面向2020年及以后,移动互联网和物联网将成为移动通信发展的主要驱动力。面对未来爆炸式的移动数据流量增长、海量的连接设备、不断涌现的各类新场景业务以及超高数据传输速率等要求,下一代移动通信系统成为全球关注的焦点。在这种背景下,大规模MIMO(Multi-Input Multi-Output)技术由于能在不增加频谱资源和总发射功率的情况下大幅度提高系统频谱效率而受到学术界和工业界的广泛关注。大规模MIMO技术具备提升系统容量、频谱效率、用户体验速率和节约能耗等诸多优点,有鉴于此大规模MIMO技术被公认为是未来移动通信系统的核心技术,如第五代移动通信系统(5th Generation,5G)、下一代Wifi、B5G(Beyond 5G)以及6G(6th Generation)移动通信系统等。在无线移动通信中,无线移动信道是无线移动通信系统性能分析的基础,也是大规模MIMO系统研究最重要的环节。了解和掌握大规模MIMO系统信道特性,建立大规模MIMO系统的信道模型,这对选择合适的系统架构、合理的通信方案和提升、改善系统性能都至关重要。因此,本文归纳总结了现有大规模MIMO系统信道模型,分析了现有大规模MIMO系统信道建模研究的不足之处,然后针对现有研究不足之处开展本论文研究工作,主要的工作内容和创新点如下:(1)本文先考虑天线数量较少(十根以内)的情况下MIMO系统信道建模和分析。本文采用几何的方法建立新的MIMO系统的三维几何信道模型,推导基于几何参数的天线相关性及信道容量,并分析信道参数对系统性能的影响。该模型同时包含水平方位信息和高度方位信息,更符合实际的传输场景,也易于拓展为大规模MIMO系统不同天线配置结构信道建模的情况。接着为了减小天线相关性并实现设备的小型化,将极化特性引入MIMO系统建立三维多极化MIMO系统信道模型。针对其他多极化MIMO系统信道模型仅仅关注一个参数的问题,本模型同时考虑天线的交叉极化隔离、信道的去极化效应、天线倾斜等参数对系统性能的影响并将仿真结果与实测数据对比,使之更加符合实际情况。(2)在MIMO系统信道建模的基础上,扩展所提模型的天线数量到大规模的程度(几十甚至上百根),建立大规模MIMO系统的三维几何信道模型。同样,该模型同时考虑水平方位角和垂直方位角,刻画了垂直方向上的散射信息。本文同时考虑阵列非平稳性和球面波效应。针对目前信道模型都是端到端的情况,本模型考虑多用户大规模MIMO系统。针对目前几何模型复杂度较高的问题,根据大规模MIMO系统的实际应用场景,本模型重点考虑基站端的几何传播情况而弱化用户的具体位置信息,从而大大降低了模型的复杂度。(3)针对现有模型均为均匀线性阵列或某一种阵列的情况,本文改变天线的几何位置结构建模不同天线配置结构的大规模MIMO系统信道,并着重分析对比了目前较为流行的三种天线配置结构——均匀线性阵列、均匀圆形阵列以及均匀矩形阵列的性能,并将仿真结果与实测数据作对比验证。(4)针对大规模MIMO系统天线尺寸过大以及多极化大规模MIMO系统信道建模研究缺失的情况,本文率先将极化特性引入大规模MIMO系统用以提升空间效率并建立多极化大规模MIMO系统信道模型。同样,本模型同时考虑天线的交叉极化隔离、信道的去极化效应以及天线倾角等参数对系统性能的影响。本文考虑用户端天线的随机倾斜及其所带来的极化失配,使得模型更加符合实际的通信场景,然后改变天线配置结构建立不同的多用户多极化大规模MIMO系统方案及其信道模型,并将仿真结果与实测数据作对比验证。(5)本文所提信道模型包含了各种通信环境和天线参数,易于根据通信环境做调整且拥有较低的复杂度。模型可用于仿真研究多用户大规模MIMO系统中用户单天线设备由于倾斜而发生极化失配的情况,天线本身的交叉极化隔离,以及无线移动信道存在去极化现象的情况,这是目前现存大规模MIMO系统信道模型所不具备的。针对不同天线结构多用户多极化大规模MIMO系统性能对比分析缺失的现状,本文最后着重分析了所提模型各参数对信道正交性、信道条件数和信道容量的影响以及如何调整参数以提升系统性能。