MIMO系统由于在空间中具有多个发送和接收天线，因此其信道模型也具有其特有的复杂性。尽管具有这种复杂性，对MIMO信道进行建模仍然十分必要。因为在MIMO传输技术的研发过程中，需要对新技术进行链路级或系统级的仿真，以此评估各种传输技术的实际性能。而只有对MIMO信道进行了足够精确的建模，并将信道模型应用在计算机仿真中，才能进行贴近实际的性能评估，得出有参考价值的评估结果，为传输技术的研发指明正确的道路。
无线信道的数学模型
无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路径是非常复杂的，并且具有极度的时变随机性，特别难以分析。为此，人们建立了多种数学及实验模型来分析无线信道对电信号所引起的衰落特性。通常主要将无线信道分为两类：第一类是由于通信链路距离、地形地貌等所引起的衰落，称之为大尺度衰落的无线路径损耗模型。大尺度衰落随距离变化缓慢，并且不随时间发生变化，通过大量的工程实验的数据可以比较好的描述，因此被广泛地应用于无线网络系统规划和系统实现中。这类模型的典型模型包括：Okumura模型，Hata模型，COST系列模型等。第二类模型主要是由于电波散射，接收机的快速移动等引起的衰落，称之为小尺度衰落模型。这类模型通过定义衰落的统计特征，来描述信号通过信道所经历的变化。
1.1无线信道的大尺度衰落
在实际系统设计中，无线信道的大尺度衰落大多数是通过分析和实验相结合而获得的。通过实验的方法找寻数据去和解析式进行拟合，已经有了一些经典的用于预测大尺度覆盖的传播模型，在系统工作前，用于估计系统容量和链路预算等。
1．平均路径衰落损耗（PathLoss）
2．对数正态阴影
3．平均路径损耗与对数正态阴影的组合
1.2无线信道的小尺度衰落
1．平坦信道
相对于由于距离、地形地貌等所引起的大尺度衰落，小尺度衰落是指由同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号互相干涉所引起。小尺度衰落根据信道响应带宽、信号带宽及接收机移动速度等具有多种情形，本文只讨论最常见的一种，即移动无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内具有恒定增益和线性相位，这被称为平坦衰落过程。
2．频率选择信道
上一部分介绍了平坦的衰落信道，信道冲激响应在时间上不是连续的一连串响应，而仅仅是一个标量。然而在实际环境中，由于各个时延径的传播路程不同，到达接收机的时间有先后之分。因此在接收机中可以分辨出几个相互分开的时延径，每个时延径由若干个不可分辨的射线叠加而成。
1.3无线信道的数学模型
根据之前所描述的大尺度及小尺度衰落模型，可以得到移动通信系统中一个完整的收、发信机之间链路的信道响应表达式。
假定发送信号为x，接收信号为y，经历的信道冲激响应为h，加性高斯噪声为n，则有：
（2.14）
其中，无线信道冲激响应为：
（2.15）
式中，表征大尺度衰落；C为常数，是天线远场参考距离处的路径损耗；，是0均值，标准差为的高斯随机变量，表示对数正态阴影衰落。[g]内的表达式含义同（2.9），表示小尺度衰落。
对一个有Nt个发送天线和Nr个接收天线的平坦MIMO信道，MIMO信道模型可以表示为
（2.16）
其中，为发送信号，为信道矩阵，为高斯白噪声，为接收信号。信道矩阵的第i行第j列表示从第i个发送天线到第j个接收天线的复信道增益。
假定信道增益来源于多条射线的叠加，每条射线被不同的散射体散射，经由不同的路径到达接收机。于是信道矩阵的每个元素可以表示为
（2.17）
由于射线传播的路径远远大于载波波长，因此可以合理地假定每条射线到达接收机的相位独立同分布于0到2π之间的均匀分布。因此为一个循环对称的复随机变量，不同射线之间相互独立。信道增益的实部为大量独立实随机变量之和，根据中心极限定理，为零均值实高斯随机变量。由于相位均匀分布，因此对于任意固定的f，为方差相同的零均值实高斯随机变量。于是，服从的循环对称复高斯分布。信道增益的模服从瑞利分布。如果信道环境中除了大量的散射体外，还存在一个很强的直视径（LOS），则信道增益的模服从莱斯分布。
空间信道模型
无线通信领域内许多国际组织和大型项目都尝试开发接近现实的MIMO空间信道模型。其中比较有代表意义，也是比较通用的MIMO空间信道模型包括3GPP开发的空间信道模型（SCM）和ITU的国际移动通信系统演进（IMT-Advanced）信道模型。
