前言

每一代移动通信技术的发展和演进，都是为了应对日益增长的业务需求带来的挑战，并反过来进一步刺激业务需求的增长，催生新的业务类型和应用场景。在这种正反馈的发展与增长模式下，无线移动通信取得了一个又一个辉煌的成就。在物联网（Internet of Things,IoT）发展的驱动下，无线移动通信系统除了传统的支持人与人之间的通信，正在向支持人与物、物与物之间的通信转型。为此，国际电信联盟和第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP）根据业务类型及其对传输速率、时延和可靠性以及连接数量的需求，定义了第五代（the 5th Generation,5G）移动通信系统的三大主要应用场景，即增强型移动宽带（enhanced Mobile BroadBand,eMBB）、低时延高可靠通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication,URLLC）和海量机器类通信（massive Machine-Type Communication,mMTC）。其中，URLLC和mMTC是根据业务在数据速率、传输时延、设备连接数量和传输可靠性上要求的不同对IoT场景的进一步划分。多样化的IoT场景对当前承载无线数据传输的移动蜂窝网络在频谱效率、时延、可靠性、流量密度、资源消耗、覆盖能力和网络灵活性等方面提出了巨大挑战。

与正交多址接入（Orthogonal Multiple Access,OMA）相比，非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）更具优势。NOMA通过在发射端采用多用户信号叠加传输，并在接收端采用串行干扰消除，允许多个用户占用相同的时频资源，大大提升了系统的频谱效率，增加了设备连接数；同时， NOMA通过为信道条件较差的用户（即小区边缘用户）分配更大的功率，大大提高了小区边缘用户的吞吐量，从而更好地保障用户之间的公平性。此外， NOMA的免调度接入机制可以极大减小接入时延。由于NOMA具备上述特征，在支持对吞吐量、设备连接数和时延性能有着较高需求的IoT场景中，能够有天然的优势，这些优势也使得 NOMA 受到了学术界和工业界的广泛关注。许多研究考虑将NOMA应用于IoT，考虑到丰富的IoT应用对通信时延有着各种各样的需求，因此，对NOMA的时延性能进行分析和优化是十分必要的。

本书从5G 无线传输和无线网络关键技术的概述出发，引出并介绍了新型多址接入技术之一——NOMA技术的原理、研究进展和潜在应用场景。第1章首先梳理了5G移动通信的发展历程与趋势，指出NOMA被视为无线通信技术演进的趋势和潜在的突破方向之一，能够满足5G 应用场景对超高数据速率、低时延、高可靠和大规模连接等的要求。第2章详细阐述了 NOMA 和低时延通信关键技术，总结相关技术原理和现有研究进展。随后，考虑到上下行NOMA系统中串行干扰消除（Successive Interference Cancellation,SIC）解码顺序和干扰信道各不相同，本书分别对上下行 NOMA 中用户的统计时延服务质量（Quality of Service,QoS）进行分析，并基于分析结果，设计了保障NOMA用户统计时延性能的准静态和动态功率分配方案。第3、4章针对用户已配对的上行NOMA系统，对NOMA用户对的排队时延超标概率上界和有效容量性能进行了分析，挖掘了 NOMA 保障统计时延 QoS 的潜能。第5、6章研究了下行NOMA 的统计时延 QoS 性能及具有统计时延 QoS 需求的下行认知无线电NOMA系统。第7、8章将NOMA系统应用于低时延场景，将NOMA与多用户多输入多输出（Multi-User-Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO）技术结合，研究了MU-MIMO-NOMA系统及关键技术。第9章对全书内容进行回顾，同时进一步探讨未来超五代移动通信系统（Beyond the 5th Generation, B5G）、低时延通信和NOMA的发展趋势、新需求以及新机遇。

在此，特别感谢积极参与本书编写和校对工作的老师和同学们，特别是武腾、宋雨欣、李重、谷慧敏、徐卿钦、牟郸霖、蒲威、张雨婷等。

非常感谢国家自然科学基金青年科学基金项目（编号：62001264）与北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金项目（编号：L192025）对本书的资助。

最后，衷心感谢家人对作者工作的理解和大力支持。

作者

2022年12月于北京