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近年来,随着移动互联网的迅速发展,移动设备数量和移动数据流量呈现出爆发式增长。面向大规模物联和超密集覆盖等场景需求,未来的蜂窝移动通信不仅需要更高的网络吞吐量,而且需要具备更强的移动设备接纳能力。以第五代(the 5th Generation,5G)移动通信为背景,本文研讨了非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)、免调度数据传输、异构蜂窝网络、设备直连(Device to Device,D2D)和无线缓存等关键技术,并针对无线网络的物理(PHYsical,PHY)层和媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层在解决超大规模连接的需求时出现的问题,提出了一系列行之有效的解决办法。对于5G大规模连接场景下的PHY层和MAC层技术,学术界和产业界近年来都进行了众多的相关研究。5G标准的Release-15版本已经被第三代合作伙伴计划在2018年6月正式提出,但是业界对于大规模连接场景中的多址接入技术、传输协议和网络架构等方面的争论仍在激烈进行之中。为切实有效地将业界提出的关键技术应用于大规模连接场景,本文对这些关键技术进行了改进设计、分析、比较及全面评估,已完成的研究工作和创新点如下:1)现有的免授权非正交多址接入(Grant-Free Non-Orthogonal Multiple Access,GF-NOMA)接收机方案大多都基于不符合实际的活跃用户数已知的假设;活跃用户检测结果包含很多漏检与误检,造成后端信号处理复杂度的提高;并且缺少相关的理论性能分析。为此,本文提出基于未知活跃用户数的GF-NOMA接收机设计方案,其中包括基于检测的群组正交匹配寻踪(Detection-based Group Orthogonal Matching Pursuit,DGOMP)算法以获得精确的活跃用户集合,以及改进的联合消息传递(Joint Massage Passing Algorithm,JMPA)算法以精准地消除误检用户和解调数据,并且对GF-NOMA系统的用户检测成功率和信道估计误差进行理论分析。2)在稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术被提出之际,业界仅有理论层面上的优化设计,而没有关注其硬件实现层面的现实问题,这阻碍了SCMA的商用化进展。为此,本文研究了SCMA系统基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)平台的定点优化设计问题。本文详细描述了SCMA系统在定点平台上的实现方法与优化方案,给出了支持并行计算结构以降低时延的模块化设计方法,并分析了SCMA解码算法的复杂度。通过优化设计,定点数的量化误差对译码检测产生的性能损失约为0.3dB,硬件实验结果与软件仿真结果的差距约为0.22dB。3)在面向大规模连接的网络架构方面,虽然有大量研究针对D2D异构蜂窝网络,但是并没有将NOMA技术应用其中;另外,针对NOMA系统资源管理,已有的研究仅考虑用户配对或者接入点选择,而没有考虑这两个环节的联合最优化。为此,本文提出基于D2D技术的NOMA异构蜂窝网络架构,NOMA技术可以使基站服务更多用户,D2D通信可以增强小区边缘用户的信号接收质量。针对上述网络架构,本文给出了有效的资源调度与干扰管理的策略及可实现的算法。首先考虑单D2D链路模型,分别以总速率最大化和最小速率最大化两种准则构造了优化问题,推导了最优功率分配的闭合表达式,并用遍历法求得了最优接入点选择。然后扩展到多D2D链路模型。提出了基于不完全信道状态信息(Channel State Information,CSI)并且具有鲁棒性能的遍历容量优化方法,以降低系统对CSI反馈量的需求;并提出了三边匹配算法,以联合优化用户配对和资源分配。上述优化方法获得的系统吞吐量为最优穷举搜索算法的95%或者完全CSI反馈方法的80%。4)将全双工中继技术引入NOMA系统可以显著提高频谱效率,然而学术界针对该领域的研究仍是空白。为此,本文对基于全双工中继的NOMA(Cooperative Full-duplex Relaying NOMA,CFR-NOMA)系统进行了性能分析与优化。首先,对于给定的功率分配方案,推导出中断概率和遍历速率的解析表达式。然后,分别构造中断概率和用户可达速率的优化问题,并得出优化问题最优解的闭合表达式。5)本文将用户协同传输机制引入到D2D无线内容缓存系统,以克服D2D链路间干扰,进而提高被服务用户数量和网络吞吐量。以最大系统的总吞吐量为目标,构造了联合链路调度和功率分配问题。为解决这个非确定性多项式困难的优化问题,将其分解为两个子问题,分别对协作D2D链路和非协作D2D链路的吞吐量进行优化。针对协作D2D链路,提出种基于半正交用户选择(Semi-orthogonal User Selection,SUS)的联合用户调度与功率分配算法。针对非协作D2D链路的链路调度与功率控制,首先提出低复杂度的链路调度算法,然后以凸函数之差形式对功率控制问题的目标函数进行重组,并通过Frank-Wold算法对功率控制问题进行求解。