随着信息社会的进一步发展,能够显著提升频谱和能量效率的大规模多输入多输出（MIMO,multiple-input multiple-output）技术已成为第五代移动通信（5G,5th generation mobile communication）的关键使能技术。在大规模MIMO系统中,基站（BS,base station）侧部署大规模天线阵列,可产生空间域定向信号,进而可同时服务在同一时频资源下的数十个用户,该特点可应对无线数据业务需求的快速增长以及新业务需求带来的挑战。一方面,针对用于交换用户特有数据的专用信道传输方法已有较为广泛的研究,而另一方面,许多必要的同步与控制信息需要通过公共信道传递给小区内的所有用户而不仅仅是特定的活跃用户。公共信道的传输特点催生了在大规模MIMO系统中设计具有广覆盖特性预编码方法的需求,与此同时,系统功率效率亦对同步与控制信息的传输有重要影响,本论文开展面向同步与控制信息传输的大规模MIMO广覆盖预编码设计理论方法研究。首先,针对配备有均匀线性阵列（ULA,uniform linear array）的大规模MIMO系统,提出能够同时满足各天线相等发射功率和半酉矩阵约束条件的预编码设计方法,并基于流形优化理论和交替投影理论设计了搜索算法。为了确保功放使用效率并提升可达遍历速率,考虑预编码矩阵同时满足在各个天线上相等的发射功率以及半酉矩阵约束条件。在流形优化框架下,上述两个约束条件下的预编码矩阵设计问题可转化为在oblique流形和Stiefel流形交集上的优化问题,由此提出采用在这两个流形交集上的最速下降法来获取最优解,利用交替投影方法推导了最速下降法的搜索方向,并分析了所提出方法的收敛性能。所提出方法可用于全向或扇区形状功率图样设计。数值仿真结果表明,预编码产生的功率图样在小区覆盖范围内不同空间方向上的波动小于现有基于ZC（Zadoff-Chu）序列方法所产生功率图样的波动。然后,针对配备有均匀矩形阵列（URA,uniform rectangular array）的大规模MIMO系统,以漏检（MD,missed detection）概率作为同步性能评价指标,构建了追求小区覆盖范围内用户间公平性的准则,并提出了同步性能优于基于半功率波束宽度（HPBW,half power beam-width）设计的广覆盖预编码方法。采用漏检概率表征小区覆盖范围内的同步性能,通过考虑小区覆盖范围内漏检概率的公平性,建立了预编码设计准则,同时考虑在各个天线上相等的发射功率来高效利用基站侧功放（PA,power amplifier）容量。利用流形优化框架提出在上述准则与约束下的3D大规模MIMO广覆盖预编码理论方法。将各天线上相等的发射功率约束视作单个oblique流形,进而在该流形上采用共轭梯度法搜索满足公平性设计准则的预编码矩阵,并且该算法的收敛性能显著优于以往基于最速下降法的算法。数值仿真结果表明小区内全体用户的公平性可以确保,相比基于HPBW设计的预编码,所提出方法引起的小区干扰更小,并且具有更好的同步性能。最后,针对配备有URA的大规模MIMO卫星通信系统,以时频同步问题的估计误差上界作为同步性能评价指标,提出基于最小最大准则的广覆盖预编码方法,相比于先前研究中采用的公平性准则,新方法在帮助用户终端进一步获取增益的同时降低了计算复杂度。选择改进型克拉美罗矢量界（MCRVB,modified Cramér-Rao vector bounds）作为符号定时偏移和频率偏移估计问题的基准,该基准可视为广覆盖预编码设计问题中时间与频率同步的性能指标。通过考虑最小最大MCRVB准则以及各天线上相等发射功率的约束条件,提出将预编码设计问题构建为离散功率图样上的非凸约束最小最大问题,该优化问题可利用光滑技术结合流形优化方法解决,为减小计算复杂度,采用了非单调共轭梯度法。数值仿真结果表明,所提出方法在覆盖范围内的平均及最小接收功率都高于先前基于公平性准则方法的接收功率,相比现有的全向或广覆盖预编码方法,具有更好的同步性能。