多入多出（MIMO）是指在发送端有多根天线，接收端也有多根天线的通信系统。一般将在发射端和接收端中的某一端拥有多天线的多入单出（MISO）、单入多出（SIMO）也看作是MIMO的一种特殊情况。MIMO可以有效提高信道容量，提高系统性能，被认为将是移动通信实现高速率数据传输、提高传输质量的重要途径。作为第四代移动通信技术的长期演进（LTE），可以实现极高的数据传输速率。而OFDM和MIMO技术作为LTE的两项最重要的技术，是LTE能够实现极高数据峰值的关键所在。MIMO在LTE中的应用模式主要有两种，一种用于提高链路质量，即MIMO发射分集；一种用于提高数据传输速率，即MIMO空分复用。本文首先撇开LTE系统，从通用无线通信系统的角度，研究了多天线技术的三种应用模式，包括接收分集、发射分集、空分复用。然后分别介绍了与MIMO技术在TD-LTE系统中的应用相关联的各种物理层关键技术。其中，为了研究OFDM技术原理，本文还建立了一个简易的OFDM仿真模型，对OFDM系统发送和接收处理流程进行了仿真，并分析了其抗噪声性能。另外，还详尽地分析、比较了MIMO在TD-LTE系统中的各种应用模式。接着，用数学方法推导了MIMO系统的信道容量公式，并对MIMO系统信道容量和系统性能进行了仿真分析，并在三维坐标上给出了信道容道与发送天线数、接收天线数的关系。另外，还讨论了注水算法与平均功率分配算法对MIMO信道容量的影响。TD-LTE协议中同时支持基于码本与非码本的预编码技术。本文主要讨论了几种基于信道分解的预编码算法，具体包括奇异值分解算法，几何均值分解算法，统一信道分解算法以及LDL~H算法，都属于非码本预编码技术的范畴。