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为了满足未来移动通信网络中日益增长的多媒体宽带业务需求，无线通信技术及其网络架构亟待新突破。大规模多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技术通过配置大规模天线阵列深度挖掘空间信道资源，能够实现高速率无线通信，已被公认为是下一代无线通信系统的关键支撑技术之一。然而，随着天线阵列维度提高，系统的硬件成本和功耗开销都随之增加。针对此问题，为大规模天线阵列配置有限精度量化的数模/模数转换器（DAC/ADC，digital-to-analog converter/analog-to-digital converter）被认为是一种有效的解决方案，备受关注。本论文针对采用有限精度量化的大规模MIMO系统的性能分析和传输设计展开了深入研究。
首先，研究了在发送端和接收端分别配置有限精度DAC和ADC的大规模MIMO通信系统的可达传输速率。有限精度DAC/ADC的数模/模数转换属于高度非线性操作，难以精确刻画其量化特性。论文通过引入比桑理论对有限精度DAC/ADC建立线性量化模型，将量化后的信号建模为两个不相关部分之和。基于此模型，并采用迫零预编码，推导了下行传输链路中多用户渐近可达速率的闭式表达式。进一步，从理论上分析了有限精度DAC/ADC引起的可达速率损失，发现该速率损失能够通过增加天线数目进行补偿，分析结果定量揭示了DAC精度与天线数目之间速率性能互相补偿的数学关系。具体而言，在高信噪比场景下为了获得相同的速率，DAC精度每降低1比特，基站天线数目需要提高4倍。而在低信噪比场景下，由于热噪声的影响起主导作用，有限精度量化引起的速率损失相对可以忽略。仿真结果验证了渐近可达速率闭式表达式的精确性以及DAC/ADC量化精度与天线数目之间的性能补偿关系。
其次，研究了基于有限精度量化的大规模MIMO多用户调度问题。基站端采用改进的多用户迫零预编码，即正则预编码，并引入克罗内克模型（Kronecker Model）刻画MIMO信道的空间相关性。应用渐近随机矩阵理论和DAC/ADC线性量化模型，在最大化渐近接收信干噪比的准则下推导获得了正则预编码的最优正则化因子计算方法。研究表明最优正则化因子随DAC精度增加而递减，但与信道相关性和ADC精度无关。仿真结果证明了提出的最优正则预编码的可达传输速率性能优于迫零预编码、最大比合并预编码以及传统正则预编码的可达速率性能。进一步，在最大化系统总传输速率/基站天线数目的准则下对用户调度比例进行了优化设计。特别针对信道不相关的低信噪比场景，推导获得了近似最优用户调度比例的闭式表达式。仿真结果表明该闭式表达式同样适用于弱相关的大规模MIMO信道。
然后，研究了基站端配置有限精度ADC的多小区大规模MIMO毫米波通信。毫米波器件的尺寸优势使其能够与大规模MIMO技术有效结合，形成高增益的精准波束赋形。每个小区服务多个用户，每个用户端配置多根发送天线连接于同一射频链路，进行模拟波束赋形。提出了一种分步信道估计方法，先通过基站发送单频信号估计用户侧波束到达角，再通过用户发送正交导频序列估计等效MIMO信道。毫米波电磁信号路径损耗大，方向性强，因而信道呈现稀疏特性。与经典的中低频段大规模MIMO系统性能分析不同，在此情况下，大数定理和中心极限定理等常用数学方法均不再适用，用户可达速率不再随天线阵列维度增长而收敛。论文利用统计学方法及杰森不等式，在考虑信道估计误差和有限精度ADC量化误差的前提下，推导了遍历可达速率的紧致下界。基于此速率下界，分析了包括ADC精度、数据及导频信噪比、用户及天线数目等在内的典型系统参数对用户速率的影响。特别的，研究了单小区场景，发现用户等效接收信干噪比正比于系统原始数据信噪比，比例系数由系统参数决定。仿真结果验证了该速率下界的紧致性，证明了可以通过灵活配置系统参数获得目标用户速率。
最后，研究了基站端配置有限精度DAC的大规模MIMO物理层安全通信技术。配置大规模天线阵列的基站作为发送端，多个单天线用户作为合法接收终端，同时存在一个多天线被动窃听终端。基站在发送给合法用户的私密信息中加入伪噪声，以干扰窃听终端，提高安全性。考虑了两种常用的伪噪声设计方案，迫零伪噪声和随机伪噪声。DAC量化噪声对合法用户和窃听终端都会造成干扰，一定程度上可以看作特殊的伪噪声，在某些场景下将有益于安全通信。基于DAC线性量化模型，推导获得了可达安全速率的紧致下界。给定私密信息和伪噪声之间的功率分配因子，研究发现低精度DAC在低信噪比场景下能够获得更高的安全速率，在高信噪比场景下则与之相反。基于此发现，进一步推导了一个信噪比阈值，当系统信噪比低于此阈值时应降低DAC精度以提高安全速率，反之则应提高DAC精度。研究还发现安全速率与给定的功率分配因子高度相关。优化该功率分配因子，得到了近似最优功率分配的闭式表达式。仿真结果验证了所得安全速率下界的紧致性、信噪比阈值的准确性以及近似最优功率分配闭式表达式的精确性。
