文献综述
一.背景
通信技术从上世纪开始发展到现在，已经发展到了第四代移动通信技术（4G）。虽然4G已经实现普及，但在这个需求呈指数增长的信息时代，4G已经越来越难以正在智能时代不断发展的需要。各国也已经开始了5G的研究，而这次5G技术需要面对4G蜂窝网络所未面对的六大挑战：高容量、高速率、高服务质量、低端到端延迟、低损耗和设备直接通信[1]。之所以对5G提出如此高的要求，也是相比于之前各代通信系统，5G将不仅立足于移动通信产业，作为实现信息沟通的桥梁，而且还将与物联网、工业互联网和车联网等领域融合发展。5G定位于更高的频谱效率、更快速率、更大容量的无线网络，其中系统容量要在2020年提高1000倍/km2,频谱效率相比4G提升5~15倍[2]。面对新一代的无线网络的需求，传统的多址接入方式已经不能满足，特别是在系统吞吐量、用户速率等方面。
第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术（5G），正在研究中，5G网络的理论下行速度为10Gb/s（相当于下载速度1.25GB/s）。中国的华为、韩国的三星、欧盟、美国都投入了相当的资源研发5G网络。2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。2018年2月23日，沃达丰和华为完成首次5G通话测试。
具有高频谱效率、更大系统容量，并采用新的能量域复用的多址接入方式的非正交多址接入技术（non-orthogonalmultiple access，NOMA）[3]已经是5G的重要候选多址接入技术之一。
虽然 4G 已经完全实现，但在用户需求指数式增长的背景下，各国已开始了 5G 的研究。5G 蜂窝网络必须承受 4G 蜂窝网络所未面临的六个挑战，分别是高容量、高速率、高服务质量、低端到端延迟、低损耗和设备直接通信[1] 。另外，5G 还面临一个挑战，那就是能融合各类网络，提供一个统一无差别用户接入平台。为了战胜这些挑战，各国探索5G 关键技术，包括大规模多输入多输出天线、干扰管理、非正交接入异构密集组网、全双工技术、毫米波技术、软件定义网络、网络功能虚拟化等。4G使用的 OFD（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）在系统容量和频谱效率方面不是很理想。如果在 5G 中继续使用 OFDM 技术，将存在不可克服的缺陷。首先，为了对抗多径衰落，OFDM 插入的循环前缀导致了资源的浪费。其次，OFDM 对频率偏移敏感且有高的峰均比。再次，OFDM 要求每个子载波有相同的带宽并且同步正交，这就限制了对频谱资源的自由使用。最后，OFDM使用方波作为基带波形，旁瓣能量大，若每个子载波不能严格同步的话就会造成相邻载波之间的严重干扰。因而，5G 需要使用新的多址接入技术。它的波形设计理念主要有三个限制因素，第一，灵活性，使不同的应用能被有不同参数的单一解决方案实现；第二，可行性，能控制在相邻频道多用户之间的干扰；第三，扩展性，使网络易于兼容扩展。使用先进接受收技术、多用户同时同频功率域复用的NOMA [3] 已是 5G 接入技术的候选方案。它适用于上下行链路，它的关键组成技术包括传输功率分配、调度算法、接收机设计及与多天线技术协作等。通过开发功率域、码域或交织模式，非正交方案允许属于不同用户的信号重叠，因而相比正交方案，能获得更高的频谱利用率。
二.国内外研究和发展趋势
在传统正交多址(orthogonalmultiple access, OMA)技术中，不同的用户被分配正交的无线电资源(如时，频，空等)，因此整个无线系统可支持的最大用户数将受限于相互正交的无线电资源数(图 1a)。为突破无线电资源数限制和满足日益增长的数据流量需求，未来的 5G网络将比现有 4G网络容量提升1000 倍，更高的频谱利用率成为5G技术的一个主要挑战和难题。与此同时，毫米波、大规模多输入多输出（massive MIMO）以及 NOMA 等新型通信技术引起了研究者们的广泛注意，它们不仅能有效提高系统频谱效率，而且成本较低[4,5]。其中 NOMA 被认为是一种非常有前景的无线多址接入技术，并被列为5G 网络候选技术之中[6]。NOMA 技术是在发送端通过叠加编码，多个用户的信号在能域实现多路复用，最终在接收端通过 SIC 分离、解调各路信号。在 NOMA 系统中，根据不同用户的信道条件差异为用户分配不同的功率，如距离源节点（基站）较远的用户（weakuser）将被分配较多的传输功率，相应的距离源节点（基站）较近的用户（stronguser）将被分配较少的传输功率。在这种机制下，信道条件较差的用户因其具有较高的功率，可以将其他用户的信号看成噪声，从而在接收信号中解出自己所需的信息。信道条件较好的用户可以利用SIC 将信道条件较差用户的信号解出，然后从接收信号中删除，再解出需求信息。值得一提的是，为了体现NOMA 对各用户的公平性（fairness），完成功率分配的各用户的可达速率（achievablerate）差异不应过大。最新的研究将NOMA 拓展到协同传输场景，在[7]中，协同的 NOMA传输方案被提出，该方案通过充分发掘 NOMA 系统中的前向信息，使得多用户的分集增益达到最大。使用 NOMA 技术的多天线放大转发中继网络在[8]中得到研究和讨论。
协同通信的思想最早可以追溯到Cover和EI Gamal 的突破性研究[9]，他们研究了中继信道的信息理论特性，对包含源端、目的端和中继结构的系统的容量问题。现在的协同通信的基本思想也都是以他们的研究为理论基础。
