非正交多址接入系统功率分配优化设计与性能分析

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1、国内图书分类号:TN914，TN929.5密级:公开国际图书分类号:621.396西西西南南南交交交通通通大大大学学学研研研究究究生生生学学学位位位论论论文文文非正交多址接入系统功率分配优化设计与性能分析年级2013级姓名崔静静申请学位级别博士专业信息与通信工程指导教师范平志丁志国二零一八年一月ClassifiedIndex:TN914，TN929.5U.D.C:621.396SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationPowerAllocationOptimizationand

2、PerformanceAnalysisinNon-orthogonalMultipleAccessSchemesGrade:2013Candidate:JingjingCuiAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofPhilosophySpeciality:InformationandCommunicationEngineeringSupervisor:PingzhiFan,ZhiguoDingJan.2018西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留

3、并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于I.保密口，在年解密后适用本授权书；2.不保密阻，使用本授权书。“（请在以上方框内打飞／”）学位论文作者签名：崔静指导老师签名：静日期：U),g.、4-If日期：2咿.(J..I)西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含

4、任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本论文研究下一代移动通信非正交多址接入及相关技术，包括单天线基于功率域的非正交多址接入(SISO-NOMA)和稀疏码多址接入(SCMA)的功率分配方案，基于功率分配和波束成形的多天线(MIMO)-NOMA系统的性能优化，毫米波(mmWave)-NOMA系统的功率分配和性能分析，基于机器学习的mmWave-NOMA系统性能分析，以及基于用户体验(QoE)的多小区多载波(MC)-NOMA系统的

5、资源分配方案，其主要创新点如下：1.针对非完备信道状态信息(CSI)的SISO-NOMA系统，提出了一种满足不同用户中断概率需求下的最优功率分配方案。研究结果包括：1)已知信道二阶统计特性，得到了中断概率与NOMA中最优解码顺序的数学关系；2)分别得到了以最小化发送功率和最大化用户公平性为优化目标的最优功率分配方案；3)推导了满足用户相同中断概率限制下NOMA和正交多址接入(OMA)需要的发送功率差异，证明了在用户相同中断概率需求限制下，NOMA需要的发送功率总是少于OMA。此外，不同于传统的高斯输入信号假设，针对下行多用户SCMA系

6、统，提出了一种有限比特信号输入限制的最优功率分配策略。结果表明，与等功率分配策略相比，提出的功率分配策略可以有效提高SCMA系统的用户公平性。(第2章)2.通过分析MIMO-NOMA系统在不同类型CSI条件下的性能，提出了基于系统效用函数(UtilityFunction)最大化的联合功率分配和波束成形设计算法。研究结果包括：1)针对已知信道分布信息(CDI)条件下的MIMO-NOMA系统，推导了MIMO-NOMA系统用户中断概率的闭合表达式，然后利用一阶近似和半正定规划(SDP)，提出了一种基于串行凸近似(SCA)技术的联合功率分配和

7、波束成形设计算法；2)针对信道估计不确定性模型，利用中心极限定理(CLT)推导了MIMO-NOMA系统中断概率的近似表达式，进而提出了一种基于SCA和一维搜索的迭代算法；3)分析了两种算法的收敛性和可行性问题，并提出了一种有效的初始化算法。结果表明，提出的两种算法获得的MIMO-NOMA系统的效用性能优于传统的MIMO-OMA系统。进一步，针对完备和非完备CSI下的MIMO-NOMA系统，提出了一种基于发送功率最小化的迭代功率分配和波束成形算法。(第3章)3.提出了一种mmWave-NOMA系统的功率分配和用户调度算法。针对mmWav

8、e-NOMA系统的和速率最大化问题，1)提出了一种基于分支定界(BB)技术的最优功率分配和用户调度算法，得到了系统的最优上界；2)提出了一种基于匹配理论(MatchingTheory)和SCA技术的低复杂度算法，实现了计