这两种信道模型都是基于几何学的随机信道模型，用于MIMO通信系统的链路级或系统级仿真。基于几何学的随机信道模型的主要思想是，假定一定数量的散射体依照某种随机分布存在于信道环境中，每个散射体都将反射发送天线发射的射线，通过将所有散射体产生的射线累加起来，就可以得出所需的信道增益。
2.13GPP/3GPP2空间信道模型（SCM）
2003年9月，3GPP/3GPP2的点对点（AdHoc）组发布了SCM信道模型的首个版本。此信道模型定位于中心频率2GHz、带宽5MHz的信道仿真。
SCM信道模型中，散射体聚集成N个散射簇，每个散射簇产生一个可分辨的时延路径，每个路径的时延和功率由一定的方法各自随机产生。每个路径由M个子路径构成，每个子路径具有不同的发射角、到达角和相位，不同的子路径叠加起来可能增强或者削弱这条路径的功率。路径、子路径以及相关的角度参数如图1所示。
图1SCM信道模型角度参数
各个参数定义如下：
ΩBS 基站天线阵列朝向，定义为基站天线宽边方向（Broadside）与正北方向的夹角。
θBS 直视径相对于基站天线宽边方向的发射角（AoD）。
δn,AoD 第n个路径相对于直视径的发射角。
Δn,m,AoD 第n个路径中第m个子路径相对于的发射角偏移。
θn,m,AoD 第n个路径中第m个子路径相对于基站天线宽边方向的绝对发射角。
ΩMS 移动台天线阵列朝向，定义为移动台天线宽边方向与正北方向的夹角。
θMS 直视径相对于基站天线宽边方向的到达角（AoA）。
δn,AoA 第n个路径相对于直视径的到达角。
Δn,m,AoA 第n个路径中第m个子路径相对于dn,AoA的到达角偏移。
θn,m,AoA 第n个路径中第m个子路径相对于基站天线宽边方向的绝对到达角。
ν 移动台速度矢量。
θν 移动台速度矢量方向相对于天线宽边方向的角度。
其中n=1…N，m=1…M，图上以顺时针方向测量的角度量应为负值。
在典型的系统级仿真中，循环运行单次仿真得到所需的性能结果，每个单次仿真称为一个快照（Drop），每个快照持续一段连续的时间。通常情况下，在所有快照中，小区布置和基站位置保持不变，而移动台的位置则在每个快照的开头随机生成。在一个快照中，大尺度参数保持不变，例如角度扩展、时延扩展和阴影衰落等，而信道每条路径的小尺度衰落则根据移动台的移动速度随时间变化。
2.2IMT-AdvancedMIMO信道模型（IMT-AdvMCM）
随着移动通信技术的发展，ITU对下一代移动通信技术IMT-Advanced提出了更高的技术要求，为此，IMT-Advanced引入了许多新的无线接口技术（RIT）。为了给这些技术确立标准统一的评估方法和准则，2008年11月，ITU发布了IMT-AdvancedMIMO信道模型（以下简称为IMT-A信道模型）。IMT-A信道模型定位于中心频率2～6GHz、带宽100MHz的信道仿真。
作为基于几何学的随机信道模型，IMT-A信道模型的生成方法与3GPPSCM信道模型类似：产生各个路径和子路径的参数，将它们叠加起来产生信道响应。注意IMT-A信道与SCM信道对一些概念的称呼不同，SCM信道中的路径和子路径在IMT-A信道中被称为射线簇和射线。
IMT-A信道模型的主要功能模块划分如图2所示。
IMT-A信道模型由主模块和扩展模块组成。主模块包含5种用于评估IMT-Advanced候选无线接口技术的场景，当使用主模块时，信道模型使用已有的一些参数生成信道参数和信道响应。此外，IMT-A信道模型还提供扩展模块，用于对其他各种仿真场景建立信道。扩展模块可以灵活地生成各种信道参数，用于产生信道响应，这极大地扩展了IMT-A信道模型的适用范围。
图2IMT-AdvancedMIMO信道模型
主模块信道产生过程：IMT-A信道主模块用于产生前文所述5种场景下的信道，其具体过程如下：
（1）选定基本参数。
选择场景，确定基站和移动台的数量、位置和天线参数，确定移动台运动速率和方向，确定系统中心频率。
（2）确定每条链路是否存在直视径。
（3）计算每条链路的路径损耗。
（4）确定相关的大尺度参数。
（5）确定N个射线簇的时延。
（6）确定N个射线簇的功率Pn。
（7）确定N个射线簇的到达角。
（8）确定N个射线簇中M个射线的到达角。
（9）确定个射线簇中个射线的发射角。
（10）配对射线。
（11）确定条射线4种极化组合的相位。
（12）产生信道系数。
（13）最后将路径损耗和阴影衰落作用到信道系数中。IMT-A信道生成完毕。
以上就是IMT-A信道模型主模块的过程。