物联网(IoT)的快速发展引发了物联网设备数量的指数级增长，提供了各种新兴应用，如城市时频感知、虚拟导航/虚拟管理、智能交通和环境监测。因此，作为最先进的无线网络，5G网络的一个重要目标是面向物联网大规模节点提供海量实时连接，这对于其接入体制的设计带来了巨大挑战。在现有无线资源日益枯竭的条件下，充分发掘空间维度的资源效用、提升分布接入用户容量，是解决这一问题的主要途径之一。

众所周知，传统的正交多址(OMA)技术、时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)技术，都是将一个正交时频资源块专门分配给一个唯一的用户设备(UE)。虽然OMA技术简化了信号处理的设计，但是它们导致了较低的频谱效率。因此，OMA技术很难在有限的频谱上支持大规模接入。为此，提出了非正交多址(NOMA)技术作为蜂窝物联网的可行解决方案。一般来说，NOMA技术采用叠加编码实现大规模的频谱共享，然后利用连续干扰抵消(SIC)来缓解非正交传输造成的共信道干扰。然而，在蜂窝物联网中，SIC的计算复杂度与接入设备的数量成正比，这对于能力受限的物联网设备来说可能是难以承受的。为了解决这个问题，通常将访问设备划分为几个集群，并且只对同一个集群中的设备造成的干扰执行SIC。但是，用户集群会导致额外的集群间干扰，因为SIC只在集群中执行。因此，需要结合有效的干扰消除技术来部署基于集群的NOMA。

考虑到多天线是5G无线网络的基本特征，采用空间波束成形技术来缓解NOMA造成的同信道干扰就成了一种很自然的想法。而多天线系统的空间自由度，即基站(BS)的天线数量，决定了干扰抑制能力和可支持设备的最大数量。为了进一步提高大规模接入的性能，将大规模MIMO技术应用于NOMA系统，在BS上可部署大规模天线阵列。本研究的重点就是基于多（大规模）天线理论，研究新型波束分割多址接入（Beam Division Multiple Access)机理，通过灵活多波束成形、结合时间/频率维度的非正交信号设计和多用户检测估计，来实现大规模用户的实时、可靠接入。在深入学习了解相关理论的基础上，设计基本的实现算法，并用Matlab完成初步的系统性能仿真。

要充分利用蜂窝物联网中空间自由度便于用户聚类和干扰消除的好处，多天线BS需要具体的接入设备的信道状态信息(CSI)。理想情况下，BS可以通过某种方式获取完整的CSI，从而可以进行最优的用户聚类，有效地消除集群间的干扰。然而在多天线NOMA系统中，由于BS位于下行信道的发射端，要获得CSI并不容易。实际系统中，BS通常通过FDD的量化反馈和TDD的信道估计得到CSI，但在大规模接入蜂窝物联网的场景下，得不到量化反馈或信道估计所需的资源。为此，提出了一种非正交信道估计方法进行CSI采集，大大减轻了资源消耗的负担。然而，由于同信道干扰，CSI的精度较正交信道估计方法大大降低。特别在CSI精度较低的情况下，基于信道空间相关的简单用户聚类方法将不可行，常用的基于零强迫波束形成的干扰消除方法效率也较低。所以，需要设计低复杂度的大规模接入方案。近年来，针对多用户大规模MIMO系统提出了一种波分多址(beam division multipleaccess, BDMA)方案。其中，渐近正交的波束同时服务用户，而渐近正交波束的构建只基于信道耦合矩阵(即信道相关矩阵)。正交波束可以有效地减小共同信道干扰，从而提高整体性能。更重要的是，信道耦合矩阵的变化周期相对较长，可以用一些缓慢的时变参数来构造，如到达角(AoA)。因此，BDMA被认为是一种简单可行的多址接入方案。此外，如果一束BDMA服务于多个用户，即非正交BDMA，系统便可支持大量的连接，并且NOMA系统中的集群在波束域中是分离的，可简化用户集群的设计。

在波束域的MIMO-NOMA系统中，一个波束同时服务于同一集群中的多个用户。由于用户位置的随机性，波束无法完全对齐所有用户的信道。因此，虽然波束是正交的，但仍然存在严重的簇间干扰。而正交波束成形方案通常是次优的，需要重新设计波束域方案以提高整体性能。通过在波束域中填充零点来调整波束方向的方法之前有被提出，使波束能够对齐用户的等效信道。然而，填零是一个整数规划问题，很难提供一个通用的解决方案。因此，需要提出新的非正交波束域多址接入方案用于用户的大规模接入。

2. 研究的基本内容与方案

本项目在Matlab平台上进行基本的算法实现和仿真, 重点基于多（大规模）天线理论，研究新型波束分割多址接入（Beam Division Multiple Access)机理，通过灵活多波束成形、结合时间/频率维度的非正交信号设计和多用户检测估计，实现大规模用户的实时、可靠接入。

本研究基于多天线的大规模接入系统，采用波束成形技术，基于所有用户设备UE的CSI（Channel State Information），在发射端BS（Base Station）进行波束成形，优化发射功率的分配，基于系统的最大数据传输速率使系统最优。通信模型如图1所示，在单蜂窝系统下，配有N个天线的BS将信息广播给K个UEs，BS使用典型的均匀线性天线阵列，每个UE有一个接收天线。由于瞬时的信道状态信息CSI在大规模连接而资源有限的环境下很难获得，所以使用统计的CSI来设计多接入系统，设计时考虑信号的多径衰落、绕射、散射等实际因素。系统模型如图2所示，基站通过利用CSI进行用户分群来降低系统的复杂度，根据不同集群的用户信息进行波束选择（Beam Selection）和功率分配(Power Allocation)后再发射波束。一个发射波束是多个发射天线矢量的线性组合，则接收端存在同信道干扰，所以系统设计采用非正交波束多址接入方案，以提高系统的整体性能。此外，接收端拟采用联合SIC（Successive InterferenceCancellation）—MPA(Message PassingAlgorithm)接收机进行多用户检测，在接收端估计对每个用户的多址干扰，然后从接收信号中消除多址干扰。