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中继通信技术可以扩大无线网络的覆盖范围,提升系统性能,是未来移动通信的关键技术之一。中继通信系统分为单向中继系统和双向中继系统,相比单向中继系统,双向中继系统有两条链路同时传输信号,其频谱效率是单向中继系统的两倍。另一方面,随着5G的研究,能量收集(Energy Harvesting,EH)技术越来越受到青睐。无线通信网络中,根据射频(Radio-Frequency,RF)信号同时携带信息和能量的性质,能量受限的设备可以通过EH技术收集能量,从而延长无线网络的生存时间。中继系统中的中继节点通常是能量有限的,将EH技术和中继系统结合研究,中继节点可以通过收集能量延长自身的存活时间。相比单对双向中继系统只能单对用户同时交换信息,在多对双向中继系统中,多对用户同时交换信息,极大提升了双向中继系统的频谱效率。但是多对双向中继系统的通信过程存在严重的用户对间干扰问题。在中继配置大规模天线阵列,将大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术应用于多对双向中继系统中,可以通过大规模MIMO的波束成形技术减弱甚至消除用户对间的干扰。同样,EH可以延长多对双向中继系统的生存时间。本文研究基于EH的双向中继系统和基于EH的大规模MIMO多对双向中继系统,主要研究内容如下:(1)在基于EH的双向中继系统中,中继采用放大转发(Amplify and Forward,AF)协议和功率分割中继(Power Splitting-based Relay,PSR)的EH协议,研究了基于PSR协议的双向AF中继系统模型。并且基于最大化和速率的目标,提出了联合优化信源功率、中继功率和功率分割比的最优功率分配算法,极大提升了系统的和速率性能。考虑中继自身功率为零的特殊情况,研究了联合优化信源功率和功率分割比的最优功率分配算法。当中继自身功率为零时,可以得到最优信源功率和最优功率分割比的封闭解。根据仿真结果,信道质量较好时,可以得到与联合优化信源功率、中继功率和功率分割比的最优功率分配算法相近的系统性能。(2)在基于EH的大规模MIMO多对双向中继系统中,研究了基于PSR协议的大规模MIMO多对双向中继系统模型,得到了中继采用最大比合并/最大比传送(Maximum Ratio Combining/Maximum Ratio Tr ansmission,MRC/MRT)和迫零接收/迫零传送(Zero-Forcing Reception/Zero-Forcing Transmission,ZFR/ZFT)的线性接收和预编码技术时,可达速率的下界表达式。根据这个表达式,提出了基于最大和速率的最优功率分配算法,仿真结果表明了最优功率分配算法的有效性。(3)在基于EH的大规模MIMO多对双向中继系统中,考虑高信噪比(Signal-Noise-Ratio,SNR)和无穷大规模天线的渐进条件,得到了中继采用MRC/MRT和ZFR/ZFT时,可达速率的简化下界表达式,研究了基于最大和速率的渐进功率分配算法。仿真结果表明了在高SNR和无穷大规模天线的渐进条件下,渐进功率分配算法可以得到与最优功率分配算法相近的系统性能。