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随着第四代移动通信技术(4G,4th generation)大规模商用以及移动通信终端数量爆炸式增长,在下一个十年,无线流量预计将会增长1000倍。这对现有的移动通信技术是一个巨大挑战。大规模多输入多输出(MIMO,multiple-input multiple-output)技术能显著提高移动通信系统的频谱效率,被认为是应对这一挑战的关键技术之一。在实际布设中,大规模MIMO基站端的上百根天线很可能会面临天线阵列面积受限,天线之间非常接近,以及布设环境复杂导致的天线间距不规则情况。此时天线之间的互耦效应和信道空间相关性对无线传输系统的影响将不可忽略,并且大规模MIMO系统天线后端如果采用大量射频通道,会造成巨大的能耗与硬件复杂度,降低射频通道系统的能耗与硬件复杂度具有实际应用价值。另一方面,轨道角动量(OAM,orbital angular momentum)技术能为无线通信带来一种新的传输自由度,具有极大提升无线通信系统容量的潜力。但如何在毫米波/微波频段利用OAM技术提高无线通信系统容量,仍然没有被充分的研究。基于此,本文将对实际布设场景中大规模MIMO系统的性能展开研究,进一步研究大规模MIMO系统的能效优化问题,以及OAM技术在无线通信中的应用和系统设计问题。本文的主要创新点如下:第一,针对配备矩形天线阵列的单小区多用户大规模MIMO系统,研究了考虑互耦效应时系统的可达速率性能。考虑到天线间的互耦效应,对移动通信系统中上行链路基站端接收信号进行建模。考虑基站端采用最大比合并(MRC,maximum ratio combining)条件下,推导了基于互耦效应的单小区多用户大规模MIMO系统上行可达速率下界解析表达式。通过数值仿真,研究了实际场景中天线个数和天线间距对上行可达速率的影响。仿真结果显示,当天线阵列面积受限时,系统上行可达速率随着天线个数的增大而增大。当天线间距较小或用户数较大时,互耦效应会造成上行可达速率的显著降低。第二,针对实际布设环境中,基站端天线阵列内天线间距不规则的单小区多用户大规模MIMO系统,研究了考虑天线间互耦效应和天线阵列的不规则性时移动通信系统的性能。首先基于不规则阵列中天线的分布特性,对天线间的互耦效应和阵列导向矩阵进行建模。根据互耦效应模型和阵列导向矩阵模型,定义了信道矩阵互相关系数以及遍历接收增益,以分析互耦效应对不规则天线阵列的影响。基于信道互相关矩阵特征值的分布模型,通过仿真结果指出当阵列面积小于某一阈值时,阵列不规则性可以减小信道的相关性;当不规则阵列面积受限时,信道遍历接收增益相对天线个数存在一个极大值。当基站端采用迫零预编码时,推导了上行可达速率下界、误码率以及中断概率的解析表达式以及渐进表达式。对推导结果的数值仿真结果显示,互耦效应会显著降低系统性能,同时推导结果与系统蒙特卡洛仿真结果有较好吻合。当天线数大于某个阈值时,配备不规则阵列的大规模MIMO系统上行可达速率大于配备规则阵列的大规模MIMO系统上行可达速率。第三,对于采用混合预编码结构的大规模MIMO系统,研究了实际硬件能耗及成本下的基站射频系统能效优化方案。基于大规模MIMO系统能耗模型和实际系统的约束条件,提出了大规模MIMO系统射频能效模型。通过联合优化射频预编码和基带预编码,将不能求得全局最优解的优化问题转化为局部最优解的求解问题,得到使射频能效达到局部最优的混合预编码矩阵和射频通道数,并提出了能效优化混合预编码算法。为了进一步降低系统成本及复杂度,提出了最小射频通道数的能效优化混合预编码算法。推导了当射频通道数最小时,使基站端能效最优的天线数和用户数,并据此提出了关键天线数搜索算法和用户设备数优化算法。数值仿真结果显示,提出的能效优化混合预编码算法和最小射频通道数的能效优化混合预编码算法,射频系统能效最大值相比传统迫零预编码分别提升120%和71%,能有效提升基站端能效。实验结果显示,提出的最小射频通道数的能效优化混合预编码算法相比传统迫零预编码算法,在传输速率100Mbps时发射功率最大节省46.1%,平均节省23.4%;60Mbps时发射功率最大节省48.3%,平均节省27.1%。第四,研究了 OAM技术在无线通信系统中的应用,提出了轨道角动量空间调制(OAM-SM,orbital angular momentum spatial modulation)方案。基于 OAM 信号的传输特点和空间强度分布特性,设计了 OAM-SM系统收发端结构和调制解调方式,并对OAM-SM系统中的OAM无线信道进行了建模。根据建立的系统模型,推导了OAM-SM系统的容量、平均误比特率和能效的表达式。数值仿真显示,OAM-SM系统提升了无线通信系统容量,与传统的点对点MIMO系统相比,当传输距离较远时OAM-SM系统能达到更高的传输速率,并且保持较好的平均误比特率。当总发射功率相等时,OAM-SM系统的能效远高于传统MIMO系统能效。综上所述,本论文对于实际部署环境中大规模MIMO系统的性能,大规模MIMO系统的能效优化,以及OAM技术在无线通信中的应用,做出了创新性的研究。研究成果对于大规模MIMO天线阵列的实际部署具有一定指导意义,有助于降低大规模MIMO系统复杂度和能耗,对OAM无线通信系统的实际设计也提供了一定参考。