能效通信技术能够在改进通信质量的同时实现最小的消耗，它已经广泛使用在目前的通信系统中。然而，这些能效通信设计都是基于物理层系统实现的。考虑到物理层的能效设计很难保证上层业务关于时延的服务质量（Quality of Service: QoS)这个事实，我们需要在物理层的能效设计过程中将时延这种需求考虑进来。因此，论文的创新点是研究了当前蜂窝网络中广泛存在的多天线系统以及协作系统关于能效的跨层设计。 1.通过研究调制阶数、数据包大小、误符号率与时延的内在关系，我们首先得到了在多入多出（Multiple Input Multiple Output: M I M O)系统中根据不同时延需求的自适应传输模式。对于用户在缓存中产生的拥塞，通过拥塞控制算法来调度平均队列长度，得到了保证能效的最优时延性能。仿真结果表明:为了在保证时延的同时得到最优的能效，发射机需要自适应的选择M IM O数据流的调制阶数、业务数据包大小以及M IM O或单入多出（Single Input Multiple Output: S I M O)传输模式。 2.考虑多个用户的MIMO系统，每个用户业务的时延需求可能不一样，这种情况下的能效设计也吸引了大家的注意力。因此，本文另外研究了在多用户M IM O（multi-user M IM O:MU-MIMO)系统中存在不同时延需求业务情况下的能效通信技术。为了最小化MU-MIMO系统总的功率消耗，首先根据数据流调制方式与发送功率的关系，推导出了基于最小均方误差接收机情况下的数据流最优能效的调制阶数。通过MU-MIMO系统和多用户SIMO(Multi-user SIMO: M U-S IM O)系统总的功率消耗的不同，然后得到了根据不同时延情况下的传输策略，这个策略是自适应的MU-MIMO/SIMO切换。 3.对于实际的应用业务来说，业务到达状态的不同对能效通信也是一个挑战。本文探讨了在Nakagami-m衰落信道中传输MMPP(Markov modulated Poisson process: M M P P)业务时的跨层能效设计。其中，物理层采用自适应调制编码技术（Adaptive Modulation and Coding: A M C)，并且整个系统的吞吐量和发送功率消耗充分考虑了缓存中的数据排队。首先根据系统的稳定分布，得到了时延和系统能效的闭式表达式。然后，推导出了划分AMC传输模式的最优能效门限值。最后，根据不同时延需求得到了最大化系统能效的数据传输策略。仿真结果证实了理论结果的性能优越性。 4.中继在通信网络中的使用，可以提高系统容量，增强覆盖面积。它促使我们研究在有中继情况下传输MMPP业务时的跨层能效设计。其中，物理层传输同样采用了AMC机制，并且考虑了中继节点和源节点缓存中的数据包排队。首先分别研究了直接链路传输情况下和中继帮助传输情况下的能效，在中继帮助传输情况下得到了最大化能效的节点发送功率和时隙资源分配。根据系统的稳定分布，然后得到了时延和最优能效AMC传输策略的闭式解。最后，根据数据包不同时延的需求，同样得到了最优能效的切换策略，即直接链路传输或者中继帮助传输。 对于无线通信系统中的跨层能效设计，本文提出了多个系统中保证时延的最优能效传输策略，从而丰富了现有理论成果，对跨层能效设计技术在实际系统中的应用具有重要的指导意义。
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