为了应对未来移动通信系统对连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接等多重技术场景提出的新挑战,亟待在无线传输技术以及网络架构方面取得新的突破。无定形无线覆盖网络通过密集部署远程节点,“以用户为中心”多天线协作组网,并依据用户的业务需求和特点动态调整网络结构,能够完美应对未来移动通信系统的多种需求,是未来网络架构的主要演进方向。目前,无定形无线覆盖网络的架构中仍存在无线传输环境复杂、硬件成本过高以及基站用户联合资源分配等技术难题。本论文针对其中若干关键问题,依据未来移动通信系统中各技术场景的差异化特点,深入研究了无定形无线覆盖网络中的传输技术和组网方式,并对系统性能进行了详尽的分析。首先,研究并发展了两类用于分析多输入多输出（MIMO,multiple-input-multiple-output）信道容量的重要数学工具:有限维随机矩阵理论（F-RMT,finite-dimension random matrix theory）和大维随机矩阵理论（L-RMT,large-dimension RMT）。无定形无线覆盖网络通过协作远程射频单元组网,使得通信链路呈现出分布式和MIMO无线传输的基本特征。考虑到随机矩阵与MIMO信道存在的紧密联系,利用F-RMT推导了有限维Wishart矩阵在不相关Rayleigh、半相关Rayleigh、以及不相关Riciean信道下的无序特征值概率密度函数及其任意阶矩;当矩阵维度充分大时,利用L-RMT推导了最大合并比、迫零预编码、以及正则化迫零预编码的渐进统计特性。理论结果揭示出了信道矩阵参数与MIMO系统性能之间的关系,并为后续无定形无线覆盖网络的系统性能分析以及系统设计提供了重要的理论依据。其次,针对连续广域覆盖的需求,提出一种基于分布式mMIMO的低成本无定形无线覆盖网络组网方式,并根据其上下行传输方案推导了对应的可达频谱效率。低成本无定形无线覆盖网络采用高低精度搭配的远程射频单元和光纤无线混合的前向链路,代替全高精度射频单元和纯光纤的前向链路的系统配置,极大程度上降低了功耗和部署成本。基于该网络架构推导了采用最大合并比接收时的上行可达速率,由此设计了针对混合系统架构的下行预编码策略,并利用L-RMT的理论成果,分别推导了在接入链路采用最大合并比传输、迫零预编码、以及正则化迫零预编码时用户可达速率的等效表达。数值仿真结果揭示出该低成本无定形无线覆盖网络能够以更高的能量效率达到全高精度分布式mMIMO的系统吞吐量,进而以最优能量效率目标,揭示了最佳的高低精度远程天线节点（RRH,remote radio head）之间的配置比例。之后,针对热点高容量的需求,提出一种基于超密集云接入网络的无定形无线覆盖网络组网方式,并研究了“以用户为中心”组网的无定形小区的高信噪比上行容量。从F-RMT的理论成果出发,通过将含大尺度信息的无线传播信道建模为半相关随机矩阵,推导了任意天线配置下遍历容量的近似闭式表达,给出了高信噪比下当链路两端天线维度一致时的容量下界。理论结果揭示出衰落指数、远程射频单元部署密度、以及天线数目配置对上行遍历容量的影响。在保证服务质量的前提下,据此提出了分别“以用户为中心”和“以射频单元为中心”的天线/用户调度算法以达到最优的能量效率。数值仿真结果表明,理论结果能够准确近似高信噪比遍历容量,且提出的天线调度算法相较于传统调度算法,能在达到相同的能量效率的前提下大幅减少远程射频单元的部署密度。最后,针对低功耗大连接的需求,对基于混合架构分布式mMIMO的无定型无线覆盖网络提出一种“以用户为中心”的组网策略,并深入分析了组网过程中的用户激活检测、信道估计、以及用户与远程射频单元动态分簇等算法。从用户激活检测和信道估计研究入手,提出了一种基于交替方向乘子算法（ADMM,alternating direction method of multipliers）的快速算法,能够在高效检测用户状态的同时估计即时信道信息,进而基于即时信道信息中取得的大尺度衰落信息,构建用于用户与远程射频单元动态分簇的先验观测空间并确定最优的分簇数。通过加权?1范数近似天线选择矩阵,将动态分簇问题建模为一个最大化和速率优化问题,在考虑前向回程容量以及总功率受限的情况下,求解最优的分簇策略。仿真结果表明提出的ADMM算法能够快速检测用户状态信息,并验证出其提取的大尺度信息能够在密集的分布式系统中达到估计准确度的上界。同时,动态分簇算法的仿真结果表明了其强收敛性,并且在不同的系统配置下均能明显提升系统和速率。
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