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众所周知,增加天线个数可以提高无线通信系统的容量,因此大规模M][MO已成为未来高频谱效率无线通信系统的一个重要技术选项。在实际当中,大量天线阵元的部署势必要受到物理空间的限制。当大规模MIMO系统的天线阵列空间被限定时,天线个数的增加将会带来(1)天线之间相关性的增加,(2)相邻天线之间的互耦效应增强。天线的空间相关性及互耦效应将对MIMO系统的性能产生不可忽视的影响。此前有关大规模MIMO优化的研究中,经常假设天线不相关,尤其对天线互耦效应考虑得更少。故此,这些研究的结论对于实际中天线阵列所占空间受限的情形来说不一定完全成立。本文主要从空间受限导致的天线相关性和互耦效应这个角度出发,研究大规模MIMO的天线布局优化、天线密度优化以及天线选择优化。论文主要工作和创新点如下:1.研究了大规模MIMO中的天线阵列布局的优化问题,对于多种场景给出了容量最优的天线布局。当天线数目较大时,天线之间的空间相关性和互耦效应与天线布局密切相关,进而使系统容量成为天线布局的复杂函数。本文使用组合优化算法模拟退火算法分别对天线空间直径受限三维、二维及一维场景进行了天线阵列布局的优化。结果表明,各场景的最优布局中各天线单元分别分布于球体表面、圆形周长、直线沿线,且接近同条件下均匀布局。2.研究了大规模MIMO中的天线数目的优化问题,对于多种场景给出了能使容量最优的最佳天线个数。天线不相关时,大规模MIMO的容量渐进随天线数线性增长,相关性的引入会使增长速度减弱,但还能继续保持单调增长,而天线耦合效应会使天线数增大到一定程度后,容量反而随天线数的增加而减小。因此在空间受限的情况下,不能简单地认为大规模MIMO系统的天线单元数目越多越好。本文分别对单用户MIMO系统、多用户MIMO上行链路、多用户MIMO下行链路中天线数目等多种场景进行了研究。结果表明,当天线数目达到一定天线数后,再增加天线,空间相关性和互耦效应剧增,阵列增益将不敌空间相关性和互耦效应的负面影响,反而会带来系统容量的下降。本文针对一些典型的MIMO系统给出了最佳天线数目。3.研究了大规模MIMO中的天线选择的优化问题,提出了一种能改善系统有效容量的分组切停式天线选择方法。此前有关天线选择的研究普遍未考虑天线互耦效应的存在,最佳天线阵列子集的选择通常是对总MIMO信道矩阵的各子矩阵进行考察后选择的。考虑互耦效应后,天线子集构成的信道矩阵并不是总信道矩阵的子集,这使最优的天线选择必须以穷举的方式逐一测量所有子集下的信道矩阵,致使系统开销巨大。本文针对这一问题提出了一种分组切换分集方案。将大规模MIMO天线阵列分为若干个组,组内的天线阵列布局能使天线的互耦效应和空间相关性相对最小,通过切停方式工作在某一组上。仿真结果表明,本文提出的分组切换分集系统比传统天线选择方案具有更优的有效容量性能,更低的操作复杂度,更低的系统存储负荷。