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从通信的发展历程可以看出,现代移动通信技术大约每十年发生一次技术革新,并且每一次技术改进都能大幅提升系统性能。目前,第5代(Fifth Generation,5G)及未来移动通信已经受到学术界和工业界的广泛关注。未来移动通信的很多典型应用场景对系统的频谱效率、连接数密度和可靠性都提出了巨大的挑战。面对未来通信系统的性能需求,本文将通过研究功率域阶数选择策略和非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术来提高系统的可靠性和频谱效率。为了融合单载波频分多址(Single Carrier-Frequency Division Multiplexing Access,SC-FDMA)和正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access,OFDMA)系统的优点,基于加权分数傅立叶变换(Weighted Fractional Fourier Transform,WFRFT)的混合载波(Hybrid Carrier,HC)系统被提出。该系统可以通过控制WFRFT的变换阶数在SC-FDMA和OFDMA系统间平滑过渡。HC信号能量具有在时-频域均匀分布的特点,同时接收端的WFRFT能够在时-频域对信道干扰做平均化处理。基于以上优点,相关研究已经证明HC系统在窄带干扰信道以及双选信道中能够取得较SC-FDMA和OFDMA更好的误比特率(Bit Error Rate,BER)性能。然而,对于HC系统的研究目前还处于初期阶段,系统的很多特性还有待研究。因此,本文将深入研究HC信号的分布特性以及HC系统的阶数选择策略。现有文献中对HC信号特征的研究都是基于仿真结果展开的,缺少相应的理论分析。本文将先从理论角度分析基带HC信号实部(虚部)概率密度函数(Probability Density Function,PDF)并得到了QPSK信号PDF的闭合表达式。通过仿真证明了该PDF理论表达式可以准确地描述HC信号的概率特性。HC信号的PDF可以为分析NOMA用户间干扰和NOMA用户的BER理论公式提供理论支持。基于HC信号PDF的理论分析,本文通过进一步的研究得到了基带HC QPSK信号峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)的互补累积分布函数(Complementary Cumulative Distribution Function,CCDF)的解析表达式。为了能够更好地描述过采样信号的PAPR分布特性,又提出了使用“调整参数”的PAPR的CCDF解析表达式。最终,得到了可以准确地描述过采样前、后信号PAPR的CCDF理论表达式。通过对PAPR特性的分析,总结出HC信号PAPR的可控性,这为HC系统的阶数选择策略提供了参考。基于HC信号PAPR的可控性,同时考虑了上行功率控制对发射功率的影响,本文提出了一种全新的HC系统阶数选择策略来改善系统的BER性能。当已知上行功率控制参数时,本文建立起了HC系统阶数选择与用户和基站距离的关系。通过仿真证明了使用该策略的HC系统能够取得比传统SC-FDMA和OFDMA系统更好的BER性能。在阶数选择策略的基础上,本文还提出了一种能够平衡系统频谱效率和覆盖范围的星座映射和阶数选择模型。该模型能够在扩大小区覆盖范围的同时,保证小区边缘用户信号传输的可靠性。然而,为了进一步提高系统的频谱效率与用户连接数,还需要引入新的多址技术。目前,在5G多址候选技术中基于功率域的NOMA是一项很有前景的技术。本文提出在HC系统中使用NOMA技术来提高系统的频谱效率和用户连接数(称作NOMA-HC系统),并且研究能够获得最大两用户和频谱效率的阶数选择方案。在实际的系统中,实现串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)处理的过程中往往会发生解码错误而引起误码传播。与此同时,不可避免地存在用户间干扰(Inter-User Interference,IUI)影响解码NOMA用户数据。因此,本文通过分析IUI的分布特性和误码传播的平均功率,对上行两用户和频谱效率的最大化问题进行建模,并求得了最优解。在上行无线传输系统中,用户随机分布在小区的不同地点,并且信号传输环境是动态变化的,上行NOMA用户信号有可能发生非理想时间同步。本文提出了一种改善非理想同步上行NOMA-HC系统BER性能的解码方案。该方案使用循环前缀(Cyclic Prefix,CP)来补偿时间异步对解码NOMA用户数据带来的影响,使用SIC相位补偿(SIC-Phase Compensation,SIC-PC)技术来提高NOMA用户的BER性能。与已有的解码方案相比,本文提出的解码方案可以显著改善非理想同步NOMA用户的BER性能。