近年来，伴随着移动终端在全球范围内的发展和普及，无线数据业务呈几何级增长。无线通信用户的不断增多使得有限的无线频谱越来越拥挤。因此，如何提高频谱使用效率是在无线通信发展过程中的极其重要的一个问题。同时，随着人们对语音业务清晰度和数据业务传输速率要求的不断提高，如何有效增加无线通信系统的容量也是一个关键问题。因此，新兴的宽带无线接入引入多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术。MIMO系统的性能主要决定于无线信道环境和收发天线阵列，如何较为准确的估计信道特性以及如何设计出较为高效的多天线模型也就变得非常重要。本文主要基于空间统计信道模型，围绕多天线阵列模型及其MIMO多天线性能展开分析，深入研究信道模型、空间相关性(Spatial Fading Correlation，SFC)、系统容量及多普勒功率谱(Doppler Spectrum，DS)，为MIMO系统的性能做出理论分析。本文的研究工作和创新点总结为以下五个方面:　　首先，为找到一种合适的信道模型来描述多径衰落信道特点，介绍了几种MIMO统计信道模型，并提出一种通用的空间相关随机MIMO多径信道的建模方法，研究在不同方位功率谱(Power Azimuth Spectrum，PAS)下的MIMO多天线系统性能。数值推导出移动台(Mobile Station，MS)两天线单元间的SFC，分析和比较了均匀线形阵列(Uniform Linear Array，ULA)、均匀圆形阵列(UniformCircular Array，UCA)下全向和定向PAS对MIMO多天线系统性能的影响;另外，分析了全向天线和定向天线阵列对系统性能的影响，包括容量和误码率(BitError Rate，BER)等。　　其次，提出了一种信道相关参数近似计算法。首先假设PAS为典型的均匀分布、高斯分布以及拉普拉斯分布，推导出SFC的闭合形式表达式。然后，以此理论表达式为基础，用近似计算法来研究小角度扩展时的SFC。在应用不同的天线阵列时，该近似SFC表达式可进行对应的变形，因此具有比较好的通用性和一致性。基于以上分析，建立MIMO多天线信道模型，根据所选的天线阵列、波达信号PAS和方位扩展角对MIMO多天线系统的信道容量进行分析。对比理论计算结果和仿真实验结果可知近似计算法在某些特定条件下拟合度较好，并可极大地降低计算复杂性，提高对复杂MIMO多天线系统进行分析和仿真的效率。　　接着，针对不同散射体分布的覆盖区环境，提出合理的指数型仰角(ElevationAngle，EA)概率密度函数同时建模其信道特征，在此基础上深入研究该信道特征对MIMO多天线接收信号间SFC的影响。理论计算和仿真实验表明该指数型仰角分布函数便于应用于多种无线通信环境并实现信道参数的估计与建模，且与传统模型对比表明本文所提出的仰角分布函数具有单参数变量，便于应用到对实际通信系统仰角测量结果的建模中，拓展了三维(3-Dimensional，3D)空间域的统计信道建模与MIMO多天线分析计算。　　然后，构建出一种均匀Y型天线阵列模型(Uniform Y-shaped Array，UYA)，同时引入电磁矢量传感器(Electromagnetic Vector Sensor，EVS)作为MIMO多天线阵列接收单元，并建立三维信道模型。数值推导出基于EVS的MIMO UCA和UYA的SFC闭合解析式，阐释三维空间波达信号角度参数与MIMO相关性之间的关系。仿真实验表明，相比传统的标量传感阵列(Scalar Sensor Array,SSA)，EVS天线阵列在系统性能上优势明显，MIMO UYA与UCA相比在特定波达信号统计特性下具有更好的性能。　　最后，为优化紧凑的多天线用户终端构建出一种均匀双环天线阵列(DoubleUniform Circular Array，DUCA)模型，将常规的二维(2-Dimensional，2D)天线阵列扩展到三维空间。仿真实验表明，DUCA MIMO多天线模型可较好的应用于紧凑型天线终端。可将DUCA应用到到达方向(Direction of Arrival，DOA)的估计中，仿真实验表明三维天线阵列与二维天线阵列相比，对DOA的估计更为准确，避免了伪谱的出现。