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满足低延迟、高速率、大规模连接、高吞吐量等方面的异构需求是第五代(5~thh Generation,5G)移动通信实现“万物互联”的重要标志。因此,利用新型通信技术构建具有多功能的新型异构网络是解决上述需求的突破口。其中,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)、无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAV)、能量收集以及自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信等新型通信技术已被证明能够有效提升频谱利用率、数据传输速率以及能量效率等性能指标,尤其是UAV能够对现有的通信网络进行补充,形成一种紧急任务通信系统,而FSO系统则拥有容量大、数据速率高、与RF系统互不干扰等优势。另外,与传统的正交多接入策略相比,NOMA的突破点是能够通过分配功率资源块来处理和服务共处同一资源槽(如时间/频率)的多个接收机,从而显著提升系统的频谱效率。而面对上述多种新兴技术,协作通信是能够将其与现有无线通信系统进行对接的桥梁,因此也是构建新型异构网络的必要手段之一。然而,目前为止,关于上述新型技术的协作通信系统仍然缺乏充分的考虑,如协作NOMA系统的物理层安全、城市环境下的UAV协作通信系统等。因此,本文将从协作通信的角度围绕NOMA、UAV和FSO等无线通信系统进行相关研究,主要研究内容如下:1.首先,本文研究基于放大转发(Amplify-and-Forward,AF)传输协议的静态多中继NOMA系统,并与解码转发(Decode-and-Forward,DF)模式下的NOMA系统进行对比。同时,针对AF模式提出关于NOMA系统的两阶中继选择(Two-stage Relay Selection,TSRS)算法。然后,在仿真部分提供TSRS与传统的最大最小中继选择(Max-min Relay selection,MMRS)策略的性能对比。在此基础上,提供这种静态协作NOMA系统的性能分析与渐进分析过程,并根据其结果提供该系统的分集增益。最后,分析协作NOMA系统的中继覆盖区域,以展示中继系统对通信系统的覆盖范围的改善。2.在第一种静态协作通信系统的基础上,提出一种具有空间漫游中继的动态协作NOMA通信系统,并对采用了放大转发和解码转发协议的性能进行对比。其次,通过建立瑞利衰落统计模型,有效地模拟由密集型城市障碍物导致的大量无线电信号散射的无线传播环境。从实际考虑,本文采用了一种基于随机几何的模型,并假定中继的空间拓扑结构由齐次泊松点过程(Homogeneous Poison Point Process,HPPP)建模。在此基础上,提出了在协作NOMA系统中采用HPPP建模的中继网络的有效覆盖区域,并采用TSRS和MMRS策略对系统性能进行优化。根据NOMA用户的位置,提出了计算中继有效覆盖面积的完整策略。此外,本文提供了渐近分析的过程,结果表明,在高信噪比情况下,中断概率趋于常数,该常数只与HPPP的密度和中继的有效覆盖面积有关。对于给定的中断概率,揭示了中继有效区域的最短和最长半径之间的关系。最后,本文通过蒙特卡罗仿真验证了分析结果的准确性。3.对协作NOMA系统的物理层安全进行了详细的性能分析,并同时考虑了放大转发与解码转发协议。其次,通过采用瑞利衰落对城市环境中的无线信道进行建模。具体而言,本文根据该系统模型对安全中断概率(Secrecy Outage Probability,SOP)和非零安全容量的概率(Probability of a Non-zero Secrecy Capacity,PNSC)进行了理论分析,并推导出其下限闭式解。此外,对比了该系统采用放大转发和解码转发协议的安全性能。理论结果指出,采用放大转发和解码转发策略对所推导的安全性能指标有着近似的结果。最后,本文推导了渐进分析的结果,并提供该协作NOMA中继网络的分集增益。4.针对不同的城市环境研究了具有能量收集的UAV中继系统。更明确的说,本文提供了系统的中断性能并分析了与UAV高度相关的参数。由于UAV与地面通信节点之间的信道环境过于复杂,因此利用了两种简单的近似统计模型表征空对地(Air-to-Ground,AtG)的信道统计特性。此外,在给定近似统计模型的参数下,通过使用MATLAB的数字寻根法求解出AtG信道的均值与方差。最后,通过调整UAV的高度以最小化中断概率。5.最后,设计了一种以FSO系统为突破口的新型的光能量收集装置。该光能量收集装置利用了FSO系统中副载波强度调制的直流(Direct Current,DC)分量为接收机充能。以往这种DC偏置信号通常被滤除,因而造成了能量资源的浪费。此后,研究了能量收集技术对双跳FSO-RF系统性能的影响。从实际出发,假设FSO信道同时受到大气湍流与指示误差的影响。在此基础上,本文以一种双变量Fox-H函数的形式求解了该系统的中断概率解析式。最后,展示了渐进分析的过程以及揭示了系统的分集增益。根据理论结果与仿真的对比,本文为实际场景的系统提供了有效的理论支撑,并为提高新型协作通信技术的性能提供了可靠的方法。