随着人们对高速通信网络需求的不断提升以及移动通信中数据量持续的增长,促使了如今5G通信网络以及相关技术的迅速发展。MIMO系统以及由其衍生的大规模MIMO系统因能够为通信系统提供可观的复用增益和分集增益,成为了在目前已有的5G通信网络的雏形中必不可缺的一环。近些年,为了使通信系统的服务质量得到进一步的提升,学术界持续地进行着MIMO系统的相关研究。一些具有创新性及实用性的MIMO系统模型不断地被研究者提出。其中具有代表性的是基于信道时变性的MIMO系统,其由于考虑到通信信道的时变性,选择对一段时间内不断变化的系统进行研究,并通过信道的时变演进模型及最优化算法,提出时变系统相关优化问题的解决方案。与传统对静态系统的研究相比,基于信道时变性MIMO系统的研究考虑了现实系统中的不确定性,使研究的结果更具有现实意义。而另一个备受关注的研究点是分布式MIMO系统,其因为能够为系统带来较高的频谱效率和良好的覆盖率被认为是迎合目前不断增长的网络需求的关键技术之一。同时与传统的集中式的天线部署方式相比,分布式的天线部署还可以为系统提供更好的边缘用户服务以及更低的天线间干扰的收益。本文将基于现实MIMO系统的时变性,分别在集中式天线结构和分布式天线结构下,对单用户MIMO系统和多用户MIMO系统中信道追踪问题和预编码设计问题进行详细的研究。本文主要的创新点包括:第一,针对于时变集中式MIMO系统,本文引入了一种用于研究的集中式MIMO信道的系统演进模型,进一步地,在该系统演进模型的基础上,本文提出了一种低开销的信道追踪策略,包括策略提出的基本思想,策略的详细描述以及策略中各个参数的分析,同时,为了更好地分析所提出的信道追踪策略的性能,本文考虑在系统采用不同的数据流数时以及不同的功率分配策略下的系统频谱效率表现,最后,本文还以接收端功率损耗为标准给出了在低开销信道追踪策略中系统的最佳反馈间隔。第二,针对于时变分布式单用户MIMO系统,本文引入了分布式单用户MIMO信道的系统模型以及时变演进模型,由于分布式系统的引入,分布式单用户MIMO系统的时变演进模型不再服从一阶马尔可夫链的形式。进一步地,在该系统模型的基础上,本文提出了时变分布式MIMO信道下单用户预编码矩阵的迭代搜索算法,其中包括算法的内容描述,算法中各参数的选择,算法的误差分析以及在时变分布式MIMO系统中功率分配的策略,同时,在与其它分布式MIMO系统中预编码矩阵设计算法相比中,本文所提出的迭代搜索算法体现出了更好的性能,以及对时变系统具有更好的适应性。第三,针对于时变分布式多用户MIMO系统,本文同样引入了分布式多用户MIMO信道的系统模型以及时变演进模型,由于引入了多用户系统,使得分布式多用户MIMO系统的时变演进模型变得更加复杂,以至于相邻信道时刻的信道矩阵之间并不存在显性的线性关系,必须借助若干个辅助矩阵,才能完成时变演进模型的构建。进一步地,在该系统模型的基础上,本文提出了以时变分布式MIMO信道下多用户系统的系统和速率为优化目标的两种优化算法,其中一维搜索算法可以得到更理想的优化效果,而循环MMSE搜索算法则拥有更快的计算速度。同时,仿真结果表明本文所提出的两种算法均能有效地改善时变分布式多用户MIMO系统中的信道容量。