,各用户可以利用同一通信资源块将部分计算任务同时卸载至接入点,并将安全中断概率作为衡量存在窃听情况下计算任务安全卸载的性能指标。基于安全卸载速率、计算时延和安全中断概率约束,联合优化各用户本地计算任务量、卸载任务功率分配、码字传输速率和私密信息速率,以实现用户加权能量和最小的优化目标。结合实际,利用先进的优化方法,给出了这一非凸优化问题的半闭式解。最后将提出的安全部分卸载的NOMA-MEC方案与安全全部卸载的NOMA-MEC方案、以及安全部分卸载的OMA-MEC方案进行了能耗的对比,本文提出的设计方案能够获得更低的用户卸载总能耗。