在满足了人与人之间的通信后,物联网为无线通信的发展注入了新的活力。移动互联网和物联网已经成了发展第五代移动通信(5G)系统的两大驱动力。为了满足5G通信的通信需求,一个新型的多址技术至关重要。第一代移动通信(1G)到第四代移动通信(4G)系统上行通信采用的都是正交的多址技术,面对5G通信的新要求,这些正交多址技术的不足日益凸显出来,包括频谱效率低、大连接支持能力差等。为此,通信的研究和标准制定工作对可以提供更高频谱效率、更高接入量的非正交多址技术给予了重视。目前正在研究的上行非正交多址技术包括稀疏码分多址(SCMA,sparse code multipleaccess)、多用户共享接入(MUSA,multi-usershared access)以及图样分割多址(PDMA,pattern division multiple access)等。相对于正交的多址技术,这些非正交的多址技术可以极大提高系统的频谱效率和大连接支持能力。不过这些非正交多址技术依然存在一些需要克服的技术困难。其次,除了 MUSA,它们在提出之初并没有特别考虑通信用户的多址接入过程。如果5G系统同样采用以往系统中基于竞争的多址接入协议,则会面临繁重的接入信令负担,甚至产生信令风暴。这种情况下,即使是非正交多址技术的优势也会被严重削弱。针对上述问题,论文提出了免信令的上行非正交多址方法,并对其中的关键问题开展了研究。具体地,论文的主要内容包括:1)提出了免信令的上行非正交多址方法提出的方法中,数据包首先进行扩展码扩展处理,其结果是增加数据包的符号数量,扩展后的数据包再通过系统分配好的时频资源进行传输,接收端进行多天线接收并完成数据的恢复。该过程中,用户传输数据包的时频资源早在用户注册网络,或者第一次有数据包发送,或者系统为了平衡负载而进行资源的再分配时就已经给定,系统动态而频繁的无线资源分配并不需要。因此,所提方法可以免去接入信令开销。同时,通过非正交扩展,系统允许相当多的用户使用相同的时频资源。因此相对于正交的多址方法,方法在频谱效率、大连接的支持能力上也有非常明显的优势。2)免信令上行非正交多址方法的数据恢复根据提出的方法,同时考虑用户传输行为的稀疏性,论文建立了块稀疏的非正交多址模型。由于采用的是免接入过程的多址方法,哪些用户有传输数据包接收端预先并不知道。因此,数据恢复的任务包括检测有传输数据包的用户和解调这些用户发送的数据符号。在这个问题上,论文借鉴稀疏恢复中迭代的块正交匹配追踪(BOMP,block orthogonal matching pursuit)算法提出了 PICNBOMP(perfect interference cancellation based and normalized BOMP)算法。PICNBOMP 的主要思想是将通信信号中常见的错误纠检错编码融入到迭代算法中进行完美干扰消除,由此获得了提高数据恢复准确性和降低恢复复杂度的双重优势。特别地,该算法体现的思路具有普适性,其对于控制迭代算法的误差传播非常有效。只要消息具有纠检错编码结构以及多个消息之间存在干扰,它们的迭代恢复即可借鉴论文中提高算法的思想。3)免信令上行非正交多址方法的扩展码设计所提方法中,扩展码至关重要,它的作用包括携带用户身份信息、直接影响用户传输数据之间的干扰和方法的实现复杂度等。扩展码以预编码矩阵的形式出现在方法中。基于PICNBOMP算法,论文从稀疏恢复算法用户检测和符号解调的准确性角度出发对预编码矩阵应该满足的条件进行了分析研究。分析的结果表明列正交的预编码矩阵有利于提高恢复准确性。论文接着给出了三种列正交的预编码矩阵设计实例,其中非常稀疏的正交预编码矩阵还可以极大降低方法的实现复杂度。为了进一步降低稀疏恢复中用户检测的复杂度,论文设计了结构化的预编码矩阵。相对于已有的非正交多址技术中的码本/序列/图样设计,论文提出的非正交多址方法中的预编码矩阵设计非常简单,随机产生的正交的预编码矩阵就可以获得相当不错的多址性能。