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随着移动通信的蓬勃发展，第五代移动通信(the 5th Generation Mobile Communication， 5G)将会有更高的传输速率、更密集的连接设备数以及更低的传输时延，应用场景会更加丰富多样。为满足5G对多样化的应用场景的需求，学术界和工业界纷纷研究并采用更加先进的技术手段来进一步提高系统容量和频谱效率，其中，波形调制和多址接入技术均是物理层的关键技术。一方面，OFDM技术虽然在现有的许多通信系统中被广泛采用，然而其本身固有的高带外泄露(Out-of-Band Emission，OOBE)、对时频偏较敏感等不足制约了其进一步提高频谱效率；另一方面，在海量机器类场景(massive Machine-Type-Communications，mMTC)中若仍然采用正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)的方式，由于系统可同时连接的用户数目将会严格受限于分配的正交信道数目，那么海量、零星小数据包业务在有限时频资源上的竞争传输将会带来“信令风暴”问题以及因用户碰撞概率急剧增大而导致大量数据重传带来的时延增大问题，这将使得系统容量和传输效率大为降低。因此，研究基于滤波或加窗的非正交波形调制(Non-Orthogonal Waveform Modulation，NOWM)技术以及非正交多址接入技术(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)具有重要意义。本文针对面向5G的波形调制和多址技术，在基于非正交波形调制的多址接入技术方案及其低复杂度收发机设计方面开展相关研究：
为了同时利用NOMA和NOWM的优势，研究了基于非正交波形调制的非正交多址接入问题。具体来说，研究的是基于离散傅里叶变换扩展广义多载波(Discrete Fourier Transform Spread Generalized Multi-Carrier，DFT-S-GMC)调制的图样分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)上行传输问题。首先，分别给出了基于DFT-S-GMC的PDMA上行传输方案的时频域实现方案；其次，推导了两种实现方案中的等效信道响应矩阵和等效噪声的表达式；接着，较为全面地分析了所提结合方案DFT-S-GMC-PDMA的误块率(Block Error Rate， BLER)、复杂度、载波频率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)下的多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)及峰均比(Peak-to-Average Ratio，PAPR)等系统性能。仿真结果表明，DFT-S-GMC-PDMA可取得与DFT-S-OFDM-PDMA相比拟的性能，而复杂度仅仅增加不到3%。对不同均衡器、不同PDMA图样下的系统性能也进行了评估，几乎没有性能损失。由于对CFO的鲁棒性，与DFT-S-OFDM-PDMA相比，所提出的DFT-S-GMC-PDMA的MAI性能要好约0.5dB，即相比正交调制下的PDMA，DFT-S-GMC-PDMA方案在抗CFO方面表现更优。所提出的DFT-S-GMC-PDMA方案在系统性能和复杂度方面可取得较好的折中，更适合窄带mMTC上行传输场景中。
为了解决5G异构网络中灵活多址接入的问题，研究了基于滤波器组多载波(Filter Bank Multi-Carrier，FBMC)调制的可支持多种多址方案的统一多址传输结构。首先，通过利用滤波器组收发机的高效实现结构和可扩展矩阵变换(Scalable Matrix Transform，SMT)模块，本文提出了一种基于FBMC调制的统一多址结构——FBMC-SMT，可实现3GCDMA和4GFDMA传输的灵活复用，从而提高系统性能。作为FBMC-SMT的一个特例，评估了FBMC-CDMA的性能。仿真结果表明，当分配的码道数大于5时，16子带的FBMC-CDMA系统性能要优于传统单载波宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)系统。其次，分析了FBMC-SMT系统的信干噪比(Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio， SINR)，理论性能曲线与仿真结果匹配良好。因此，所提FBMC-SMT可作为一种统一多址结构，用以灵活聚合多种无线接入技术(Radio Access Technology，RAT)，进而满足5G及以后异构无线网络中多样化的应用需求。
