在未来的物联网时代,人和物均会接入网络。人与人、机器与机器以及人与机器之间都存在着通信。第五代(Fifth Generation,5G)通信系统面临如下挑战:日益增长的连接数与有限频谱资源的矛盾、毫秒级的端到端延迟以及高连接数下的用户链路级质量。故非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术应运而生,且在众多NOMA技术中稀疏码分多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术拥有最好的链路级性能。但是,目前SCMA的研究局限于较低阶次的场景,所用架构在高负载下解码复杂度指数级增加且误符号率(Symbol Error Rate,SER)较高。本文以高阶SCMA系统为研究对象,探讨其在物理实现中所面临的主要难题并提出对应的关键技术来解决,主要工作包括以下三点:(1)基于分层编码的思想,提出了一种级联SCMA的系统方案,将一个高阶SCMA系统实现问题转化为多个低阶子系统的实现问题,并构建了特定的映射模块从各个低阶子系统中恢复出原始的用户信息。本文还讨论了每个低阶子系统的码本设计原则以及与级联SCMA相对应的接收机设计方案。此外,本文对所提高阶SCMA实现方案的各项性能指标如过载因子、能量效率、误块率(Block Error Rate,BLER)以及解码复杂度与原始的SCMA以及低密度扩频(Low Density Signature,LDS)技术进行了比较与分析。多个低阶子系统使得系统参数的调节更加灵活,便于适应动态的网络环境(如多变的用户数)。(2)提出了一种基于高斯估计的迭代译码算法,在每次迭代过程中以期望和方差的传播代替置信度传播。高阶SCMA系统其解码复杂度随系统阶次呈指数级增加,这归因于目前SCMA系统的解码过程中所采用的消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA)在每次迭代过程中都遍历了解空间中所有的点。对迭代过程中各节点之间消息传递以及解空间的规律进行研究,优化解码过程,降低解码复杂度,也会给高阶SCMA的实现提供很大帮助。因此本文利用高斯分布去拟合MPA迭代流程中解空间各消息的概率分布。同时,各节点处消息的求和运算被转化为只需求得期望和方差的运算。(3)提出了一种并行的SCMA码本设计方案,并考虑用户特性和活动状态设计了码本在用户间的分配策略以及用户状态检测策略。SCMA的具体码本直接影响解码的差错概率界,而码本的获取困难也是制约高阶SCMA实现的因素之一。要获得对于每个用户来说最优的码本需要考虑不同用户的特性,而不是参照现有SCMA系统所采用的码本在用户间随机分配的方法。因此,关于SCMA码本的设计,本文将其细分为码本在用户间的分配、因子图设计、多维度星座设计。其中码本分配与因子图设计方案可以通过建立以检测复杂度或系统功耗为优化目标的凸优化问题并求解从而同时获得。关于多维度星座设计,论文提出了一种基于低阶码本生成高阶码本的方案,称为并行的SCMA系统(Parallel SCMA),目的在于控制系统的性能界。此外,实际场景中同时处于激活状态的用户数总是占接入系统总用户数的一小部分。为了进一步提升系统链路级性能并节省系统开销,论文还设计了相应方案来进行用户活动状态检测。