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随着移动互联网的兴起和多媒体业务种类的不断增加,人类对无线通信系统的有效性和可靠性提出了越来越高的需求。然而无线通信系统受到信道环境和频谱资源有限的制约,若要提高无线通信系统的有效性和可靠性需要在物理层有革命性的技术。多天线技术在不增加带宽和发送功率的前提下能大幅度的提高了无线通信系统的传输速率,已成为未来无线通信的关键技术。在多天线系统中,采用预编码技术可以同时增加其复用增益和分集增益,提高了系统的有效性和可靠性,成为最近学术界研究的热点问题。本论文在国家科技重大专项(2009ZX03002-009-01)和国家自然科学基金(60872149、60672132)的支持下,深入研究了多天线系统的预编码相关技术,对多天线广播系统、虚拟多天线协同系统,多天线多基站系统中的预编码技术进行了深入的研究,本论文主要工作和创新点如下：(1)通过对多天线广播系统的非线性预编码的研究,针对现有的迫零TH预编码(Zero Forcing Tomlinson-Harashima,ZF-TH)存在无法支持多流数据传输的问题,本论文采用收发联合处理,提出了一种适合两用户场景的低复杂度ZF-TH预编码方法,该方法在传统ZF-TH基础上,利用广义特征向量的性质,进一步消除数据流间干扰,实现了每个用户多流数据传输,从而达到系统的满复用增益。此方法在与ZF-TH预编码复杂度相当的条件下,有效提高了系统的容量,接近系统的理论容量限。(2)多天线广播有限反馈条件系统中,当接收端配置多天线时,由于传统的预编码方案在设计中忽视量化误差存在的影响,使得系统的容量和误比特性能均造成损失,针对此问题,本论文通过研究反馈信道方向信息(Channel Direction Information, CDI)码本量化误差的统计特性,推导出量化误差相关参数的一阶和二阶统计特性,并以此为依据,基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)准则,提出了一种考虑量化误差的收发端联合优化的预编码方法,此方法有效克服了反馈误差对系统性能的影响,提高了系统的容量,并且降低了误码率(Bit Error Rate, BER)。特别是在高信噪比的条件下,有效抑制了BER性能的平顶效应。(3)虚拟多天线多用户广播系统中,当接收端配置多天线时,中继通过有限反馈系统获得前向信道的CDI,传统的块对角化(Block Diagonalization, BD)预编码方法忽视量化误差存在的影响,会造成系统性能损失,并且计算复杂度较高。针对此问题,本论文提出了一种考虑量化误差的改进BD算法,此方法相对于传统的BD预编码方法,不但在BER性能上有较大的提升,并且降低了计算复杂度。由于BD预编码方法,没有考虑前向信道和后向信道噪声对系统BER性能影响,针对此问题,本论文提出了一种基于MMSE的预编码方法,相对于改进BD预编码方法,此方法虽然复杂度有所增加,但具有较高的BER性能,特别在低信噪比条件下。在前向信道和后向信道的CSI通过有限反馈得到的条件下,传统BD预编码方法会带来系统复用增益方面的损失,针对此问题,本论文在分析两个信道反馈比特对系统容量影响的基础上,提出了一种总反馈比特最小化的比特分配方案,此方案在高信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)条件下,能够达到满复用增益。(4)虚拟多天线协同双向中继系统中,两个基站端配置多天线,中继端配置单天线,两个信道均为Nakagami-m衰落,并且两个信道衰落不同(即m的取值不同),这种场景应用广泛,但性能增益无法进行定量分析,针对此问题,本论文通过分析两个基站SNR的概率分布密度函数,推导出两个基站端的中断概率和BER的闭合表达式,仿真验证了理论推导的正确性,为多天线双向中继系统继续优化提供了理论支持。(5)针对多天线多基站系统中联合迫零预编码方法中,只反馈CDI的方案无法达到满复用增益的问题,提出了在Wyner模型下的双码本反馈方案,通过增加反馈CDI和信道夹角信息后,系统的复用增益可以达到满复用增益。并且通过分析夹角信息的统计特性,设计出一种非均匀量化码本。仿真结果表明,所提的方法在不增加反馈比特数量的情况下,有效提高了系统容量。