随着大量智能设备(如智能手机、平板电脑、便携电脑)和海量物联网的快速普及，以及各类新业务和应用场景的蓬勃发展，无线移动设备的流量需求极速攀升。海量流量需求在第五代移动通信系统(the fifth generation, 5G)中通过应用大规模天线、毫米波和超密集异构网络等技术提高网络容量来得到解决。然而，在5G通信系统中无线信道特征将表现出不可忽视的空间差异性。同时，由于用户密度增加导致用户之间无线传输环境有部分重叠，使得相邻用户无线信道的空间相关性增强。无线多接入信道空间相关性表现为基站不同方向上无线信道变化过程具有一定的关联性，不再是独立变化的随机变量。现有无线信道模型对不同方向上多个信道状态之间的关联特性关注较少，导致海量接入场景中多接入信道模型不能很好逼近实际信道的空间变化规律。自然界中不规则变化过程普遍存在分形特性，同时分形理论是被提出来描述小尺度特性以及局部与整体关系的学科。因此引入分形理论来研究无线多接入信道空间变化规律，特别是海量场景下密集用户信道变化规律，是十分有效的，能够解决现有无线信道模型在空间相关性方面的不足。利用分形理论研究无线信道空间特性对5G通信技术的进一步演进具有十分重要的意义。本文就无线信道空间特性展开深入研究，其主要创新点总结如下：
　　第一，因非自由空间中传播的无线信号受到环境影响表现出各向异性衰落，故本研究以蜂窝网络的覆盖边界，即基站在各方向上能够覆盖的最远距离，来表征传输环境对无线信道特征的影响。为分析各向异性无线传输环境对蜂窝小区覆盖的影响，在城区和郊区环境中测量无线信道状态，以此获得基站的覆盖边界，并且基于分形理论对无线蜂窝覆盖边界的统计特性进行了分析。分析结果表明，在实际环境中无线蜂窝覆盖边界在角度域上具有统计分形特征。
　　第二，在5G网络中配备毫米波技术的超密集异构网络将成为主要网络组成部分。采用毫米波传输系统的微小区蜂窝网络中，覆盖和切换性能至关重要。基于蜂窝覆盖的分形特征，本文提出了一种多向路径损耗模型来分析各向异性无线传输环境对5G分形微小区网络性能的影响。基于此模型，推导了5G分形微小区网络的覆盖概率、接入概率和切换概率，并以此来研究各向异性无线传输环境对蜂窝网的影响。仿真结果表明，随着5G分形微小区网络中各向异性路径损耗效应的增加，短距离(例如50米)的接入概率明显降低；各向异性传输环境的切换率大于各向同性路径损耗模型下切换率。
　　第三，基于蜂窝网络覆盖的分形特性，对基站覆盖边界在角度尺度上的长程相关性进行了理论分析和实验验证。通过利用基站不同方位角信道的空间相关性，提出了一种针对大规模接入场景的分形信道估计方案。借助分形理论和测得的中国上海基站覆盖边界数据，建立了分数自回归聚集滑动平均模型，以表示基站相邻方位角上最大传输距离之间的关系。此外，基于经验传播模型，将信道的信道状态信息视为该信道的传输距离和最大传输距离的函数。因此，可以基于相邻的已检测信道的信道状态信息来估计未检测信道的信道状态信息。基于提出的分形信道估计方案，可以使用少量的导频资源来进行大型终端的信道估计。与传统的最小二乘方案相比，当终端密度为每平方千米一千万时，新提出的分形信道估计方案的导频开销最大可以减少94.34％。
　　第四，无线蜂窝网络覆盖边界在角度尺度上具有分形的特性，表现为基站在不同方向覆盖最远距离具有自相似性。基于此，本文推导出了无线多接入分形信道的容量域，并且构建了两个相邻方向无线信道的误比特率关系模型；同时，提出了一种分形信道编码码率自适应方案，在降低系统整体误码率的同时减小导频开销。仿真结果表明，在环境剧烈变化情况下所提出的分形码率自适应方案相比于固定码率方案最大可以降低45.92%的误码率。
　　综上所述，本文针对无线多接入信道空间相关性，基于分形理论，实验验证了无线蜂窝网络覆盖的分形特性；同时分析了分形特性对毫米波微小区网络性能的影响；基于分形覆盖的自相似性和长程相关性，提出了利用信道空间相关性的分形信道估计和码率自适应方案，相对于导频辅助信道估计方案我们新提出的信道估计方案能够有效节省导频开销。本论文的研究工作丰富了研究者对无线信道特性的认识，为未来通信技术的发展提供了一定的理论基础。