基于非正交多址接入的协作传输系统性能研究

作     者：李倩倩 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许焱平;田心记

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：非正交多址接入 协作传输 残余硬件损伤 信道估计误差 同相与正交相位不平衡 系统吞吐量 

摘      要：非正交多址接入技术(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)不仅能够提高频谱效率,还可以满足日益增长的高速数据业务需求,成为5G通信中的一项关键技术。NOMA可分为功率域NOMA和码域NOMA。功率域NOMA允许多个用户的信号通过叠加编码在功率域中复用,可增大多用户容量,因而受到学术界与工业界的广泛关注。协作传输技术不仅可以扩大无线网的覆盖区域,还能提升通信的可靠性以及改善用户的服务质量,因此NOMA协作传输(Cooperate NOMA,C-NOMA)技术在提高系统有效性的同时,还保证了系统的可靠性,是目前的研究热点之一。目前对C-NOMA的研究大都假设硬件是理想或信道状态信息(Channel State Information,CSI)是准确的。然而,在实际系统中由于运营成本和制作工艺等限制,系统硬件设备存在相位噪声、同相与正交相位不平衡(In-phase and Quadrature-phase Imbalance,IQI)以及功率放大器非线性等因素造成的硬件损伤。虽然HIs对系统的影响可以通过一些校准和预失真算法进行补偿,但残留硬件损伤(Residual Hardware Impairments,RHIs)对系统性能还有重要影响,而且估计误差与时延等因素会导致不理想的CSI。因此,研究RHIs和非理想CSI对C-NOMA系统性能的影响具有重大的实际意义。本文研究了不同衰落信道下非理想的RHIs和非理想CSI对C-NOMA系统性能的影响,主要研究内容如下。第一,对于存在RHIs和信道估计误差(Channel Estimation Errors,CEEs)的NOMA双向中继协作(Two-way Relay C-NOMA,TWR C-NOMA)传输系统,研究了瑞利(Rayleigh)衰落信道下的系统性能,分别推导了近端用户与远端用户的中断概率的闭合表达式以及渐近中断概率的近似表达式,进而得到了系统的分集增益。仿真结果显示,RHIs或CEEs会降低系统的中断性能且导致零分集增益;随着RHIs系数以及CEEs的增大,系统的中断性能变差;与传统的正交接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术相比,采用NOMA技术时系统的中断性能较优。第二,研究了莱斯(Rician)衰落信道下的TWR C-NOMA系统性能。在系统中存在IQI与非理想串行干扰消除(Imperfect Successive Interference Cancellation,ip SIC)的情况下,推导了系统中断概率的精确表达式和渐近表达式、分集增益以及吞吐量的表达式。仿真结果显示,IQI或ipSIC对系统的中断性能有不利的影响,且会限制系统吞吐量,使系统吞吐量在高信噪比(signal-to-noise,SNR)区域趋于一个固定常数;此外,存在IQI或ipSIC的TWR C-NOMA系统在Rician衰落信道下的吞吐量优于Rayleigh衰落信道。