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多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)已经成为第四代(Fourth Generation,4G)移动通信系统的关键技术之一；MIMO天线的大规模化也是未来第五代(Fifth Generation,5G)移动通信系统的一个关键候选技术。大规模多用户MIMO (Multiuser MIMO, MU-MIMO)系统通过使用远大于用户终端(User Terminal, UT)个数的基站天线,能够有效减少信道变化和用户间干扰等不利因素的影响,从而显著提高吞吐量、频谱效率和能效。将大规模MU-MIMO和中继技术相结合,能够同时获得中继和大规模天线带来的好处。分析和评估大规模天线中继系统的理论性能,是进行其他相关研究的前提和基础。基于此,本论文将要对未来MIMO技术和中继系统的性能分析展开研究,主要创新点如下：1.研究了多中继网络中多个定时偏移(Multiple Timing Offsets, MTOs)和多个载波频率偏移(Multiple Carrier Frequency Offsets, MCFOs)的联合同步参数估计问题。由于多路信号重叠在一起,同步任务复杂且艰巨。为了达到时频同步的目的,本论文设计出了基于恒幅零自相关序列的新的正交训练信号,提出了一个基于最大似然准则的简单有效的估计方法及其迭代算法来进一步改善同步性能,将困难的多参数估计问题转化为多个易解的子问题,从而能够对每条中继链路的同步偏差分开进行估计。仿真表明,所提出的算法不仅降低了计算复杂度,而且能够渐近达到理想定时或频率同步情况下的均方误差(Mean Square Error, MSE)性能。2.考虑一个大规模天线双向中继系统,提出了两种中继接收检测和发送预编码矩阵,并推导出了每个UT的渐近端到端(end-to-end, e2e)信号干扰噪声比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, SINR)。研究结果表明,随着天线数的增加,用户终端或中继的发射功率能够与天线数成反比降低,同时无性能损失。也就是说,中继通信系统能够从大规模天线阵列中受益,并且双向中继方案优于单向中继方案。仿真结果证实了所推导出的渐近表达式的有效性。3.研究了一个双跳多天线中继系统,分析了当中继和目的节点都受到共信道干扰(Co-Channel Interference,CCI)和加性高斯白噪声影响时的中断性能,分别对放大转发(Amplify-and-Forward, AF)和解码转发(Decode-and-Forward, DF)中继协议推导出了新的精确的中断概率闭式表达式。仿真结果验证了理论分析的有效性。4.分析了一个大规模MU-MIMO AF中继系统在有CCI存在时的性能,推导出了用户可达速率的紧致下界表达式,并对中继天线数趋于无穷大时的系统进行了渐近性分析。研究结果表明,可达速率会随着发射功率的增加最终趋于饱和。然而,分析和仿真结果都揭示出,通过部署更多中继天线可以进一步显著改善系统性能。5.研究了一个单小区上行大规模MU-MIMO系统,针对三种线性接收机,也就是,最大比合并(Maximum Ratio Combining,MRC)、迫零(Zero-Forcing,ZF)和最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE),分别推导出了对任意基站天线数都成立的中断概率解析表达式,并分析了基站天线数很大时系统的渐近中断行为。大量数值结果验证了理论分析的正确性。6.讨论了单小区下行MU-MIMO系统的几种线性预编码方法。分别从信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)、基站天线数和瞬时衰减系数等方面比较了四种预编码方案的用户平均速率和中断概率。特别地,通过仿真分析了正则化因子对正则化迫零(Regularized Zero-Forcing, RZF)预编码方案的影响。