下一代无线移动通信中基于IDMA的非正交多址接入理论与关键技术研究

Multiple Access technique is considered as one of the key research areas in wireless mobile communications, as it determines the way by which the multiple users could connect to the same network and share its capacity. According to the information theory, non-orthogonal multiple access (NOMA) is the one who can reach the Pareto Optimal of the network capacity region, and hence has been recognized as the better choice for future wireless communications. With such a statement born in mind, in this project we will perform a comprehensive study on the NOMA schemes, aiming at satisfying the demands, such as larger number of users and higher spectral efficiency, of next generation wireless mobile communications. More specifically, we focus on the fundamental theories and key technologies of Interleave Division Multiple Access (IDMA); one promising kind of NOMA scheme proposed recently. The objective of this project is to establish the general framework for the future multi-user communication system, with MIMO-OFDM-IDMA as the fundamental air-interface. To achieve that, efforts will be made from three perspectives, i.e., the achievable capacity region for the MIMO-OFDM-IDMA network, the key transmission and signal processing techniques in the transceiver design, and the optimal resource management with the joint consideration of power allocation, sub-channel assignment and user grouping. Through the research exploration from the aspects of fundamental theory, key techniques, as well as optimal resource management of MIMO-OFDM-IDMA, we expect to deliver some create ideas, which could not only broaden the IDMA related research areas, but also provide feasible solutions to the next generation wireless mobile communications.

多址接入技术决定了用户进入网络、占用资源的具体方式，是整个移动通信研究领域的重要组成部分。非正交的多址方式在信息论上可以达到容量域的帕累托最优，因此更具发展潜力。面对下一代移动通信系统更大用户数目、更高频谱效率的要求，本项目拟围绕交织多址（IDMA）技术，展开对下一代移动通信中非正交多址接入理论与关键技术的研究。项目研究的最终目标是建立以“MIMO-OFDM-IDMA”为核心的下一代多用户通信技术理论体系。基于此，本项目将重点研究：MIMO-OFDM-IDMA网络可达容量区域理论；发送-接收信号的关键传输与处理技术；以及功率域、频谱域、用户域的三维资源优化管理策略等三方面内容。项目研究跨越了基础理论、关键技术、以及资源管理三个层面，预期成果将有助于拓宽IDMA相关研究领域，也可为下一代移动通信系统提供可行的技术解决方案。

本项目面向下一代（5G）无线通信系统的发展趋势与需求，以“MIMO-OFDM-IDMA”为核心技术切入点，展开了对多用户通信物理层关键传输技术及资源优化管理的研究工作。项目研究在：1）以OFDM-IDMA为基础的非正交多址技术设计与资源优化、2）大规模天线（Massive MIMO）系统中多用户导频分配策略、3）基于序号域调制的高效OFDM-MIMO传输技术设计三个方面展开，取得了一定成果。具体的，针对研究内容1，项目设计了无线信息能量同传（SWIPT）架构下的OFDM-IDMA下行传输方案，通过无线能量收割解决接收机迭代检测能量受限问题。在此基础上，提出了联合发送功率分配与SWIPT功分因子优化的分步式迭代资源分配算法，可有效提升系统能效。针对更一般的非正交多址接入（NOMA）技术，项目研究了在可见光/射频两跳协作通信场景下的协作用户分组问题，设计了基于二分图匹配的用户分组方案，可最小化系统的中断概率，提升协作NOMA系统的可靠性。针对研究内容2，项目依次设计了基于线性规划算法、用户地理位置信息、以及大尺度衰落特性的导频分配方案，可有效减轻导频污染问题，提升Massive MIMO下多用户传输的信干噪比与系统和容量。针对研究内容3，项目设计了基于同相正交独立序号调制的QIM-OFDM传输方案，可有效提升系统谱效；针对可见光通信中发送信号的实正特性，设计了结合哈特莱变换与空间调制的传输方案，实现了多载波、多天线在可见光通信中的应用。此外，项目在全双工中继携能通信系统中面向保密容量最大化的资源优化管理、蜂窝与D2D异构通信系统中的多用户功率控制与用户分组算法等方面亦有成果产出，可完善与补充以“MIMO-OFDM-IDMA”为核心的多用户通信技术体系。基于上述成果，项目共发表学术论文9篇，包括2篇国际学术期刊论文，7篇国际学术会议论文，申请国家发明专利6项，其中1项已授权。项目所获成果，可为未来5G多用户通信技术的研究提供理论支撑和可行参考方案。