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为了满足第五代(5th Generation, 5G)移动通信系统提出的连接数密度、峰值速率和时延等指标,电信科学技术研究院提出了一种新型的非正交多址接入机制——图样分割多址接入(Pattern Division Multiple Access,PDMA)。PDMA技术的基本思想是基于发送端和接收端的联合设计,发送端将多个用户的信号通过图样映射到相同的时域、频域和空域资源进行复用传输;接收端采用广义串行干扰删除(General Successive Interference Cancellation,GSIC)算法进行多用户检测,逼近多用户信道的容量边界。目前,PDMA技术正在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)中积极讨论,并且已被国际电信联盟写入未来技术趋势的研究报告中,被认为是5G系统的关键技术之一。然而,在从理论研究向5G系统实用化的重要转折时期,PDMA技术仍然面临诸多挑战。在理论研究方面,PDMA图样矩阵的理论性能分析尚不完善,缺乏发送端和接收端联合优化的准最优PDMA图样矩阵设计方法;在面向5G系统的实际应用过程中,缺乏工程可实现的高性能低复杂度检测算法和链路性能估计算法,缺乏支持海量用户连接的5G空口传输方案。本文着眼于PDMA面向5G应用的关键技术,特别是针对上述提到的问题展开以下四个方面的研究。一、研究发送端的PDMA图样矩阵设计方案。具体研究内容包括三个方面:第一,针对5G大连接场景,提出了相关系数模值平方和(Sum Squared Correlation,SSC)最小化准则的图样矩阵设计方案;第二,针对5G增强移动宽带场景,提出了星座受限容量(Constellation Constrained-Capacity,CC-Capacity)最大化准则的图样矩阵设计方案;第三,通过针对PDMA图样矩阵的性能分析和数值仿真结果,验证了所设计的图样矩阵在复杂度受限条件下取得良好的性能。二、研究接收端的PDMA高性能低复杂度的检测算法。具体研究内容包括两个方面:第一,针对退化的PDMA上行结合大规模天线系统,提出了一种基于特征值分解的最小均方误差-干扰抑制合并(Minimum Mean-Square Error-Interference Rejection Combining,MMSE-IRC)检测算法,在与传统MMSE-IRC检测算法取得相同性能条件下有效地降低复杂度;第二,针对常规PDMA上行系统,研究了能够获取编码增益和分集增益的置信传播-迭代检测和译码(Belief Propagation-Iterative Detection and Decoding, BP-IDD)算法。数值分析和仿真结果验证了本文所设计的检测算法能够取得检测性能和复杂度的良好折中。三、研究PDMA链路性能估计算法。针对采用BP-IDD接收机的PDMA系统,提出了一种采用理想干扰删除(Genie-aided Interference Cancellation,GIC)接收机和单一拟合参数βo来估计链路信干噪比性能的算法。数值分析和仿真结果说明,新算法取得了高于传统链路性能估计算法的估计精度,并且对不同的配置参数具有鲁棒性。四、设计面向5G的PDMA空口传输方案。具体研究内容包括两部分:第一,针对5G上行大连接场景,提出了 PDMA上行免调度的总体解决方案;第二,针对5G下行增强移动宽带场景,提出了全带宽调度和子带调度的总体解决方案。系统仿真结果表明,相对于正交多址接入技术,本文设计的方案能够在支持的用户数和频谱效率等方面取得良好的性能增益。