无线接入需求的爆炸式增长有效促进了对新的高吞吐量,绿色和灵活的无线通信技术的研究。一般而言,信道衰落和干扰是实现可靠无线通信的主要障碍。在现有的技术中,空间分集技术是一种低成本,有效的消除干扰和对抗衰落的技术。传统上,多输入多输出技术(Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO)是依靠安装在发送端和接收端的多个发射和接收天线来产生空间分集效果。然而在实际的异构网络中,虽然宏基站可以安装多个基站,微蜂窝和移动终端由于尺寸,复杂度和成本的限制,往往难以安装多个天线。因此通过协作的方式突破这些限制达到空间分集的效果便成为了一种有效的替代方案。在协作通信系统中,空间中分布式的节点可以通过协作形成一个虚拟的多输入多输出系统(Virtual MIMO),以其巨大的潜力成为传统MIMO技术的有效替代方案。通过中继节点间的协作,信宿可以收到信源发出信息的多个副本,从而达到分集效果,大大提高网络的可靠性和能量效率。大量信息论的分析被用于评估不同的协作架构,然而由于在实际环境中实现这些理论性能将需要极大的复杂度与时间延迟。因此如何在设计时将实际系统的约束考虑在内将是一项极大的挑战并对工程应用有着显著的意义。协作波束形成是一种新的协作通信方式,其中同步的中继节点可以通过放大转发的机制形成一个协作波束,用来指向期望的接收端,从而获得能量增益,抑制干扰,提高分集阶数。由于其简单有效的特点而获得了广泛的关注与应用。为了实现协作波束形成,我们在发射端和接收端都需要一定的信道状态信息(Channel State Information, CSI)。然而无线信道的内在随机性使得信道往往经历时间,频率,空间的选择性衰落。因此获得无误差的信道状态信息成为工程上的难题。一般说来,我们可以大致认为接收端可以通过训练序列获得较为精确的信道状态信息。对于发送端,可以通过反馈的方式(例如在慢衰落信道),或者利用上下行信道的互惠性(例如在时分多址系统中)获得部分信道状态信息。我们根据不同信道状态信息的假设将其分为两大类,1)不需要发送端信道状态信息的技术(如空时编码技术),2)需要全部信道状态信息的技术(如波束形成技术)。然而实际系统中更现实的情况是只有部分信道状态信息。因此我们可以利用部分信息来提高原本发送端不需要信道状态信息系统的性能。同时对于发送端需要完整信道状态信息的技术,可以将信道误差考虑在内来使系统对信道状态信息误差鲁棒。由于信道状态信息的不确定性,如何使系统对参数误差鲁棒是协作波束形成中必须考虑的问题。参数误差来自多个方面,如低的训练信噪比,量化,有限的反馈,反馈时延。基于信道误差的建模,我们有两种不同的鲁棒分布式波束形成技术。1)基于最差情况分析的鲁棒波束形成技术。2)基于概率约束下的鲁棒波束形成技术。通常最差情况分析鲁棒波束形成技术不需要知道误差的概率分布,只需要知道其分布区间,便可以提供可靠的服务质量。然而由于实际上最差情况极少发生,使得这种设计往往过于保守,造成不必要的性能损失。另一方面,考虑到我们多通过训练序列的方式获得信道状态信息,受限的信道状态信息误差往往不能反映误差的真实分布,只能作为一种近似。为了克服这种缺陷,随机模型被引入描述信道状态信息的误差。服务质量可以被置为预先确定的置信区间而不是确定的值。然而后一种准则需要知道CSI误差的分布,并且与前者相比要复杂的多。两种模型的设计准则都是根据误差模型,在保证系统的服务质量前提下,最大程度降低系统的功耗。这一类问题一般可以通过凸优化的工具解决。即使原问题不是凸问题,但是通过对优化变量,目标函数和约束条件的处理操作,我们往往能将其变为凸形式。目前一个公认的事实是,一旦一个问题转换为凸形式,即使不存在闭式解,其也可以被有效最优解决,例如通过内点法(Interior-Point-Method)。另外现有的中继协作网络多基于两跳模型,我们还考虑一个三跳协作波束形成网络,来对两簇中继节点的波束形成系数进行联合优化。论文的主要贡献及创新点如下：1.针对多中继协作波束形成模型,考虑在第二跳链路存在高斯分布CSI误差时的QoS约束等价条件。由于原始的优化问题不具备凸性,我们对约束条件进行了松弛,进而提出一种基于凸优化的次优解决方法。在此基础之上,我们又提出了一种基于一维搜索(One Dimension Search)与凸优化结合的近最优的解法。2.针对三跳多中继网络模型,提出了一种基于模拟退火算法的协作波束形成技术。我们发现原始的优化问题很难用传统的优化方法解决,因而我们转而利用启发式的优化算法,即模拟退火(Simulated Annealing, SA)的方法来求得随机意义的最优解。然而启发式算法的计算复杂度一般较高,实时性不好,我们又提出了一种高效的次优解法。3.针对多用户多中继协作波束形成的网络模型,考虑第一跳与第二条同时存在误差,且误差被限定于已知的椭球空间之内,我们推导了新的目标函数与约束条件,设计了一种基于最差情况分析的协作波束形成技术。我们发现所得到的优化问题是一个半正定规划的问题,因而可以通过内点法最优解决。