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现阶段,科技的快速发展使得移动通信技术不断地进行更新换代,一直从最开始的第一代移动通信系统(The 1st Generation Mobile Communications System,1G)升级到现在的第四代移动通信系统(The 4th Generation Mobile Communications System,4G)。目前4G的发展方兴未艾,第五代移动通信系统5G(The 5th Generation Mobile Communications System,5G)作为未来通信的发展方向,也越来越被关注。在过去的数年间,协作中继技术由于能够提高无线链路传输可靠性增大覆盖范围,在无线通信领域已被广泛研究。在未来的5G网络,随着微蜂窝及微微蜂窝的部署应用,小区范围不断缩小,因此在网络中加入中继节点是非常有必要的。在实际的通信系统中,中继节点大都是能量有限节点,在很多情况下给节点充电或者更换电池是很不方便或者要花费很大代价的,所以如何延长通信系统的使用寿命成为一个备受关注的研究热点。此外,在能源日益短缺的今天,如何降低能源消耗也是通信行业研究的一个热点问题。于是,无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术应运而生,它是一种新兴的能量收集技术,使得能量受限节点可以同时进行能量收获和信息处理,从而延长无线网络的寿命并且提高能量利用率。另一方面,传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术将不能满足未来无线网络在系统容量和频谱利用率等方面的新需求,于是非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术作为一种新兴的多址接入技术,越来越受到人们的关注。在发射端,NOMA在同一时域、频域、码域,但在不同的功率域来叠加多个用户的信息。在接收端,通过串行干扰删除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术来进行多用户信号分离和检测。鉴于以上原因,本文致力于研究面向5G的SWIPT及NOMA技术,并将其应用于中继系统中来提高系统能量效率和频谱效率。文章针对不同的系统模型、不同的衰落模型、不同的信道状况,对系统的性能进行深入地分析及优化。本文的主要工作和贡献概括如下:1.将SWIPT技术应用于单天线多中继双向放大转发(Amplify-and-Forward,AF)中继系统中,其中中继节点是能量受限节点且自身没有能量。根据功率分流中继(Power Splitting-based Relaying,PSR)接收机协议,中继节点将第一时隙收到的信号根据功率分流比分为两部分,其中一部分用来进行能量收集,并且在第二时隙将收集到的能量作为发射功率将剩余部分信号转发到目的节点。由于功率分流比表示的是中继节点在第一时隙收集到的能量大小跟第二时隙待转发信号强度之间的一个权衡,因此在实际的系统设计中,选择合理的功率分流比尤为重要。于是,文中提出了一个最优功率分配(Optimal Power Allocation,OPA)方案,通过优化两个源节点处的发射功率及功率分流比来最小化系统中断概率,并计算出了该优化问题最优解的闭合表达式。在此基础上,文中又提出了一个联合OPA和中继选择算法来进一步提高系统性能。通过计算机仿真将OPA策略和其他三种次优功率分配策略进行比较,OPA策略的优越性得以验证。2.将SWIPT技术应用于多天线多中继译码转发(Decode-and-Forward,DF)中继系统中,提出了一个联合中继与天线选择(Joint Relay-and-Antenna Selection Scheme,JRAS)策略。在JRAS策略中,源节点处的发射天线、最优的中继节点以及该中继处的最优发射天线同时被选择来使系统的中断性能达到最优。接着,文中分析了当使用JRAS策略时系统的中断性能并求出了中断概率的准确闭合表达式,并利用计算机仿真验证了推导得到公式的正确性及JRAS策略的优越性。3.将NOMA应用于单天线单向AF中继系统中,其中基站通过中继节点同时跟多个用户进行通信。文中对系统的中断性能进行了详细分析并给出了在Nakagami-m衰落下系统中断概率的准确表达式和闭合下界。将得到的闭合下界在高信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)条件下进行近似,系统的分集增益即可得到。其次,文中对所有用户的遍历和速率进行了研究并给出该遍历和速率的上界。仿真结果表明,相比于传统的OMA,NOMA能提供更高的系统容量和用户公平性。4.将NOMA技术和多天线单向AF中继系统相结合,其中基站和用户端配备多根天线,中继节点处仅有一根天线。在第一个时隙,基站从多根天线中选出一根天线来发射信号,其中使得到中继节点瞬时SNR最大的那根天线被选择。第二时隙当用户收到信号以后,会根据最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)来处理信息。文中推导出了在瑞利(Rayleigh)衰落下中断概率的准确表达式,并进一步求出了该中断概率的近似下界及分集阶数。计算机仿真验证了理论分析结果的正确性及NOMA技术的有效性。5.考虑一个NOMA单天线单向AF中继系统,其中基站到用户端的直接链路存在,而且系统中的信道估计存在误差。针对该系统模型,文中求出了在Nakagamim衰落下系统中断概率的准确表达式、近似下界及分集阶数,同时分析了该系统所有用户的遍历和速率并推导出了该遍历和速率上界的闭合表达式。利用计算机仿真,理论分析结果的正确性得以验证。此外,仿真结果表明,当SNR足够大时,系统的中断性能将趋于一个常量,该常量称为误码平层(Error Floor,EF),这是由信道估计误差引入的且不能完全消除。