1、隨著第四代移動通信技術（4G,4th generation）大規(guī)模商用以及移動通信終端數(shù)量爆炸式增長，在下一個十年，無線流量預計將會增長1000倍。這對現(xiàn)有的移動通信技術是一個巨大挑戰(zhàn)。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO,multiple-input multiple-output）技術能顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率，被認為是應對這一挑戰(zhàn)的關鍵技術之一。在實際布設中，大規(guī)模MIMO基站端的上百根天線很可能會面臨天線陣列面積受限，天線之間非常

2、接近，以及布設環(huán)境復雜導致的天線間距不規(guī)則情況。此時天線之間的互耦效應和信道空間相關性對無線傳輸系統(tǒng)的影響將不可忽略，并且大規(guī)模MIMO系統(tǒng)天線后端如果采用大量射頻通道，會造成巨大的能耗與硬件復雜度，降低射頻通道系統(tǒng)的能耗與硬件復雜度具有實際應用價值。另一方面，軌道角動量（OAM,orbital angular momentum）技術能為無線通信帶來一種新的傳輸自由度，具有極大提升無線通信系統(tǒng)容量的潛力。但如何在毫米波/微波頻段利用OA

3、M技術提高無線通信系統(tǒng)容量，仍然沒有被充分的研究?；诖耍疚膶嶋H布設場景中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能展開研究，進一步研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化問題，以及OAM技術在中的應用和系統(tǒng)設計問題。本文的主要創(chuàng)新點如下：
　　第一，針對配備矩形天線陣列的單小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了考慮互耦效應時系統(tǒng)的可達速率性能?？紤]到天線間的互耦效應，對移動通信系統(tǒng)中上行鏈路基站端接收信號進行建模?？紤]基站端采用最大比合并（MRC,m

4、aximum ratio combining）條件下，推導了基于互耦效應的單小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行可達速率下界解析表達式。通過數(shù)值仿真，研究了實際場景中天線個數(shù)和天線間距對上行可達速率的影響。仿真結果顯示，當天線陣列面積受限時，系統(tǒng)上行可達速率隨著天線個數(shù)的增大而增大。當天線間距較小或用戶數(shù)較大時，互耦效應會造成上行可達速率的顯著降低。
　　第二，針對實際布設環(huán)境中，基站端天線陣列內(nèi)天線間距不規(guī)則的單小區(qū)多用戶大規(guī)模MI

5、MO系統(tǒng)，研究了考慮天線間互耦效應和天線陣列的不規(guī)則性時移動通信系統(tǒng)的性能。首先基于不規(guī)則陣列中天線的分布特性，對天線間的互耦效應和陣列導向矩陣進行建模。根據(jù)互耦效應模型和陣列導向矩陣模型，定義了信道矩陣互相關系數(shù)以及遍歷接收增益，以分析互耦效應對不規(guī)則天線陣列的影響?；谛诺阑ハ嚓P矩陣特征值的分布模型，通過仿真結果指出當陣列面積小于某一閾值時，陣列不規(guī)則性可以減小信道的相關性；當不規(guī)則陣列面積受限時，信道遍歷接收增益相對天線個數(shù)存在一

6、個極大值。當基站端采用迫零預編碼時，推導了上行可達速率下界、誤碼率以及中斷概率的解析表達式以及漸進表達式。對推導結果的數(shù)值仿真結果顯示，互耦效應會顯著降低系統(tǒng)性能，同時推導結果與系統(tǒng)蒙特卡洛仿真結果有較好吻合。當天線數(shù)大于某個閾值時，配備不規(guī)則陣列的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行可達速率大于配備規(guī)則陣列的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行可達速率。
　　第三，對于采用混合預編碼結構的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，研究了實際硬件能耗及成本下的基站射頻系統(tǒng)能效優(yōu)化

7、方案?；诖笠?guī)模MIMO系統(tǒng)能耗模型和實際系統(tǒng)的約束條件，提出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)射頻能效模型。通過聯(lián)合優(yōu)化射頻預編碼和基帶預編碼，將不能求得全局最優(yōu)解的優(yōu)化問題轉化為局部最優(yōu)解的求解問題，得到使射頻能效達到局部最優(yōu)的混合預編碼矩陣和射頻通道數(shù)，并提出了能效優(yōu)化混合預編碼算法。為了進一步降低系統(tǒng)成本及復雜度，提出了最小射頻通道數(shù)的能效優(yōu)化混合預編碼算法。推導了當射頻通道數(shù)最小時，使基站端能效最優(yōu)的天線數(shù)和用戶數(shù)，并據(jù)此提出了關鍵天線數(shù)搜

8、索算法和用戶設備數(shù)優(yōu)化算法。數(shù)值仿真結果顯示，提出的能效優(yōu)化混合預編碼算法和最小射頻通道數(shù)的能效優(yōu)化混合預編碼算法，射頻系統(tǒng)能效最大值相比傳統(tǒng)迫零預編碼分別提升120％和71%，能有效提升基站端能效。實驗結果顯示，提出的最小射頻通道數(shù)的能效優(yōu)化混合預編碼算法相比傳統(tǒng)迫零預編碼算法，在傳輸速率100Mbps時發(fā)射功率最大節(jié)省46.1%，平均節(jié)省23.4%；60Mbps時發(fā)射功率最大節(jié)省48.3%，平均節(jié)省27.1%。
　　第四，研究

9、了OAM技術在無線通信系統(tǒng)中的應用，提出了軌道角動量空間調(diào)制（OAM-SM,orbital angular momentum spatial modulation）方案?；贠AM信號的傳輸特點和空間強度分布特性，設計了OAM-SM系統(tǒng)收發(fā)端結構和調(diào)制解調(diào)方式，并對OAM-SM系統(tǒng)中的OAM無線信道進行了建模。根據(jù)建立的系統(tǒng)模型，推導了OAM-SM系統(tǒng)的容量、平均誤比特率和能效的表達式。數(shù)值仿真顯示，OAM-SM系統(tǒng)提升了無線通信系統(tǒng)容

10、量，與傳統(tǒng)的點對點MIMO系統(tǒng)相比，當傳輸距離較遠時OAM-SM系統(tǒng)能達到更高的傳輸速率，并且保持較好的平均誤比特率。當總發(fā)射功率相等時，OAM-SM系統(tǒng)的能效遠高于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)能效。
　　綜上所述，本論文對于實際部署環(huán)境中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效優(yōu)化，以及OAM技術在無線通信中的應用，做出了創(chuàng)新性的研究。研究成果對于大規(guī)模MIMO天線陣列的實際部署具有一定指導意義，有助于降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)復雜度