在下一代无线通信系统中，为了提高频谱利用率，迫切需要解决单跳多入多出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)网络(本文将其命名为B-MAC网络)中的发射机优化问题，并由此求解出网络的容量区域或者可达区域(Achievable region)。MIMO网络中的发射机优化问题往往是非凸的，缺乏有效的优化方法，因而需要建立一套新的优化理论和工具。本文提出了一种基于对偶性和礼貌注水的一般单跳MIMO网络发射机优化理论，从而为解决网络中非凸优化的难题奠定了基础。同时还基于该优化理论为MIMO网络发射机优化的三个典型应用设计了低复杂度的高效算法。　　 ·本文在MIMO网络发射机优化理论方面的主要贡献如下。　　 1.本文证明了B-MAC网络中存在一种速率对偶性：B-MAC网络的前向和反向链路具有相同的可达速率区域。其中反向链路的传输方向与前向相反，而信道传输矩阵为前向的共轭转置。该速率对偶性可通过本文提出的一种前向和反向之间的协方差变换得到。对于任意一组前向输入协方差矩阵，利用该协方差变换计算出的反向输入协方差矩阵以相等的总功率在反向链路中达到不低于前向的速率，反之亦然。　　 2.本文发现了网络中最优输入的注水结构并将其命名为礼貌注水。本文证明了B-MAC网络可达区域的所有Pareto最优输入都满足礼貌注水结构，并得到了礼貌注水结构下协方差变换的性质，它们为设计基于礼貌注水的算法以及分析算法的最优性提供了理论根据。礼貌注水结构依赖于速率对偶性，其定义如下。给定一组输入协方差矩阵，单跳的MIMO网络可表示为L个并行链路，它们可进行恒定速率的等效链路变换，变换后每条链路的干扰加噪声协方差被白化为单位矩阵，同时其链路传输矩阵被从协方差变换得到的反向干扰加噪声协方差矩阵的-1/2次幂预白化。如果与给定的物理链路输入对应的等效链路的输入协方差矩阵是这L个等效链路各自的最优注水解，则物理链路的输入具有礼貌注水结构。　　 礼貌注水结构的发现为设计高效的网络优化算法奠定了基础。比如，礼貌注水和对偶性可用于设计逼近Pareto最优解的迭代算法，其中每次迭代都利用最新的干扰加噪声协方差矩阵按礼貌注水或协方差变换更新前向和反向输入协方差矩阵。由于利用了最优输入的结构，这种算法具有复杂度低且性能优异等特点。礼貌注水的重要理论价值是，它解决了MIMO广播和多址接入信道容量区域的Pareto最优输入结构这个开放性问题。　　 3.本文推导了一种速率-信干噪比转换关系，它通过将MIMO链路分解为SISO数据流，并将速率约束转化为信干噪比约束来简化MIMO网络波束成形矩阵的联合优化。　　 ·为了验证上述以对偶性和礼貌注水为核心的优化理论的有效性和重要应用价值，本文利用以上优化理论解决了下述重要的MIMO网络发射机优化问题。　　 1.总功率约束下的加权和速率最大化问题，它可用于可达/容量区域的求解或无线网络中的自适应资源分配；　　 2.QoS(Quality of servive)约束下的两个发射机优化问题，它们可用于无线网络中的接纳控制和保证实时业务的QoS；　　 3.多线性约束下的加权和速率最大化问题，其中多线性约束包括独立功率约束，以及认知无线电中的干扰抑制约束等许多实际约束。　　 本文推导了上述问题的最优解所满足的充分必要条件，设计了基于礼貌注水和对偶性的算法。并利用礼貌注水和协方差变换的性质证明了这些算法收敛后解的最优性。对于树状干扰(Interference tree，iTree)网络，本文证明了所设计的算法是单调收敛的。分析和仿真验证都表明所设计的算法在性能，复杂度，收敛速度，以及应用范围上都优于目前没有利用最优输入结构的算法。　　 本文的研究成果还为解决一些重要问题提供了基础，比如礼貌注水的单用户视角方便了分布式优化和有限速率消息传播等研究，而iTree网络的一些性质使得其容量研究非常有价值。