随着移动通信技术越发成熟,智能家居、高端设备、超高清视频等的应用得到了越来越广泛的普及,对下一个移动通信时代也带来了更大的挑战。新型应用的兴起要求更高质量的服务,比如数据传输速率的加快、数据传输时延的降低等。因此,对第五代移动通信系统(The Fifth Generation Mobile Communications System,5G)的研究需要有更大的技术革新。总的来说,对5G的要求概括为以下几点:1)1000x的容量提升;2)1000亿+的设备接入保障;3)高于10GB/s的速度;4)1ms以下的时延。在5G研发的推动阶段,中继技术起着举足轻重的地位。中继技术将两个通信端之间的长距离进行切割,节省了支撑信息传输的能源,并可以确保通信的可靠性。另外,无线中继通信网络由于中继节点的加入,可以分担基站的负荷并减小基站的建设成本,同时也可以提高中继网络的频谱利用率。为了支持5G时代海量的业务接入量,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术由于其支持不同用户共享同一无线资源的特点而受到了广泛的关注,并成为了面向5G的多址接入候选技术之一。在第一代移动通信系统(The First Generation Mobile Communications System,1G)、第二代移动通信系统(The Second Generation Mobile Communications System,2G)、第三代移动通信系统(The Third Generation Mobile Communications System,3G)、以及第四代移动通信系统(The Fourth Generation Mobile Communications System,4G)中都使用正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术。但是,同一个时域资源、频域资源、码域资源只能用于一个用户,因此导致了较低的资源利用率。NOMA技术克服了这个难题,其基本思想是功率复用方式。NOMA技术的具体实现方式是:在发送端,不同的用户基于不同的地理位置对应不同的信道状态信息(Channel State Information,CSI),基站根据CSI的差异给用户分配不同的发送功率,并将其作为系数进行多用户信息的叠加。基于NOMA技术,基站给CSI强的用户分配较小的发送功率,给CSI弱的用户分配较大的发送功率,这样多个用户在可以实现用户公平性的基础上还可以一定程度地提高频谱效率。在接收端,被叠加的用户信息需要采用干扰消除技术进行检测和分离。本文使用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术用来区分用户信息。基于对5G需求以及无线中继网络研究现状的考虑,本文将NOMA技术应用于无线中继通信网络中,并结合中继协议的选取、信道状态信息的估计、用户数量的衡量等方面做了一些研究,主要贡献包括:1.传统的单向和双向中继无线通信网络由于其各自独特的优势被应用在不同的网络场景中。本文分别对单向和双向中继网络展开了研究。针对常见的中继转发协议:放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和解码转发(Decodeand-Forward,DF)协议,本文将这两种中继转发协议分别应用于双向和单向中继无线网络中来更好地了解不同中继协议的利弊。同时,考虑到实际网络场景中CSI的时变性,本文分别假设了完美信道状态信息(Perfect Channel State Information,PCSI)和不完美信道状态信息(Imperfect Channel State Information,ICSI)的情况。对比结果证实了信道估计误差对网络性能会造成负面影响。另外,本文将系统中断概率作为指标来分析网络性能,同时使用不同的优化算法来提升系统的性能,并在仿真结果中得到了验证。2.将NOMA技术应用于无线中继通信网络中,研究了在PCSI的情况下两种不同网络场景的性能。第一种场景是在一个下行的中继无线通信网络中,由于受信道衰落、多重障碍物等的影响,基站无法与用户直接通信。中继节点作为桥梁建立起基站与用户端的信息交互。第二种场景也是一个下行的中继无线通信网络中。但是,由于小区面积的限制,基站与小区边缘用户的距离限定在一个可行值,基站不需要中继节点的搭桥就可以直接与用户端进行通信。另外,由于中继技术高频谱效率、节约能源的优势,第二种场景同时考虑直接通信链路和借助中继节点的中继通信链路,即协作中继无线通信网络。最后,本文分别通过中断性能和遍历和速率来估计系统性能。仿真结果验证了理论分析的正确性,同时表明了NOMA技术在实现用户公平性以及提升网络容量方面的优越性。3.将NOMA技术应用于无线中继通信网络中,研究了由于信道估计误差的存在,ICSI对于不同网络场景性能的影响。本文主要讨论了以下两种场景。在第一种场景中,假设小区覆盖率无限大且持续增大,并且小区内所有的用户具有相同的服务优先级。第一种场景采用混合算法将用户分为不同的用户组,在用户组间应用OMA技术,在用户组内应用NOMA技术。在第二种场景中,用户不再具有服务公平性,而是根据特定的紧急情况划分了不同的服务优先级。NOMA技术在允许所有用户共同服务的同时先保证服务优先级高的用户的服务质量,然后再最优化其他用户的服务质量。仿真结果表明,相比于OMA技术,NOMA技术在用户依据信道状态信息排序和依据其服务质量排序的网络中都有助于系统获得更好的性能。通过本论文的研究,更加深了对无线中继通信网络的认识。另外,通过将NOMA技术应用于不同的网络场景,验证了NOMA技术的优越性。