虽然第三代移动通信(3G)技术尚待完善,新一代无线通信技术已扑面而来,其无所不在、高质量、高速率的移动多媒体传输目标让人耳目一新。然而,实现这一振奋人心的通信目标并非易事,常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。即使采用常规发射分集或接收分集或智能天线技术已不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。可幸的是,多入多出(MIMO)无线通信技术提供了解决该问题的新途径,它在无线链路两端均采用多天线,分别同时接收与发射,能够充分开发空间资源,在无需增加频谱资源和发射功率的情况下,成倍地提升通信系统的容量与可靠性。然而,与常规单天线收发通信系统相比,MIMO通信系统中多天线的应用面临大量亟待研究的问题。 本文以高技术研究发展计划中的“新型天线与分集技术”项目为契机,围绕新一代无线通信中的MIMO信道建模与多天线设计这一主题,在MIMO信道建模、信号相关性分析、多天线的特性对MIMO信道性能的影响、MIMO多天线设计以及MIMO实验数据分析等方面进行了系统而深入地研究。这些研究为准确分析与设计空时编解码和调制解调提供了有力的保障,为评估衰落信号的相关特征奠定了坚实的理论基础,为MIMO多天线设计提供了重要的理论指导与全新的设计思路。 本文的研究内容与主要贡献可以分为四大层次: 第一个层次系统地分析MIMO信道中信号的相关性,研究相关性对MIMO信道性能的影响,为MIMO信道建模与天线设计奠定了坚实的理论基础,对MIMO信道容量和误码性能分析具有重要的指导作用。首先,在计及天线单元的方向性、间距和互耦等天线特性以及达波角和角度扩展等信号和环境特征下,推导出天线单元间的空间相关系数的解析通式,并进一步得出在各种达波功率角谱下相关性的解析表达;其次,推导出双分集最大比合并相关瑞利衰落的误码性能的解析表达,使评估信道相关性对分集合并性能的影响更加方便;接着,以平均差错概率的解析上界的形式定量地给出了相关性引起的V-BLAST系统的性能损失,发现收发两端的相关性可以等效归并到发送端,并得出这种性能损失的实质是降低各数据流的有效信噪比,从而得到一种系统链路设计思路:如果接收端的相关性较高,可以通过降低发射端的相关性给以一定程度的补偿。