由于多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统不仅有着抑制干扰、抗多径衰落等优点,还能够明显地提高系统容量、改善通信质量,所以近年来受到了国内外的广泛关注。目前,MIMO技术已经在第四代移动通信系统中占据着举足轻重的地位。本文以地空通信无线信道建模为主要研究对象,设计一套实用、可行的MIMO通信方案是本文的研究目标。该方案应当在满足较高系统技术指标的条件下,具有简单的系统结构和复杂度较低的算法,这通常是系统方案设计的难点,也恰恰是本文研究的重点。本文的主要研究内容如下:首先,本文研究了二维平面内的MIMO信道建模方法,主要分析了其系统模型中的参数对通信系统的空间相关性影响,包括天线阵列拓扑结构、天线阵元间距、发送接收信号的角度功率谱(Power Azimuth Spectrum,PAS)和角度扩展等参数,从而建立了MIMO地空通信信道模型,仿真证明了该信道模型的正确性。其次,考虑到俯仰角方向的角度扩展,在二维MIMO信道模型的基础上进一步进行研究,建立了三维信道模型。针对无人机通信环境特点和MIMO通信系统,将三维空间相关法建模与机身遮挡现象相结合,提出一种基于无人机的三维移动空间信道模型(Three Dimensional Dynamic Spatial Channel Model,3DD-SCM)。并通过仿真证明了该信道模型是正确有效的。然后,考虑到传统极化模型中存在的问题,本文在传统二维极化模型的基础上进行改进,推导出了更符合实际通信情况的二维极化模型,并同理对三维极化模型进行了研究。仿真结果证明了该多极化模型的正确性、合理性。最后,本文设计出一套实用、可行的MIMO通信系统方案,分别对该系统中用到的空时分组码和信道估计技术进行了详细的研究。从空间相关性的角度,通过仿真研究了信道对MIMO通信系统的影响,验证了该系统的性能。该课题的研究为今后实现地空MIMO通信的物理平台奠定了理论基础和设计方案参考。