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随着无线网络技术的发展,无线设备数量爆炸式增加,无线移动业务也出现井喷式增长,第四代移动通信系统已无法满足未来人们使用无线网络的需求。因此,支持超高速率、超低时延、超高能效和超高流量的第五代移动通信系统（Fifth-Generation Mobile System,5G）应运而生,其中包括大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术、毫米波技术、非正交多址技术（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）等关键技术。这些新的技术如何在网络中得以有效的应用已成为5G系统研究的重点。在两个国家863项目“5G系统评估和测试验证技术研究”和“5G系统大容量毫米波室内无线接入技术的研究和验证”的研究背景下,本文将围绕大规模MIMO技术,重点关注5G系统的网络覆盖建模及多址接入技术。对于网络覆盖,首先需要深入研究大规模MIMO系统中无线信道传播特性,再评估大规模MIMO系统所构成的异构网络的覆盖性能。对于多址接入,首先需要解决大规模MIMO系统中空分多址接入的波束成形问题,接着再研究大规模MIMO系统中多用户非正交多址接入性能。具体来讲,本论文的主要创新性工作包括:1.针对大规模MIMO系统中无线信道建模问题,提出了一种可有效刻画信道非平稳特性的基于三维几何的随机信道建模方法（Three-Dimensional Geometry Based Stochastic Channel Models,3D GBSCM）。在收发两端天线阵列处分别构建3D圆柱体几何模型,并将空间散射体等效分布于所构建的圆柱体柱面上。为刻画信道非平稳特性,针对每个天线阵元构造相应的虚拟球体（其球心为天线阵元,其半径则由天线阵元的空间相关性确定）,并近似认为当某特定等效散射体位于相应天线阵元的虚拟球体内时,从该天线阵元发射或接收的电磁波将经过该等效散射体。每对收发天线阵元间的电磁波空间传播路径被建模为由收发天线阵元对、发射端/接收端等效散射体、及其间虚拟链路所共同构成。将所有电磁波空间传播路径的冲激响应叠加以得到最终的信道矩阵。经仿真评估验证了所提信道建模方法的有效性。2.针对大规模MIMO系统所构成的异构网络的性能建模与分析问题,提出了一种基于随机几何理论的网络建模与性能分析方法（Stochastic Geometry Based Network Analysis Model,SGBNAM）。在这种异构网络中,丰富的空域波束资源及全新的频谱资源使网络呈现出多维度空时频资源共存的现象。为了揭示空时频资源、小区扩张与网络覆盖性能之间的内在关系,建立了基于随机几何理论的网络模型。该模型充分考虑了空域波束的波束宽度及波束增益、小区扩张因子等影响因素,经过数学推导得到了整个网络及各层网络相应的中断概率和用户速率。进一步研究发现,通过合理的小区扩张能够帮助网络实现负载均衡,提升网络资源的复用率,有效降低网络的中断概率并提升网络的用户速率。经仿真评估验证了所提网络模型的有效性。3.针对大规模MIMO系统中空分多址接入的波束成形问题,提出了一种基于信道统计特性的模拟预编码和性能补偿的数字预编码相结合的混合预编码方法（Statistical Characteristics and Performance Compensation Based Hybrid Precoding Method,SCPCBHP）。首先,为了减少用户组间干扰,结合信道长期统计信息和最大化用户组信号与泄漏加噪声比,对混合预编码中的模拟预编码进行设计。其次,为了补偿射频常模限制所导致的性能恶化并减少用户组内干扰,混合预编码中的数字预编码由经矩阵处理得到的性能补偿矩阵和基带矩阵构成。在基于负载均衡的用户分组下,对混合预编码性能进行了验证。仿真评估表明了所提混合预编码方法可以被灵活地应用于不同类型的混合预编码结构,并获得了平均120%的频谱效率增益。4.针对大规模MIMO系统中空分多址接入的多用户接入问题,提出了一种面向非理想信道的基于多用户调度和最优功率分配相结合的波束域非正交多址接入方法（Beam-domain NOMA-based Multi-user Scheduling and Power Allocation for Imperfect Channels,BN-MSPAIC）。首先,在微小区网络中通过最大相关性准则调度NOMA用户对,每一个用户对的主用户和从用户分别位于微小区原始覆盖范围及扩张范围,并通过大规模MIMO阵列形成多个正交波束对准每个用户对中的主用户。其次,构建功率分配优化问题,通过数学推导得出每一对非正交多址用户在非理想信道下功率分配因子的最优解。仿真评估验证了理论分析与仿真结果的一致性,并获得了平均110%的可达速率增益。