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异构网(heterogeneous networks,HetNets)是5G网络的关键技术之一,在提高系统容量的同时缓解了热点区域数据业务激增的问题。但是,随着上行数据流量的暴增HetNets也迎来了新的挑战,用户级联就是首要解决的关键问题。因此,为了有效的提升更高的传输速率和频谱效率,本论文针对5G HetNets上行链路(uplink,UL)和下行链路(downlink,DL)解耦级联(decoupled UL and DL association,DUDA)方案进行了研究。主要研究工作如下:首先,面向三层HetNets提出跨层DC-DUDA方案。用户设备的DL或UL同时与位于不同层的主基站(primary base station,P-BS)和从基站(secondary base station,S-BS)跨层级联,并且DL的接入基站与UL的不同。结合DUDA技术,DL沿用传统的最大平均接收信号功率(received signal power,RSP)接入策略,UL根据最小路径损耗级联到最近的基站。利用随机几何方法获得了网络的级联概率和覆盖概率,研究发现DUDA和跨层DC的结合提高了网络的覆盖概率。其次,联合双连接(dual-connectivity,DC)和DUDA技术对两层HetNets进行了分析。其中DC技术允许用户的UL或是DL同时与两个基站级联,从而实现频谱聚合。该技术不仅可以从宏小区(macro cell,MCell)中卸载流量,而且还使控制平面和用户平面分离以提高网络吞吐量。另一方面,利用DUDA技术允许用户设备的UL和DL分别以不同的级联方式接入到不同基站。研究表明该方案相较于传统的耦合级联可以很好地解决UL和DL的负载不平衡问题。最后,针对HetNets中的频谱受限问题,在DC-DUDA方案中引用非正交多接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术,克服了双接入技术中正交信道约束,总带宽由P-BS和S-BS链路共享从而获得更高的频谱效率。其次,在NOMA中采用了连续干扰消除(successive interference cancellation,SIC)技术消除干扰。为了比较分析,同时对正交多接入(orthogonal multiple access,OMA)方案进行了研究。仿真表明DUDA平均覆盖概率优于耦合级联的平均覆盖概率,NOMA P-BS的频谱效率优于OMA P-BS的频谱效率。研究发现不仅获得了较高的传输速率,而且获得了较高的频谱效率。