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随着用户需求的不断提高，高速率、高质量的通信系统是新一代移动通信技术的研究目标。以多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）为代表的多天线技术是目前公认的实现上述目标的最佳途径。然而在实际系统中，由于严重的小区间干扰和更高的数据传输要求，人们的研究焦点开始转向大规模MIMO技术，即在基站端采用大规模天线阵列（天线数超过十根，甚至上百根），且在同一时频资源内服务多个用户的多天线技术。与传统MIMO技术相比，该技术不仅可以显著提高系统频谱效率、改善通信质量，而且可以有效降低干扰消除的复杂度及基站发送功率。本文研究了大规模MIMO技术的频谱效率、能量效率，及其应用于异构网络时的系统性能。首先，运用随机矩阵理论，分别研究了大规模MIMO技术在单小区、多小区下行链路系统中，当天线数趋于无穷大时，最大比传输（MRT）和迫零（ZF）单位预编码的极限性能，以及系统频谱效率的闭合表达式。其次，通过理论推导和MATLAB仿真，分析了两种预编码能量效率与天线数及发送功率的关系。最后，通过对比三种不同双工方式，给出大规模MIMO技术应用于异构网络时的性能分析。研究结果表明：（1）在基站已知完全信道状态信息（CSI）的条件下，当基站发送功率减小到单天线基站的1M时，随着基站天线数M的无限增加，系统频谱效率趋于恒定，并且MRT单位预编码的极限表达式与ZF单位预编码相同。因此基站可以采用简单的MRT预处理来消除用户间、小区间干扰以及快衰落影响。（2）当基站已知有限CSI时，小区间干扰因受CSI估计的影响不能完全消除，但随着发送功率的降低，系统将由干扰受限转变为噪声受限。（3）系统能量效率随天线数的增加逐渐提高，而随发送功率的增加逐渐减小，因此大规模MIMO技术可以通过增加天线数、降低发送功率来提高能量效率。（4）在异构网络中，当宏蜂窝采用传统多天线技术、微蜂窝采用大规模MIMO技术，并且系统采用频段分离的TDD工作方式时，系统不仅可以满足下一代移动通信系统中高速率通信需求，还可以有效避免异构网络中的小区间干扰。