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伴随“互联网+”时代的到来,无线多媒体通信业务类型逐渐丰富,人们对无线数据传输能力也提出了越来越高的要求。节省无线频谱资源,发展高频谱效率的无线传输技术成为未来宽带无线移动通信系统中亟待解决的热点问题之一。基于无线链路的广播本质,物理层多播是一种能够在基站端将系统中各用户所需要的公共信息进行并发传输的有效方式。为了进一步改善物理层多播系统的频谱效率,提升链路传输质量,基站端和用户端通常配置为多输入多输出(MIMO)传输模式。在这种框架下,如何利用波束赋形和预编码技术进行收发信机设计,进而有效提高物理层多播系统的频谱效率和用户服务质量,是本文关注的重点内容。假设基站端己知用户完整信道状态信息(CSI)时,本文首先基于物理层单组多播和多组多播两种通信场景,开展了如下两项研究工作：(1)针对频率选择性衰落信道,基于有限脉冲响应-最小均方误差-判决反馈均衡(FIR-MMSE-DFE)接收机,分析研究了物理层单组多播预编码器,旨在解决最大化系统可达速率以及优化数据流间平衡性两个问题。对于问题一,提出一种基于迭代优化的FIR预编码器设计方法,理论分析和仿真实验验证了该方法的收敛性及其计算复杂度,且可达速率性能近似最优；为了解决问题二,在推导出用户端各数据流信干噪比(SINR)表达式和均方误差(MSE)矩阵的基础上,设计了一种高效的酉预编码器。仿真实验结果表明,所提物理层多播预编码方法具有优于其它已有算法的误码率(BER)性能。(2)针对频率选择性衰落信道,为求解服务质量(QoS)和最大最小公平(MMF)两类问题,设计了物理层多组多播波束赋形算法。对于QoS问题,分别提出了基于时域和频域的两种低复杂度波束赋形算法,并理论分析了两种算法中的核心参数与性能、复杂度之间的联系：对于MMF问题,首先推导证明了它与QoS问题之间的关系,而后利用这一关系来设计了相应时域和频域的算法。仿真结果表明,所提的两种波束赋形算法可以在性能损失很小的前提下大幅度降低算法复杂度。在完成上述两项工作的基础上,本文还进一步考虑了基站端只能获取用户部分信道状态信息时的物理层多组多播传输的优化设计问题。在这种更一般、更贴近实际通信场景的假设下,主要开展了下面的研究工作：(3)针对频率平坦衰落信道,考虑了部分反馈模式下物理层多组多播波束赋形设计问题。在定义了用户准确信道方向信息(CDI)与所选取码本之间的误差角度之后,理论推导了各用户SINR在该定义下的下界：然后根据该下界构建QoS问题,提出了基于半定松弛(SDR)和凸优化近似的两种迭代算法,并分析对比了它们的复杂度。为进一步优化反馈资源的分配,基于系统中的瓶颈用户对性能的影响远高于其余用户这一特性,提出了一种分步反馈的方案。通过仿真实验,验证了所提出的两种波束赋形算法性能较好、复杂度较低：分步反馈方法能够优化系统资源的分配方式、进而能有效提高系统性能。