近年随5G/6G在全球快速发展,随时、随地及高效的数据传输需求使得移动通信场景呈现多样化和复杂化,从而导致信道特征的多维化、非对称性以及波达信号谱任意性,因此对信道的建模和估计变得更加复杂。研究证明多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术可以极大程度地利用现有空间资源和多空间维度,在不增加额外系统宽带及辐射功率的情况下,可有效地对抗无线信道的衰落,进一步提高系统的频谱利用率。为掌握室内外环境中的MIMO无线信道的特性,需对实际环境进行测量,以建立合适的信道模型,预测系统的性能和评估算法的优劣。本文围绕二维（Two Dimension,2D）、三维（Three Dimension,3D）空间域的MIMO信道建模展开研究,针对任意散射环境信道,推导并深入分析信道模型的角度功率谱（Power Azimuth Spectrum,PAS）、空间相关性（Spatial Correlation Function,SCF）、角度扩展等对系统性能的影响。根据相关信道测试结果,不断以测试环境和测试结果来优化参数配置,以趋近于实际信道并对信道进行精确建模。首先介绍了无线衰落信道的传播特性和MIMO信道建模的原理及研究现状。以均匀分布的线性天线阵列为模型,入射信号角度功率谱分别为均匀、高斯、拉普拉斯和Sinc分布时,推导出各自的空间衰落相关（Spatial Fading Correlation,SFC）函数的表达式。针对现实环境信道分布不确定问题,基于入射角概率面积等分方法提出一种适用于非均匀散射环境下的MIMO推广模型。通过小角度扩展等效拟合大角度扩展,以Sinc、高斯以及拉普拉斯分布为采样基函数和参考标准,拟合获取其在任意角度域功率谱下MIMO多天线信道空间衰落相关函数近似简化解。其次利用波达角（Direction Of Arrival,DOA）估计技术得到城市微蜂窝环境下的实测数据,分析提取出MIMO无线信道的特性参数,并对离散数据进行了指数非线性回归拟合处理,构建了基于实际测量的MIMO信道模型。推导了多个基函数采样模型下的空间衰落相关函数近似简化解,并详细分析了简化模型中采样基函数数目和加权系数的选取依据及拟合精度。城区实测数据的拟合及仿真结果表明,近似拟合算法在降低计算复杂度的同时可满足实际信道建模的精度要求,这表明所提出的采样拟合方法可以进一步提高近似算法的适用性。最后针对三维入射波的多径衰落环境,建立了3D MIMO系统的接收模型。首先基于水平维度和垂直维度的角度功率谱推导了空间衰落相关函数闭合表达式,并利用MT变换对公式进行了化简。然后通过分析模型参数对3D MIMO系统性能的影响得到数值仿真结果,研究证明改进的简单封闭式近似表达式适用于具有3D环境扩散的入射波。最后,与传统的几个经典模型相比,提出的方法更简单高效,为未来进一步分析讨论多径信道提供了良好的基础。