首先，研究了在发送端和接收端分别配置有限精度DAC和ADC的大规模MIMO通信系统的可达传输速率。有限精度DAC/ADC的数模/模数转换属于高度非线性操作，难以精确刻画其量化特性。论文通过引入比桑理论对有限精度DAC/ADC建立线性量化模型，将量化后的信号建模为两个不相关部分之和。基于此模型，并采用迫零预编码，推导了下行传输链路中多用户渐近可达速率的闭式表达式。进一步，从理论上分析了有限精度DAC/ADC引起的可达速率损失，发现该速率损失能够通过增加天线数目进行补偿，分析结果定量揭示了DAC精度与天线数目之间速率性能互相补偿的数学关系。具体而言，在高信噪比场景下为了获得相同的速率，DAC精度每降低1比特，基站天线数目需要提高4倍。而在低信噪比场景下，由于热噪声的影响起主导作用，有限精度量化引起的速率损失相对可以忽略。仿真结果验证了渐近可达速率闭式表达式的精确性以及DAC/ADC量化精度与天线数目之间的性能补偿关系。
其次，研究了基于有限精度量化的大规模MIMO多用户调度问题。基站端采用改进的多用户迫零预编码，即正则预编码，并引入克罗内克模型（Kronecker Model）刻画MIMO信道的空间相关性。应用渐近随机矩阵理论和DAC/ADC线性量化模型，在最大化渐近接收信干噪比的准则下推导获得了正则预编码的最优正则化因子计算方法。研究表明最优正则化因子随DAC精度增加而递减，但与信道相关性和ADC精度无关。仿真结果证明了提出的最优正则预编码的可达传输速率性能优于迫零预编码、最大比合并预编码以及传统正则预编码的可达速率性能。进一步，在最大化系统总传输速率/基站天线数目的准则下对用户调度比例进行了优化设计。特别针对信道不相关的低信噪比场景，推导获得了近似最优用户调度比例的闭式表达式。仿真结果表明该闭式表达式同样适用于弱相关的大规模MIMO信道。
然后，研究了基站端配置有限精度ADC的多小区大规模MIMO毫米波通信。毫米波器件的尺寸优势使其能够与大规模MIMO技术有效结合，形成高增益的精准波束赋形。每个小区服务多个用户，每个用户端配置多根发送天线连接于同一射频链路，进行模拟波束赋形。提出了一种分步信道估计方法，先通过基站发送单频信号估计用户侧波束到达角，再通过用户发送正交导频序列估计等效MIMO信道。毫米波电磁信号路径损耗大，方向性强，因而信道呈现稀疏特性。与经典的中低频段大规模MIMO系统性能分析不同，在此情况下，大数定理和中心极限定理等常用数学方法均不再适用，用户可达速率不再随天线阵列维度增长而收敛。论文利用统计学方法及杰森不等式，在考虑信道估计误差和有限精度ADC量化误差的前提下，推导了遍历可达速率的紧致下界。基于此速率下界，分析了包括ADC精度、数据及导频信噪比、用户及天线数目等在内的典型系统参数对用户速率的影响。特别的，研究了单小区场景，发现用户等效接收信干噪比正比于系统原始数据信噪比，比例系数由系统参数决定。仿真结果验证了该速率下界的紧致性，证明了可以通过灵活配置系统参数获得目标用户速率。
最后，研究了基站端配置有限精度DAC的大规模MIMO物理层安全通信技术。配置大规模天线阵列的基站作为发送端，多个单天线用户作为合法接收终端，同时存在一个多天线被动窃听终端。基站在发送给合法用户的私密信息中加入伪噪声，以干扰窃听终端，提高安全性。考虑了两种常用的伪噪声设计方案，迫零伪噪声和随机伪噪声。DAC量化噪声对合法用户和窃听终端都会造成干扰，一定程度上可以看作特殊的伪噪声，在某些场景下将有益于安全通信。基于DAC线性量化模型，推导获得了可达安全速率的紧致下界。给定私密信息和伪噪声之间的功率分配因子，研究发现低精度DAC在低信噪比场景下能够获得更高的安全速率，在高信噪比场景下则与之相反。基于此发现，进一步推导了一个信噪比阈值，当系统信噪比低于此阈值时应降低DAC精度以提高安全速率，反之则应提高DAC精度。研究还发现安全速率与给定的功率分配因子高度相关。优化该功率分配因子，得到了近似最优功率分配的闭式表达式。仿真结果验证了所得安全速率下界的紧致性、信噪比阈值的准确性以及近似最优功率分配闭式表达式的精确性。