未来移动通信系统需要随时随地为不同的终端提供丰富多样的无线数据业务。多天线系统因可以满足人们日益增长的高速数据传输需求而获得广泛的关注。作为多天线系统的一种实现形式,分布式天线系统(DAS)在不增加频谱开销的前提下可以大幅提高用户覆盖率和通信容量。在DAS中,多个远端天线单元(RAU)通过光纤连接到同一中央处理器(CP)形成虚拟协作网络,获取空间分集增益,在提高信息传输的可靠性和有效性的同时降低了能量损耗,实现了当今社会所提倡的绿色通信。另一方面,大规模多天线技术(Massive MIMO)在干扰抑制、频谱效率、能量效率等方面具有独特的优势,已经成为第五代移动通信(5G)的备选技术之一。作为大规模多天线技术和分布式天线技术的融合,大规模分布式天线系统(Massive DAS)通过光纤回程将上百根分散在小区内的天线连接在一起,减小了收发机之间的平均接入距离,提高了通信链路的鲁棒性,保证了用户通信的公平性。大规模分布式天线系统具有配置灵活、易于实现等优势,可以满足未来移动通信网络的高性能需求。针对DAS,多数研究根据中心极限定理(CLT)将干扰项和噪声项之和当作高斯白噪声处理。该分析方法只适用于干扰信号无穷多的情况,当干扰信号较少时,使用此方法分析系统性能时会出现较大的误差。另外,对于高阶调制信号来说,其同相分量和正交分量在Nakagami-m信道下存在相关性,这个问题在分布式天线系统研究中尚未被考虑过。因此,对于精度要求较高的通信系统,需要采用更为恰当的分析方法和数学工具来提高性能预估的效率和准确度。由于同信道干扰(CCI)对系统性能具有很强的负面影响,CCI的消除或抑制成为多小区DAS的研究重点之一。大规模分布式天线系统中连接远端天线单元的射频链路数量较多,昂贵的硬件成本限制了其大规模应用。在获取分集和复用增益的同时,需要选择合适的RAU进行数据的传输以降低信号开销和硬件成本。另外,大规模多天线系统中存在着天线的相关性,还需构建合适的相关信道模型来研究天线的分集合并技术。针对多小区和大规模DAS中存在的上述问题,本论文进行了系统深入的研究,主要工作及创新点如下：1、研究了多小区DAS的下行链路性能。为了减少同信道干扰并降低发射功率,设计了一种基于最大化瞬时信干噪比(SINR)的天线选择传输方案。首先,采用高斯Q函数近似(GQA)方法将同信道干扰项与噪声项之和当作具有固定方差的高斯白噪声处理,推导了系统误比特率的闭式解。在Nakagami-m衰落信道下,将干扰信号当作具有随机方差的变量,利用干扰信号的特征函数,分析了系统的精确误比特率。对于瑞利衰落信道,推导了系统精确误比特率的闭式解。相对于高斯Q函数近似法,所推导的精确误比特率不仅取决于目标信号,还与干扰信道增益密切有关。数值及仿真结果证实所提出的精确分析方法可以快速准确地描述系统的实际性能。(上述创新点对应论文的第三章内容和发表论文列表中的1)2、研究了多小区环境下的分布式天线传输方案,以及对正交相移键控(QPSK)采用双信道接收的误比特率性能。提出了基于最佳信道质量和最短链路距离的远端天线单元选择策略。分析了干扰信号的同相分量和正交分量在Nakagami-m衰落信道中的相关性,并将干扰信号当作随机变量,推导了基于双信道接收的DAS精确误比特率。对于瑞利分布,在可以忽略干扰信号同相分量和正交分量相关性的前提下,推导出了系统精确误比特率的闭式解。数值及仿真验证了理论分析的准确性,同时比较了各种传输模式的系统性能。 (上述创新点对应论文的第四章内容和发表论文列表中的2)3、结合无线能量传输(WET)技术,设计了一种基于多环结构的大规模DAS模型,提出了能量和信息的高效传输机制,推导了多用户系统的渐近吞吐量。该模型简化了理论分析的复杂度,有利于WET在DAS中的应用。在下行能量传输阶段,为了节省信号开销、降低射频链路硬件成本、提高能量收集效率,我们选择距离目标用户最近的远端天线单元进行无线能量的传输。在上行信息传输阶段,分析了用户发送信息的概率,在接收端采用迫零检测法(ZFD)区分来自不同用户的信息流。考虑大规模多天线系统的信道硬化和信道渐近正交特性,采用随机矩阵等数学理论推导了用户渐近吞吐量的闭合表达式。通过最大化渐近吞吐量,优化了能量传输时间。 (上述创新点对应论文的第五章内容和发表论文列表中的5)4、利用高斯随机多变量设计了广义相关Weibull信道,研究了大规模分布式天线簇的分集合并技术。在高信噪比(SNR)环境下分别推导了基于选择合并(SC)、等增益合并(EGC)和最大比合并(MRC)的渐近中断概率及误比特率的闭合表达式。针对选择合并技术,利用平均支路SNR的累积分布函数,推导了无限级数形式的精确中断概率和误比特率,并对其收敛性进行了讨论。数值及仿真结果表明所推导的无限级数形式的中断概率和误比特率可以提高性能预估的精度,对大规模分布式天线系统的分析和优化具有重要的理论价值。 (上述创新点对应论文的第六章内容和发表论文列表中的3和4)