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多天线技术是未来无线通信的一项关键技术。其可以应用于不同的无线组网形式，包括点对点通信、上行接入、下行接入、协作通信和认知无线电系统。特别地，由于物理传输的不确定性和用户的随机行为的影响，不同的无线组网形式有其不同的不可预知随机特性，诸如信道衰落、噪声污染、接收机参数的不确定性、传输信号的随机性、数据分组动态到达和多用户竞争。这些随机特性既有积极因素也有消极因素，它们需要分别加以利用或应对。本文研究了在不同的无线组网形态下，利用和应对这些随机特性的多天线关键技术。本文的主要贡献具体如下。
其一，针对点对点V-BLAST(Vertical Bell LAbs Layered Space-Time)系统，本文应用随机矩阵理论研究发射相关对迭代干扰抵消迫零接收机的性能影响。发射相关效应将从两个方面导致系统性能下降。除直接造成信噪比损失之外，发射相关还将增强差错传播因子，从而加剧判决错误的传播。通过推导迭代干扰消除迫零接收机在解调各个数据流时所获得的有效信噪比的概率密度函数，准确地量化了发射相关效应所引起的有效信噪比损失。同时，通过计算差错传播因子的二阶矩，说明发射相关效应将诱导一个稳定的差错传播分量，其并不随着迭代干扰消除处理而减小。
其二，针对点对点具有动态交织深度的块衰落多输入多输出(MultipleInputs Multiple Outputs，MIMO)系统，本文引入了信息论和排队论的联合方法分析系统平均等待时间。特别地，本文开发一个统一的排队服务模型用来描述数据业务到达的动态随机特性和信道衰落特性在交织处理过程中的相互作用，从而揭示动态交织的内在机制。
其三，针对下行多天线机会调度系统，本文引入了随机主导系统方法分析系统的稳定性区域及其性能。在已有的研究中，机会调度系统的性能分析通常假设有效活动用户的个数是固定的，而且其阻塞的数据包个数是无限的。本文摈弃了这一常用而不现实的假设，从而说明多用户竞争、数据业务动态到达和信道衰落这3种随机特性在机会调度系统中的相互作用过程及其最终在系统性能尺度上的体现。详细分析了系统的稳定性区域、系统吞吐量、用户公平性以及时延特性。本文证明了系统的稳定性区域是一组凸多变形区域的并集。同时，还分析了系统吞吐量和用户公平性之间的3个平衡关系。最后，推导了对称机会调度系统平均时延的闭合表达式。
其四，针对上行MIMO接入系统，本文提出了一种适用于2×M MIMO多址接入信道的自适应空时分集时隙ALOHA(Adaptive Space-Time DiversitySlotted ALOHA，ASTDSA)。ASTDSA同时利用了V-BLAST结构和Alamouti空时分组编码的优势。并且，本文还开发了一个嵌入马尔可夫链模型，用来描述数据包随机碰撞、多包碰撞分解和多用户随机竞争这三个随机动态特性之间的相互作用过程，并由此分析系统的吞吐量、分集增益、时延特性和稳定性，并推导了这些性能量度之间的平衡关系。理论分析和仿真结果证实ASTDSA比已有的随机接入方案有显著优势。
其五，针对基于分布式循环延时分集(Cyclic Delay Diversity，CDD)的异步协作正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multilplexing，OFDM)系统，本文提出了一种盲估计算法用于估计由分布式传输引起的多重符号定时误差。该盲估计算法利用由分布式CDD的周期性所引起的循环平稳分量可分解性，实现了多重参数的分离。因此，所提出的算法可以将多重符号定时误差估计问题转换为一个多输入多输入的线性估计问题，而在整个估计过程中无需利用训练数据和特殊的预编码处理。同时，该盲估计器还集成一项相位模糊校正功能，用来保证算法的最大捕获范围，而且使得该盲估计器能够充分地利用观测样本改善估计精度。而且，该盲估计器是渐近无偏一致的。
其六，针对CDD-OFDM认知无线网络，本文设计了一种内在的循环平稳标识，用于网络的自我协调。隐含于循环延时分集处理中的周期性可同时诱导有用的循环平稳标识，而无需任何带宽消耗。这类循环平稳标识的延时参数坐标由所分配的循环延时具体值唯一确定。从而，CDD-OFDM系统可以通过预先定义不同循环延时值的方式实现相互辨别。这些采用循环平稳标识的系统可以利用循环平稳检测的方法稳健并容易地识别。同时，CDD-OFDM信号仍然保持了和原始OFDM信号一样的由循环前缀诱导的循环平稳特性。通过综合利用所有的循环平稳特性，本文还提出了一个有用的渐近恒虚警循环平稳检测器，其可应用于频谱感知。