为解决基于NOWM的多用户上行传输的接收机复杂度高的问题，研究了用于多用户过采样滤波器组块传输的上行链路低复杂度接收算法。通过利用DFT的特性，得到了调制矩阵的频域子带稀疏性质以及经匹配滤波后的格雷姆矩阵的块循环特性。利用上述特性，提出了一种用于衰落信道上行多用户接入中过采样滤波器组块传输的低复杂度迫零(Zero-Forcing， ZF)接收算法。在所提算法中，将原来的大维度多用户等效信道矩阵的求逆运算分解为多个DFT运算和更小尺寸的矩阵求逆运算，从而大大降低了计算复杂度。仿真结果表明，相比传统的迫零接收机，计算复杂度有显著降低，同时系统的误符号率(Symbol Error Rate，SER)性能几乎与传统的多用户ZF接收机相同。
为了同时利用NOMA和NOWM的优势，研究了基于非正交波形调制的非正交多址接入问题。具体来说，研究的是基于离散傅里叶变换扩展广义多载波(Discrete Fourier Transform Spread Generalized Multi-Carrier，DFT-S-GMC)调制的图样分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)上行传输问题。首先，分别给出了基于DFT-S-GMC的PDMA上行传输方案的时频域实现方案；其次，推导了两种实现方案中的等效信道响应矩阵和等效噪声的表达式；接着，较为全面地分析了所提结合方案DFT-S-GMC-PDMA的误块率(Block Error Rate， BLER)、复杂度、载波频率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)下的多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)及峰均比(Peak-to-Average Ratio，PAPR)等系统性能。仿真结果表明，DFT-S-GMC-PDMA可取得与DFT-S-OFDM-PDMA相比拟的性能，而复杂度仅仅增加不到3%。对不同均衡器、不同PDMA图样下的系统性能也进行了评估，几乎没有性能损失。由于对CFO的鲁棒性，与DFT-S-OFDM-PDMA相比，所提出的DFT-S-GMC-PDMA的MAI性能要好约0.5dB，即相比正交调制下的PDMA，DFT-S-GMC-PDMA方案在抗CFO方面表现更优。所提出的DFT-S-GMC-PDMA方案在系统性能和复杂度方面可取得较好的折中，更适合窄带mMTC上行传输场景中。
为了解决5G异构网络中灵活多址接入的问题，研究了基于滤波器组多载波(Filter Bank Multi-Carrier，FBMC)调制的可支持多种多址方案的统一多址传输结构。首先，通过利用滤波器组收发机的高效实现结构和可扩展矩阵变换(Scalable Matrix Transform，SMT)模块，本文提出了一种基于FBMC调制的统一多址结构——FBMC-SMT，可实现3GCDMA和4GFDMA传输的灵活复用，从而提高系统性能。作为FBMC-SMT的一个特例，评估了FBMC-CDMA的性能。仿真结果表明，当分配的码道数大于5时，16子带的FBMC-CDMA系统性能要优于传统单载波宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)系统。其次，分析了FBMC-SMT系统的信干噪比(Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio， SINR)，理论性能曲线与仿真结果匹配良好。因此，所提FBMC-SMT可作为一种统一多址结构，用以灵活聚合多种无线接入技术(Radio Access Technology，RAT)，进而满足5G及以后异构无线网络中多样化的应用需求。
为解决基于NOWM的多用户上行传输的接收机复杂度高的问题，研究了用于多用户过采样滤波器组块传输的上行链路低复杂度接收算法。通过利用DFT的特性，得到了调制矩阵的频域子带稀疏性质以及经匹配滤波后的格雷姆矩阵的块循环特性。利用上述特性，提出了一种用于衰落信道上行多用户接入中过采样滤波器组块传输的低复杂度迫零(Zero-Forcing， ZF)接收算法。在所提算法中，将原来的大维度多用户等效信道矩阵的求逆运算分解为多个DFT运算和更小尺寸的矩阵求逆运算，从而大大降低了计算复杂度。仿真结果表明，相比传统的迫零接收机，计算复杂度有显著降低，同时系统的误符号率(Symbol Error Rate，SER)性能几乎与传统的多用户ZF接收机相同。