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大规模多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)技术通过配备大规模天线阵列可以获得丰富的空间分集增益,有效提升5G通信系统频谱效率和能源效率,增强系统鲁棒性和可靠性。但是,大量的天线数目增加了信号处理过程的计算复杂度,尤其是矩阵相乘以及求逆等操作。考虑到大规模MIMO系统主要由低成本组件构成,巨额的计算复杂度大大增加了系统硬件损耗的程度。从另一方面来说,大规模MIMO的阵列增益优势依托于精确的信道状态信息(Channel state information,CSI),基于失真CSI估计的预编码会带来更加严重的用户间干扰。不幸的是,信道时变引起的信道老化问题以及导频资源有限带来的导频污染问题均会破坏大规模MIMO系统预编码的性能。本论文以降低信号处理复杂度,提升系统频谱效率为目标,设计算法对抗信道老化以及导频污染等问题的影响,具体工作展开如下:(1)针对大规模 MIMO-正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系统中信道估计,快速傅利叶变换(Fast Fourier transform,FFT)以及归一化迫零(Regularized zero forcing,RZF)预编码矩阵计算等信号处理过程计算复杂度较高的问题,提出了信道预测和逆矩阵预测分别进行的逆矩阵预测算法来计算RZF预编码矩阵;在保证可信通信的基础上,研究了逆矩阵预测算法下行链路长度;在大规模MIMO逆矩阵预测方案下,研究了导频分配方式,信噪比(Signal noise ratio,SNR)和多普勒频移等因素对系统性能的影响。仿真结果表明,逆矩阵预测算法可以在没有明显降低通信性能的基础上,复杂度降低61.84%,同时成功将下行链路OFDM符号数延长5个,降低了上行链路导频发送频率。(2)针对时变信道信道老化问题降低了大规模MIMO-时移导频(Time-shifted pilot,TSP)系统CSI估计精度,进而削弱系统频谱效率性能的问题,提出了基于TSP结构的信道估计算法;采用Gamma分布拟合上行链路接收信干噪比(Signal to interference plus noise ratio,SINR)的概率密度分布,得到了大规模MIMO-TSP系统上行链路可达速率闭式表达式,理论研究了信道时变对系统性能的影响;联合采用TSP方案下前后两个时间块基于导频发送得到的信道观测向量,设计信道估计算法对抗信道老化问题的影响。仿真结果对理论分析结果进行了验证,分析了信道老化问题对系统性能的影响,并证明了所提信道估计算法在对抗信道老化影响,提升系统频谱效率性能方面的优势。(3)针对信道时变带来的多普勒频移扩展,降低CSI估计精度,进而降低大规模MIMO-RZF系统性能的问题,提出了基于大规模阵列增益算法对抗信道/RZF预编码时变性的影响;基于大规模MIMO高空间分辨率检测信号到达角(Angle of arriving,AoA),设计阵列转向模型降低多普勒频移的影响;基于随机矩阵理论(Random matrix theory,RMT),分析RZF预编码时变性与天线数量和信道时变性的关系;基于大规模阵列有效降低RZF预编码时变性的结论,采用Kalman滤波器设计RZF追踪算法。仿真结果对理论分析结果进行了验证,并分析了大规模天线阵列条件下信道和RZF预编码时变特性,从系统计算复杂度和可达速率性能两方面研究了基于Kalman滤波器的RZF追踪算法性能。(4)针对大规模MIMO系统导频资源有限引起的导频污染降低CSI估计精度,增加用户间干扰,降低系统频谱效率性能方面的问题,提出了RZF预编码优化设计方案来对抗导频污染的影响;基于RMT奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)理论,推导出了 大规模 MIMO-RZF系统下行链路可达速率表达式;基于优化理论,得到了实现最优可达速率性能的RZF预编码设计方案;在大规模MIMO系统RZF设计方案下,研究了用户数目,信噪比(Signal noise ratio,SNR)以及导频复用因子等因素对系统性能的影响。仿真结果对理论分析结果进行了验证,分析了导频污染问题对系统性能的影响,并证明了所提RZF设计方案在对抗导频污染影响,提升大规模MIMO系统频谱效率性能方面的优势。综上,为优化大规模MIMO系统性能,本论文设计算法来降低系统信号处理计算复杂度,对抗时变信道信道老化问题以及导频污染问题的影响,通过采用随机矩阵理论,概率论,以及优化理论,并以系统计算复杂度,可达速率等作为性能指标,分析本文设计方案对大规模MIMO系统性能的影响,为大规模MIMO系统优化设计提供了理论指导。