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随着人们对无线通信需求的不断增长,无线电频谱日趋饱和。作为无线电通信的有效辅助或替代技术,无线光通信受到了广泛关注。为了解决大气湍流信道中的信号衰落问题,常采用多输入多输出无线光通信（Multi-Input Multi-Output Optical Wireless Communications,MIMO-OWC）。然而,由于MIMO-OWC系统信号和信道的双重非负性以及信道概率分布函数的超几何特性,MIMO-OWC系统不能完全沿用MIMO无线电通信（Radio Frequency,RF）中适用于双极性复信号和复高斯信道的可靠传输理论和方法。因此,本文围绕MIMO-OWC的可靠传输这一主题,针对如何实现可靠传输、可靠传输的星座设计应遵循何种准则以及如何设计实现可靠传输的高效星座等三个关键问题,从六个方面内容展开研究。本文主要研究内容和研究结果如下所示:第一部分:超长方体覆盖理论。针对MIMO-OWC系统如何实现可靠传输的问题,给出了实现信号可靠传输的超长方体覆盖理论。从非负矩阵信道中的信号唯一可辨识问题出发,证明了MIMO-OWC系统中信号唯一可辨识的代数条件为超长方体全覆盖,并给出了超长方体覆盖阶数和覆盖边长的相关性质及其证明,形成了超长方体覆盖理论。本文研究表明,实现MIMO-RF可靠传输的满秩条件为超长方体全覆盖的充分而非必要条件。第二部分:超长方体覆盖分集性能准则。针对衰落信道MIMO-OWC系统可靠传输的星座设计应遵循何种准则的问题,得到了对数高斯信道MIMO-OWC系统星座设计的超长方体覆盖准则。利用超长方体覆盖理论证明了:覆盖阶数影响误码曲线随着信噪比的指数衰减速度,超长方体覆盖体积决定误码曲线在高信噪比时的多项式下降速度;超长方体覆盖是对数高斯衰落信道下MIMO-OWC多维星座实现全分集的充要条件。针对多维星座设计,给出了超长方体覆盖性能准则:最大化任意不同信号之间差分矩阵对应的超长方体覆盖阶数,并最小化几何加权的超长方体覆盖体积。第三部分:高效信号星座设计。针对如何设计MIMO-OWC系统可靠传输的高效星座问题,基于超长方体覆盖准则给出了不同四种场景下的高效星座设计。在空间星座设计方面,基于数论中的Farey序列理论和全覆盖条件,给出了一般性的最优方案。在块衰落信道最优空时星座设计方面,给出了最优线性空时星座、非线性空时星座最优结构以及整数最优非线性空时星座。在移动衰落信道最优线性星座设计方面,给出了基于黄金分割点的黄金码。在多用户高效星座设计方面,给出了最优的加性唯一可分解星座组。具体如下:1、衰落信道最优空间星座设计。考虑对数高斯信道MIMO-OWC空间星座设计时,给出了超长方体覆盖准则下的最优多维空间星座。利用超长方体覆盖准则,基于数论中的Farey序列理论和超长方体全覆盖条件,给出了负象限内最优多维空间星座,且该最优方案具有快速最大似然检测算法。理论结果表明,在信道系数方差相同时,最优空间星座为重复码（Repetition Coding,RC）,即给出了RC的最优性条件;信道系数方差不等时,为RC在空间上进行最优功率分配。仿真表明,在高信噪比区域,最优空间星座相对于RC获得较大性能增益。2、块衰落信道最优空时星座。在对数高斯块衰落信道MIMO-OWC系统中,基于超长方体覆盖准则下,得到了非负象限内最优的线性多维空时星座和非线性空时星座结构,并设计了整数最优的非线性多维星座。首先,证明了超长方体覆盖准则意义下最优的线性多维空时星座为RC在空间上进行最优功率分配,且该线性最优设计具有快速最大似然检测算法。然后,给出了超长方体覆盖准则下最优的非线性空时星座结构:空间维度上进行最优功率分配,时间维度上设计AWGN（Additive White Gaussian Noise,加性高斯白噪声）信道中基于最小欧氏距离最大化的最优多维星座。最后,基于丢番图方程理论,给出了一种整数范围内最优的非线性空时星座设计方案。仿真结果表明,与已有方案相比,所给线性最优设计以及丢番图设计均具有较大性能增益。3、快衰落信道时隙关联的黄金码设计。针对MIMO-OWC快衰落对数高斯信道的可靠传输问题,通过求解基于超长方体覆盖准则的max-min优化问题,给出了双时隙关联的最优线性空时星座,证明了该多维星座为基于黄金分割点(51/2)/2≈0.618的Golden Code。该最优线性设计的超长方体覆盖体积不随调制阶数增加而变大。仿真表明,与已有方案相比,所设计的Golden Code获得性能增益较大,且随着比特速率增加而变大。4、多用户最优一维多址方式。针对多用户MIMO-OWC系统可靠传输问题,基于超长方体覆盖准则下的最优空间多维星座结构,利用MIMO-OWC信道和信号双重非负性特点,给出了加性唯一可分解星座组的概念,并设计了一种具有低检测复杂度的最优加性唯一可分解星座组。该方案为MIMO-OWC中最优的一维非正交多址方式,可以为多个用户提供灵活的优先级策略。与常用的时分多址相比,该方案在用户优先级速率优先级不同时,具有显著的性能优势。