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利用无线信道空域、时域、频域的三维空间信息，紧密结合正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MLMO）、空时编码、自适应资源分配、自动重复请求（ARQ）、波束形成等技术，可以使得通信系统在有限的带宽上达到更高的发射功率利用率、更高的频谱效率，保证可靠的通信质量。本文针对未来军用无线通信系统，从系统总体设计层次并考虑低复杂度实现，探讨如何获得更高的数据传输速率和链路可靠性的问题。本文主要创新点包括以下几个方面：
⑴为了达到可靠的、高速率传输以及低解码复杂度的目的，首先，研究全速率、全分集的空时分组码设计方法。采用基于坐标交织正交设计方法，提出一种2×2 MIMO瑞利准平稳平坦衰落信道低最大似然解码复杂度的空时分组码。其次，基于以上码设计理论研究和认识，进一步地将这种优秀的坐标交织正交设计技术引入实用的系统设计之中，并结合网格码技术和空时分组码技术，提出可达到高分集增益同时极大地提高码字错误率性能的网格空时分组编码MIMO-OFDM系统，仿真结果表明，提出的网格空时分组码的性能显著地超出参照系统。
⑵为了达到实际无线通信网络最优化吞吐量的目标，本文研究单用户情形下的网络最优化问题。首先研究SISO-OFDM系统的资源分配问题，然后将研究结果扩展到MIMO-OFDM系统。针对实际应用的多天线系统发射端不能利用完全的信道状态信息的问题，采用次优的预滤波技术，应用不同预滤波系数构成一个发射波束，提出一种发射端自适应MLMO信道的功率分配算法。为了解决编码MIMO-OFDM系统以子载波误比特率为目标的最优化问题，提出最优贪心功率分配算法以及次优贪心功率分配算法，将最优贪心功率分配算法修改成自适应分组错误率算法。仿真结果表明，提出的自适应算法对系统性能的改善是显著的。
⑶目前的OFDM通信系统物理层设计通常是基于均匀比特和功率分配的传输模式，其系统性能还有进一步改善的潜力。本文针对收发两端有完全的信道状态信息的情形，开展了H-ARQ OFDM网络吞吐量最大化自适应资源分配方面的理论研究，研究自适应分配比特及功率问题，提出编码自适应ARQ重传协议的多载波系统的比特和功率分配算法。研究在慢变信道上应用选择性重复（SR）、N次往返（GBN）以及停止.等待（SAW）这三种类型的ARQ协议的系统吞吐量。提出几种求解离散比特和功率分配问题的方法。有以下主要研究结果：适当的信噪比间隙值（等价于目标误比特率）的注水解等于等误比特率功率分配松弛问题的解，它在吞吐量意义上是近优的，同时复杂度低；吞吐量表示比特率和误比特率之间的折中；对于目标误比特率，最大化吞吐量可以由联合最大化比特率实现，这个问题的解是注水解，然后，调整目标误比特率。本文给出选择这个目标误比特率的方法，并解析地说明信噪比间隙值依赖于以下几个因素：所用的卷积码、帧长度、所采用的ARQ协议类型、可利用的发射功率以及子载波增益的同调和几何中值。
⑷传统的H-ARQ协议不能有效地利用MIMO系统为空间分集提供的维的问题，为了提高通信可靠性，本文提出一种应用于多天线慢变信道上基于Alamouti码的空时分组编码H-ARQ传输方法。这种技术利用MIMO信道空间和时间分集，提高H-AR-Q分组传输的效率。这种方法应用Alamouti码的全分集以及分组合并方法提供的更多增益，为通信提供可靠性。分析空时编码MIMO-HARO的分组错误率，推导基于Alamouti码的H-ARQ协议的多维成对错误概率；仿真结果表明，提出的方法在性能上优于传统的Chase合并（CC）。基于Alamouti码的H-ARQ协议的增益得益于低的分组错误率以及接收机软输出最大似然检测的低复杂度。
⑸目前已报道的大多数多用户MIMO波束形成的次优传输方法仅是基于发射机有可利用的完全信道状态信息的假设，在实用上很难实现。针对发射端有部分信道状态信息的MIMO-OFDM下行链路，并且考虑到尽可能地减少多用户MIMO-OFDM系统中用于控制的开销及信号处理复杂度，提出两种次优传输解决方案：①基于每簇用户选择的方法，将它应用于有限反馈多用户MIMO-OFDM下行链路，簇长度经过最优化处理，获得非常逼近于系统的和速率；②基于每个子载波每个天线的用户选择，采用空间复用传输以及来自用户的预后处理信噪比反馈值，用户在每个子载波上应用线性迫零处理。仿真并比较分析这两个低复杂度空间复用传输方案的性能。
⑹针对多蜂窝MIMO系统中，上行链路导符往往受到来自其他小区的用户信号干扰使得导符失去正交性，这些非正交导符必然影响小区基站信道估计的质量。为了减弱因这种导符损坏引致的可达速率下降，提出基于多小区预编码技术，这种技术降低小区内和小区间的干扰，从而改善系统性能。仿真结果表明，这种应用于TDD系统中所有小区的多小区最小均方误差预编码技术的性能优越于迫零预编码以及基于双向导符的预编码技术。