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多输入多输出（MIMO）技术利用多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发送功率的条件下，有效改善通信系统的容量和频谱效率。跨层设计充分利用网络各层的相关性，根据无线网络环境动态变化，实现自适应优化配置和合理的资源。因此，针对MIMO系统的跨层设计研究，在充分利用有限无线资源的同时可以提高系统的性能，将有着重要的理论意义和研究价值。本文针对反馈时延引起的不完全信道状态信息（CSI），通过联合物理层的自适应调制和数据链路层的受限自动重传请求，研究空时编码的MIMO系统和中继选择的协作MIMO系统中基于不完全CSI的跨层优化设计，以期更好地提高系统频谱效率，为跨层设计进一步实用提供理论依据。全文的主要工作如下：1、研究空时编码的MIMO系统中基于不完全CSI的跨层设计,并推导了系统平均误包率（PER）、平均丢包率（PLR）以及平均频谱效率（ASE）等表达式。考虑到反馈时延对自适应门限有影响，提出基于最大后验概率的可变门限来进行自适应调制，仿真结果表明，与传统固定门限相比，此可变门限可有效减小时延对系统性能的影响，提高系统ASE，降低平均PLR。2、研究不完全CSI下MIMO系统中结合功率分配和空时编码的跨层优化设计。在此研究中，以最大化系统ASE为优化目标，提出一种基于最大化压缩信噪比的次优功率分配方案，可获得闭式功率分配解，简化最优解的计算复杂度。仿真结果表明，所提方案与已有最优功率分配方案有着相似的性能，极大地提高了系统ASE，实现了复杂度和性能的有效折中。3、研究协作式MIMO通信系统中跨层设计，提出了基于不完全CSI和中继选择的跨层优化方案，推导了系统ASE和平均PER，以实现性能的理论评估。在此基础上，提出基于平均PER约束的跨层优化设计，以克服通常瞬时PER约束所带来的性能损失。该设计通过最大化系统ASE来优化自适应门限值，提出了一种联合Lagrange乘子法和Newton法的迭代方法获得门限值。仿真结果表明，与瞬时PER约束下的系统跨层设计相比，所提跨层优化设计方案可获得较高的频谱效率。