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多入多出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）通信系统通过部署多天线,可利用空间复用增益提高系统频谱效率,也可根据分集增益提高系统的可靠性,受到了大量学者的关注。然而,通信节点的能量限制制约着通信网络的寿命,成为通信系统发展的瓶颈,阻碍着绿色通信的发展。无线携能（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）技术利用射频（Radio Frequency,RF）信号的能量与信息并行传输特性,可以延长无线通信系统时间,成为实现绿色通信的重要方式。此外,中继系统具有扩大网络覆盖面积、降低发射功率、提高系统频谱效率和提高边缘用户服务质量等优点。所以,考虑将MIMO技术和SWIPT技术应用到无线中继通信系统中。然而,两种技术应用到传统无线中继系统中,对资源分配等问题提出了严峻挑战。因此,本文结合多天线预编码技术和数学优化工具,实现无线携能MIMO中继系统高效的能量和信息传输。具体内容如下:第一,针对多天线造成的干扰及功率划分系数优化问题,提出一种基于SWIPT技术的MIMO协作中继系统传输方法及其功率划分优化算法。当直达链路受严重大尺度衰落影响时,提出适用于该场景传输方法。与传统中继系统不同,中继节点采用功率划分（Power Splitting,PS）模式进行能量收集和信息解码,收集的能量用于第二阶段提供发射功率。提出了基于迫零接收/迫零发射（Zero-Forcing Reception/Zero-Forcing Transmission,ZFR/ZFT）和最大比合并/最大比发射（Max-imum Ratio Combining/Maximum Ratio Transmission,MRC/MRT）编码的无线携能MIMO中继系统的传输方法,并推导了两种编码方式的系统可达和速率。此外,设计了基于奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）编码的无线携能MIMO中继系统,以便对角化中继两侧MIMO子信道,消除多数据流之间的干扰,以最大化可达和速率为目标,优化求解出每根天线的最优PS闭合表达式。第二,针对大规模MIMO对无线携能中继系统的性能影响,提出了基于中继无线携能（Relay-SWIPT,R-SWIPT）技术的大规模MIMO双向中继系统传输方法。在双向中继通信场景中,利用大规模MIMO波束赋形技术,提出了适用于该场景的传输方法。与传统双向中继不同,无线携能PS模式被应用于大规模天线中继节点,中继系统采用了两种经典的中继线性编码ZFR/ZFT和MRC/MRT,进而推导了两编码的确定性和速率。根据得到的确定性速率,推导出四种典型功率缩放案例的渐近性能。最后,仿真结果验证了渐近性能的正确性,并且研究了 PS系数、位置系数和用户天线个数对中继系统速率性能的影响,这些理论性能分析将对大规模MIMO中继系统的实际应用具有重要意义。第三,针对无线中继系统用户节点或目的节点能量受限问题,提出了基于用户无线携能（User-SWIPT,U-SWIPT）技术的MIMO双向中继系统传输方法及其优化算法。在双向中继通信场景中,SWIPT技术被应用在用户节点,提出了适用于该场景的传输方法,联合优化了用户和无人机中继的编码矩阵与用户的PS系数。在满足用户最小接收信噪比的前提下最大化用户剩余能量,根据此优化问题,提出了两种优化算法,即迭代优化算法和低复杂度广义奇异值分解（Generalized Singular Value Decomposition,GSVD）算法,所提的两种算法具有较好的性能,并且能够更好地匹配MIMO信道,从而实现了用户节点剩余能量最大化的目标。值得注意的是,低复杂度GSVD算法在复杂度和性能之间做了出色的折中,其复杂度比迭代优化算法小很多,但系统性能与迭代优化相近。第四,针对多用户中继系统传输方法设计与干扰抑制问题,提出了基于SWIPT技术的多用户MIMO中继系统传输方法及其优化算法。在多用户中继通信场景中,中继节点采用时间切换（Time Switching,TS）模式的无线携能技术,并且中继节点利用第一阶段收集的能量,将第二时隙接收并处理的信号放大转发给多个用户节点。以最大化和速率为设计目标,对源节点和中继节点的编码矩阵以及TS系数进行联合优化设计。由于能量传输编码矩阵与优化问题目标函数没有直接相关性,故预先独立设计出最优能量传输源节点编码矩阵。然后,提出了基于SVD-ZF技术的编码结构,将原来复杂的矩阵优化问题转换为简单的功率分配优化问题。最后,利用迭代优化算法得到最优的源节点与中继节点信息传输编码矩阵以及TS系数。值得一提的是,虽然利用迭代优化算法分步求解源节点和中继节点功率分配,但关于中继节点功率分配优化问题依然是非凸问题,通过采用凸差（Difference of Convex,DC）算法将中继节点功率分配优化非凸问题转化为可解的凸问题。综上所述,本文将SWIPT技术和MIMO技术应用到无线中继通信系统中,通过优化中继系统节点的资源分配,得到基于SWIPT和MIMO技术的中继系统能量与信息并行高效传输,进而提高中继通信网络的频谱效率并延长网络服务寿命,真正意义上实现绿色通信。