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更高的传输速率、更好的网络覆盖和更低功耗是无线通信技术发展的一个重要趋势。空间分集和协作分集是解决这种问题的有效技术途径。其中,空间分集是采用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术,而协作分集是在发射端和接收端之间利用中继技术。本文针对结合这两种技术的无线MIMO中继通信系统中的波束形成技术进行了系统研究。论文的主要工作包括以下几点:1.简要介绍了网络编码、波束形成和双向中继等基本原理,并推导了三节点下的单、双向中继的系统模型。2.针对多组用户的MIMO双向中继系统,给出了两种以最大化最小用户速率为准则的波束形成算法,一是Min-POTDC波束形成算法,二是改进的Dinkelbach-Type算法。首先推导了在中继发射功率约束下的最大化系统和速率的Sum-POTDC波束形成算法,并在此基础上提出了以最大化最小用户速率为准则的Min-POTDC波束形成算法。将Min-POTDC算法与Sum-POTDC算法以及文献中的典型算法进行仿真比较,仿真结果表明Min-POTDC算法不仅达到了预期的最小用户速率上的优越性能,而且系统和速率的性能也很好。此外,针对上述系统的优化问题,在已有的基于Dinkelbach-Type算法的中继波束形成方法的基础上,给出了基于改进的Dinkelbach-Type算法的中继波束形成优化方案。文中从理论上证明了改进后的Dinkelbach-Type算法比原算法具有更好的收敛性,并将两种算法的性能进行了仿真比较。3.基于两种不同准则的安全波束形成优化方案:基于物理层安全的无线中继通信中波束形成技术的研究,针对MIMO双向中继系统中存在窃听者的情况,首先推导了安全和速率的表达式,并提出了最大化安全和速率的波束形成设计方法,用凸优化近似(SCA)算法进行求解,对单、双向中继的仿真结果进行了对比,再次验证了双向中继相对于单向中继的优势。然后,也给出了一种在窃听节点可达速率约束下的系统和速率最大化的波束形成优化设计,并在不同的窃听节点可达速率阈值下进行了算法仿真。