在过去的数十年,多输入多输出技术在学术界和工业界得到了广泛的研究与应用。最近,多输入多输出技术的一个重要的扩展,大规模多天线系统被提出,用以满足不断增长的无线数据服务需求。利用极大规模的天线阵列,大规模多天线系统在提高射频能效与频谱效率、对抗拥塞、降低延时、增强无线能量传输等方面展现了巨大的潜力,被认为是下一代蜂窝通信系统的核心技术。本论文研究大规模多天线系统的性能分析和功率控制机制。在第一章和第二章,本论文介绍了大规模多天线系统的研究背景和研究现状。本论文首先对已有文献进行了全面的综述,总结了大规模多天线系统在信道估计、下行预编码、上行检测等领域的研究成果。另外,大规模多天线系统还可以与其他技术相结合,如双极化天线技术和无线能量传输技术。此外,本论文还给出了一个大规模多天线系统的基础理论框架,包括优缺点、信道特性以及基本模型,作为后续章节分析推导的基础。在第三章,本论文研究了导频污染下的下行系统性能。导频污染是影响大规模多天线系统容量的主要因素之一。本论文分别推导了在完美信道信息和导频污染下的多小区下行系统性能,并得到了闭式表达式。不同于一些之前的工作,本论文考虑了天线与用户数的比例,得到了与其他工作相比更加精确的结论,尤其在中到大的天线规模下。结果显示,当用户数与基站天线数比例固定且非零时,即便基站天线增长到无穷,用户间干扰仍然存在；导频污染将定向偏差引入信道估计,令基于信道信息得到的下行预编码性能降低,进而使得下行信号泄漏到其他用户处造成干扰,且这种干扰并不能因用户数的变化而消失；基站天线较大时,导频污染对系统性能的影响会更为严重。在第四章,本论文将双极化天线引入大规模多天线系统,研究了双极化天线下的系统性能分析和用户调度机制。通常,双极化天线可以大大减少天线阵列的体积,方便大规模多天线系统的部署,但不同极化方向之间存在衰落,会同时减弱有用信号功率、用户间干扰和导频污染,这些因素对系统性能的综合影响仍缺乏研究。本论文考虑多小区、导频污染、双极化天线下的大规模多天线系统下行性能,其中每小区的用户数仍然与基站天线数成比例增长。本论文通过推导系统下行信干噪比的渐近闭式表达式,发现双极化天线系统可以通过用户极化方向调度达到最优,使其性能和单极天线系统相同,其中用户极化方向调度准则是所有用户天线需要随机等概地选取接收天线极化方向。在第五章,本论文研究了无线驱动信息传输网络大规模多天线系统。大规模多天线系统中,可以通过下行无线能量传输作为终端的唯一能量来源,支持终端进行上行信息传输。本论文首先推导了终端可达速率,并指出用户间干扰的存在导致注水功控不再适用,需要针对此类非正交接入场景推导新的优化方案。基于匹配滤波预编码/接收成形机制,本论文推导了渐近最优功率分配方案闭式解,使得上行终端和速率达到最大。该方案与注水功控截然不同。另外,该渐近最优功率分配方案使得所有终端的上行速率趋于相等,因此也使得最小终端速率最大化,在最大化终端和速率的同时保证了较好的用户公平性。仿真结果提供了渐进最优解和注水功控、等功率功控的性能比较,验证了该方案的有效性与公平性。