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多输入多输出（Multiple-input Multiple-output，MIMO）技术在过去二十年中得到了广泛的研究与应用，而且由于可以有效提高系统容量，改善通信可靠性，MIMO技术已经被应用到无线通信的许多标准之中，是目前以及下一代无线通信的核心技术之一。本文研究了MIMO技术分别应用在可见光通信和射频通信时的某些关键问题。在可见光通信系统中，本文研究了发射端多个发光二极管的功率分配问题。在射频通信系统中，本文研究了基站侧多个天线在发射和接收模式下射频增益和耦合增益的估计与校准问题。 在一个MIMO可见光通信系统中，信息可以通过两种不同类型的信道传输。根据是否存在成像透镜，这两种信道分别叫做可成像信道和非成像信道。基于这两种信道特性，本文提出了一种新型的分层可见光通信系统，这个系统能够支持两种不同类型的接收机同时跟同一发射机通信。同时，利用最优功率分配该系统可以达到最大吞吐量。计算机仿真结果也证明了这种设计是可行的。 在一个大规模MIMO射频通信系统中，成百上千的天线部署在基站一侧。此时利用时分双工信道的对称性，基站用上行信道状态信息推断下行信道状态信息成为一种降低用户反馈开销的有效方法。然而，由于发射端和接收端的射频元件增益不一样，端到端的上下行信道对称性遭到破坏，校准过程就是用来估计并补偿这种信道失配。校准过程的复杂度是跟天线个数成正比的，所以在大阵列天线场景下，传统校准过程过于复杂而不实用。本文利用压缩感知理论提出一种有效且鲁棒的校准方式来校准大阵列天线中的射频增益失配，具体来说，跟传统校准方法相比，本文提出的方案让信道状态信息的用户反馈量从O(N)数量级降到O(logN)，计算机仿真结果证明本文提出的方案可以在反馈开销很少的状态下保持整个系统的对称性。在大阵列天线场景中除了射频增益失配，当天线元素之间的距离足够近，天线元素之间的耦合作用必须得到足够重视。上下行信道耦合矩阵的失配对信道对称性也产生伤害。为了能够用很少的空口校准开销实现端到端信道对称性，本文提出将射频增益失配和耦合增益失配独立估计并补偿。具体来说，利用基站内部对称性可以消除耦合增益失配的影响，单独估计出射频增益，然后利用上下行导频传输估计出耦合增益。本文提出的方法可以估计出射频增益矩阵的非对角线元素，这与所有的以往工作不同，是一个很大的贡献。