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多输入多输出(Multiple-Input and Multiple-Output,MIMO)技术能够提升系统空间资源的利用率,增强链路传输的可靠性,已广泛应用于无线通信网络当中。物理层网络编码(Physical Layer Network Coding,PNC)能够扩大小区覆盖范围,增强小区边缘的服务质量和抵抗多用户间的干扰。将PNC与MIMO结合,能进一步拓宽泛在服务,提升系统性能。而作为下一代无线通信系统关键技术之一的双向中继技术,也因其更高的频谱利用效率,备受关注。鉴于此,本文主要围绕多中继、多用户和高维度码字的三个核心点,研究MIMO双向中继系统的预编码算法及性能优化问题。主要内容归结如下三个方面:(1)基于目前对多输入多输出正交频分复用(Multiple-Input and Multiple-Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MIMO-OFDM)系统的功率优化研究较多关注在子载波层面上,提出一种双向中继信道的预编码方案,能够将复杂的双向MIMO-OFDM信道划分为多个独立与对等空间上的PNC子信道。在此基础上,将系统扩展至多中继,提出在频域子载波和空间子信道的最佳配对方案下,以最大化用户接收信号信噪比为准则,为每组配对方案分配合适的中继来改善中继网络的性能。最后通过联合优化的中继选择策略,单节点功率约束条件以及拉格朗日对偶方法,获取优化的系统可获取总速率。仿真结果显示在30dB的信噪比与4个中继的情况下,所提联合优化方案较原有的只考虑子载波配对方案具有3.7bits/s/Hz的频谱效率增益,而当系统有16个中继时,较4个中继的情形更有1.1bits/s/Hz的频谱效率增益,并且已经接近系统的性能上界。(2)针对多用户MIMO(Multi-user MIMO,MU-MIMO)系统,考虑到多用户间的干扰成为影响正确译码的重要因素,设计一种基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)接受准则的双向中继复格基规约(Complex Lattice Reduction,CLR)编码算法。为分析方便,将所有用户按照信息交互的方式分成对称的两组。在用户发射端,先通过一种联合信道求逆的方法来消除多用户间的干扰,然后采用QR分解和复格基规约来取代传统块对角(Block Diagnoalization,BD)下的奇异值分解,旨在尽可能地降低预编码算法的复杂度。性能分析证实,相比于MMSE与BD算法,所提CLR-MMSE方案不仅具有好的误码率性能,而且能够简化用户的接收端与极大地降低预编码的复杂度。最后数值仿真给出当系统存在6个用户时,所提算法较MMSE亦有可获取速率上的优势。(3)考虑高维度码字传输,传统的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)与PNC技术相结合时,在中继处的星座图上极易产生重叠,造成译码错误概率的加大,设计一种基于晶格编码(Lattice Code,LC)和无线信息与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术相结合的预编码算法,能够将源信息作量化与抖动处理后形成发射端的晶格模运算,且在中继处得到的模量依然是一一对应于所构造的码本,避免重叠情况的发生。依据由临界的误码率判定的速率区域表达式,得到凸优化的约束条件,然后通过交替优化和CVX工具箱处理,最终获取优化的功率分流因子和中继节点的收发波束赋形矩阵。最后仿真结果表明,在满足临界误码率条件下,所提方案不仅优于均等功率分配的一般算法的可获取系统速率性能,更具有良好的误码率性能。