摘要：在无线电资源日渐匮乏且费用昂贵的背景下,随着移动终端的爆发式增长和物联网的快速兴起,下一代无线通信网...在无线电资源日渐匮乏且费用昂贵的背景下,随着移动终端的爆发式增长和物联网的快速兴起,下一代无线通信网络对高频谱效率呈现出迫切的需求。然而,在不断提高频谱效率以满足高速增长的移动业务需求的同时,信息与通信技术(Information and Communication Technologies,ICT)行业的能量消耗问题日益突出。最新的报告指出,目前信息与通信技术行业已经贡献了全球将近10%的能源消耗。可以预见,随着通信设备数量的持续增长,未来信息与通信技术产业的耗能问题将会进一步加剧。因此,研制兼顾频谱效率和能量效率的新型无线传输技术势在必行。传统多输入多输出(Multiple-Input Multiple-output,MIMO)技术在配置大规模天线情况下可以获得相当高的频谱效率,但是大量的射频链路带来巨大的功率损耗致使系统能量效率急剧下降。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)具有频谱效率高的优点,但是对多普勒引起的子载波间干扰特别敏感,且存在峰均比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)过高的问题。因此,迫切需要新型的调制技术用于解决上述问题。最近出现的索引调制技术依靠一些传输媒介的索引携带附加比特信息,成为下一代无线通信系统的优势候选方案。其中,空域调制(Spatial Modulation,SM)依靠激活天线的选择实现附加信息的承载,可以在频谱效率和和能量效率之间取得理想的折中。另外,OFDM索引调制(OFDM with Index Modulation,OFDM-IM)技术利用子载波的激活状态携带附加信息以提升频谱效率和能量效率,并借助空子载波缓解峰均比问题及减少子载波间干扰。近几年,由于非正交系统在频谱效率和能量效率方面具有超越传统正交系统的潜力,其理念引起学术界和工业界极大的研究兴趣。传统的单载波均衡(Single-Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)系统以正交的方式实现导频与数据的复用,但需要专门给导频分配额外的频谱资源,进而降低频谱效率和传输速率。为了提高SC-FDE系统的频谱效率,新提出的频域导频复用技术(Frequency Domain Pilot Multiplexing Technique,FDPMT)以非正交的方式将数据叠加在导频位置上。相关文献证明,FDPMT可以获得与正交技术如频域扩展技术(Frequency Expanding Technique,FET)相近的误码性能,而且具有更高的频谱效率和能量效率。另一方面,非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术由于具有扩大连接数量、提升频谱效率、平衡用户公平性及支持多样化业务等优点,在下一代无线通信网络中展现出广阔的发展前景。本文的主要工作概括如下:1)本文基于确定性序贯蒙特·卡罗(Deterministic Sequential Monte Carlo,DSMC)理论提出两种低复杂度算法,均用于广义空间调制(Generalized SM,GSM)系统的符号解调。第一种解调算法以传统的串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)为内核,在每根天线上实施扩展星座点采样,适用于超定GSM系统。第二种解调算法分两个阶段进行,其中第一阶段基于正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)框架,适用于欠定GSM系统。在DSMC采样过程中,两种解调算法实现的关键在于采用在线方式剔除不合法的样本点。两种算法不但可获得近似最优的性能,而且它们的解调复杂度随发送天线数量呈线性增长。另外,两种算法均具有软输入软输出特性,非常适合作为编码GSM系统下迭代接收机的软解调。2)本文提出一种新颖的OFDM增强技术,实现在同相和正交相同时承载索引比特信息,称之为同相/正交相OFDM索引调制(OFDM with In-phase/Quadrature Index Modulation,OFDM-I/Q-IM)技术。具体来说,OFDM-I/Q-IM在每一个OFDM子符号块的同相分量和正交相分量分别进行索引调制,从而有效提升频谱效率和系统性能。随后本文提出一种基于最大似然(Maximum Likelihood,ML)准则的低复杂度算法,用于接收端解调OFDM-I/Q-IM信号。采用该算法,接收端无须预知噪声方差的先验知识和激活子载波位置的可能实现情况。最后本文假设OFDM-I/Q-IM系统的接收端采用ML解调,进一步推导系统所获得的理论渐进平均误比特概率和准确编码增益。3)本文首次发现并证明FDPMT技术的干扰模式与等间隔频点数据丢失之间的关系。基于此特殊关系,本文提出一种新型的导频位置选择(Pilot Position Selection,PPS)方案和一种新型的信号重建(Signal Reconstruction,SR)算法。新提出的PPS方案通过在时域上抽取不同符号子块,并最小化不同符号子块中最严重的码间干扰,使得发送端既避免需预先获取信道先验信息的问题又具有较低的复杂度。新提出的SR算法基于最大似然准则,不仅在多个接收子块中实现并行处理而且在每个子块实施逐符号迭代,极大地降低接收端的计算复杂度和处理时延。仿真结果证实,新提出的PPS方案和SR算法在各种信道条件下相比现有方法的优越性。4)本文从物理层安全的角度出发设计一种基于NOMA技术的双向中继网络,其中两个用户希望在存在窃听者的情况下依靠中继节点互换信息。为了防止信息泄漏,中继节点一方面协助合法用户转发保密信息,另一方面利用多天线信道的零空间发射只针对窃听者的干扰信号。此外在多路访问阶段,为了保障通信安全和提高传输效率,中继器和每个用户均采用全双工配置。本文针对合法用户、中继节点和窃听者分别提出不同的SIC解码方案。最后分别推导在单个和多个窃听者情况下所有数据符号可达遍历安全速率的闭式表达式,验证了理论结果。更多还原显示全部
