基于功率域非正交传输的蜂窝移动广播理论与关键技术研究

5G wireless networks are required to support local to national and human-oriented to machine-oriented broadcast/multicast applications, which have very strict performance requirements, such as 200Mbps downlink user experience rate and <100ms end-to-end latency. However, current cellular mobile broadcasting cannot satisfy these challenging requirements, due to its limitation of network architecture, transmission techniques and etc. Therefore, it is of great scientific significance and practical application value to research novel cellular mobile broadcasting technique with high transmission efficiency and low latency, solve its theoretical and technical problems, and form an efficient application solution, according to the characteristics of 5G broadcast/multicast applications. This project focuses on emerging 5G broadcast/multicast applications and researches power-domain non-orthogonal transmission-based cellular mobile broadcasting, in order to significantly improve transmission efficiency and reduce transmission latency. The key research contents include: (1) theory and performance of power-domain non-orthogonal cellular mobile broadcasting; (2) network architecture/orchestration and transmission schemes for power-domain non-orthogonal cellular mobile broadcasting; (3) user group scheduling and resource allocation schemes for power-domain non-orthogonal cellular mobile broadcasting; (4) simulation verification platform for power-domain non-orthogonal cellular mobile broadcasting.

5G要求支持从局域到广域、从面向人到面向机器的丰富广播多播应用，并提出了非常高的性能要求（如下行用户体验速率200Mbps和端到端延迟小于100ms），而现有的蜂窝移动广播技术受限于网络架构、传输技术等无法满足这些挑战性的要求。因此，针对5G广播多播应用特征，研究高传输效率低时延的新型蜂窝移动广播技术，解决相关理论和技术问题，形成高效的应用解决方案，具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目面向新兴的5G广播多播应用，基于功率域非正交传输，以成倍地提高传输效率和降低时延为目的，研究功率域非正交蜂窝移动广播，重点研究：（1）功率域非正交蜂窝移动广播理论与性能；（2）功率域非正交蜂窝移动广播网络架构/编排与传输方案；（3）功率域非正交蜂窝移动广播用户组调度与功率分配；（4）功率域非正交蜂窝移动广播技术仿真验证平台。

多播广播是新一代移动通信系统满足诸如移动电视、超高清视频点播和直播、视频会议、虚拟现实/增强现实、元宇宙等新兴多播广播业务需求以及海量终端固件升级、公共安全服务等应用的关键技术之一。本项目面向新兴多播广播业务需求，结合功率域非正交多址技术和多播广播技术，以提升多播广播业务传输效率为目的，对基于功率域非正交传输的蜂窝多播广播技术和系统展开了研究。首先，本项目研究了毫米波NOMA多播广播和协作异构毫米波NOMA多播广播方案，使用随机几何理论进行了建模和性能分析，得到了覆盖概率以及和速率的解析表达式，建立了功率域非正交蜂窝移动广播性能与基站密度、用户密度、多播速率、功率分配因子、方向性等系统要素之间的关系。其次，研究了基于人工智能和软件定义网络/网络功能虚拟化的空天地网络架构与编排。再次，针对车联网、高速铁路等高移动性场景条件下多播广播业务需求，研究了逆有限傅里叶变换扩展的正交频分复用（ISFFT-s-OFDM）技术，也叫正交空时频（OTFS），提出了分数阶OTFS系统中基于二维离网格分解和稀疏贝叶斯学习合并的信道估计方法，提出了OFDM和OTFS多波形共存方案，研究了多小区OTFS系统小区间干扰性能。最后，针对NOMA资源管理，提出了无线回传链路条件下小基站NOMA系统的联合功率和带宽分配方案，以及非理想信道状态信息和非理想串行干扰消除条件下协作多点系统的NOMA资源分配方案，利用优化理论开发了高效的NOMA资源分配算法，实现能量效率最大化；提出了基于速率增益协商的NOMA功率分配方案以实现用户公平性。本项目取得的研究成果为基于功率域非正交传输的蜂窝多播广播系统提供理论支撑，为系统设计提供依据，将有力地推动基于功率域非正交传输的新型多播广播技术的应用。