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随着智能终端和物联网业务的快速发展,海量的连接和大视频流量爆炸式增长,第五代(5G)移动通信系统具有的大带宽、低时延、广连接等特性,为高清视频、AR/VR为代表的特色业务和垂直行业应用提供了技术能力保障,成为移动通信甚至信息化产业可持续发展的重要方向。从无线空中接口技术来看,相对于4G,移动通信基站配置几十根甚至上百根天线的大规模MIMO阵列,通过控制天线阵子的发射信号的幅度和相位,进行多个波束定向赋型,增强广域覆盖、深度覆盖、高楼覆盖等场景,提升5G网络峰值速率、容量和频谱效率。然而在实际应用和部署中,大规模MIMO技术仍存在一些有待解决的问题,如大规模MIMO预编码设计、系统容量极限性能分析、三维天线阵列设计、多小区大规模MIMO系统信道信息获取以及无线传输优化。因此,本论文开展面向5G移动通信系统的大规模MIMO无线通信理论和传输优化设计的研究具有重要意义,具体研究内容如下:首先,当基站端配置已知理想的信道状态信息下,系统地研究了最大比传输、迫零检测和最小均方误差三种不同的线性预编码方案,分别推导出多用户集中式大规模MIMO系统频谱效率的精确表达式。基于所得到的理论解析结果,对大规模MIMO系统的关键物理特征参数进行了深入研究,进一步分析了发射天线数量、用户数以及输入信噪比与系统频谱效率之间的关系。结果表明:无论采用线性预编码方案,推导的解析结果都能精确逼近真实值,并对瑞利分布的信道特性具有较强的鲁棒性,并且发现集中式大规模MIMO系统总频谱效率随着发射天线数量呈对数指数增长。在高信噪比情况下采用最大比传输比迫零检测和最小均方误差预编码方案时系统性能较差,并且频谱效率趋近于饱和值。相反在低信噪比情况下采用预编码最大比传输方案优越于迫零检测编码方案。最后针对一个实际的系统功率消耗模型,进一步推导大规模MIMO系统的能量效率,深入分析了天线数量和用户数量对系统可达频谱效率的影响。在满足可达速率的约束条件下,提出了一种寻找最优发射天线数和用户数的迭代优化算法,实现系统能量效率的最大化。接着,提出了一种对两种平面天线阵列的特性进行了定量分析方法,深入地研究了当基站端分别配置均匀矩形平面阵列天线和均匀圆柱平天线阵列两种不同平面天线阵列时集中式大规模MIMO系统性能,并且对两种平面天线阵列的特性进行了定量分析。首先建立三维毫米波信道模型同时考虑天线阵列的离开用户仰角和方位角,重点研究了三维平面天线阵列的相应向量、辐射方向性、阵列增益等特性。假设当发射端分别配置均匀矩形平面阵列天线和均匀圆柱平阵列天线,接收端配置均匀线性天线阵列,精确推导出在毫米波传输环境下天线阵列的信号干扰、信道矩形奇异值扩展以及大规模MIMO系统频谱效率。仿真结果表明:在三维空间辐射下,采用不用的平面阵列天线,它们的最大阵列增益、波束宽度以及天线阵列系统性能基本一致,与均匀圆柱平阵列天线相比,均匀矩形平面阵列天线和旁瓣较小,能有效抑制干扰实现用户精准定位。当发射端配置均匀圆柱天线阵列时系统频谱效率优越于发射端配置均匀矩形平面阵列天线,并且在两种配置下注水功率分配方案能够显著提高了大规模MIMO系统频谱效率。然后,针对混合编码架构的大规模MIMO系统,设计了数字域采用迫零检测预编码方案和模拟域采用移频相位处理的方案,研究了基于混合编码架构的集中式大规模MIMO系统频谱效率和能量效率。当基站端配置已知理想信道状态信息,推导出混合编码架构下规模MIMO系统频谱效率的确定性等价式。基于所得到的解析结果,深入分析了系统物理参数如发射天线数量、无线射频链路数量、用户数以及输入信噪比,对大规模MIMO系统频谱效率的影响。根据大规模MIMO系统的功率消耗模型,提出了基于混合编码架构的规模MIMO系统能量效率的评估方法,深入研究了系统物理参数对集中式大规模MIMO能量效率的影响。结果表明:与传统的全数字体系结构的大规模MIMO系统相比,基于混合编码结构的大规模MIMO系统频谱效率劣于全数字体系结构,但系统总能量效率明显优于全数字体系结构。随着量化比特数的增加能显著提升系统频谱效率,对于基理想移相器和1比特量化移相器混合编码架构,存在一个最优输入信噪比使大规模MIMO系统能量效率最大化。最后,研究了多小区多用户大规模MIMO系统的信道信息获取和无线传输理论,提出了一种基于多用户分组的无线传输优化设计算法。根据上下行信道互易性得到用户信道状态信息,并扩展至多小区大规模MIMO系统,利用目标小区内用户信道信息的相似性,对所有用户进行分组,消除了用户之间的干扰。为了提高系统可达和速率,联合考虑信道估计与发射功率,设计了最大-最小功率分配和SNIR最大乘积两种功率分配方法,通过将用户编码策略与信道信息相联合调度,大幅度增强了信干噪比且提高了整体系统性能。仿真结果表明:在相同配置下采用最大-最小公平算法和最大SINR乘积算法的系统频谱效率明显优于等功率分配算法,数值结果验证了所提出的两种功率分配算法的有效性。