MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。广义的MIMO技术包括发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号(信号的具体形式不一定完全相同)，达到空间分集的效果，从而提高信道的可靠性，降低误码率。空间复用技术与发射分集不同，它在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。WiMAX协议中同时使用空时编码和空间复用的形式，可以显著地提高系统的容量和频谱利用率。
目前MIMO已经成为了IEEE 802.16中多天线的一个选项，并且在IEEE802.16e中也得到了体现。802.16协议支持的MIMO模式分为3种：空时发射分集模式、空间复用模式和分集与复用相结合模式。
2.2.1空时发射分集
发射分集最大的优点在于可以在基站端使用多天线，可以避免在接收端使用多天线对终端设备造成的压力，从而减少802.16市场化时带来的阻碍。
在MIMO中，空时发射分集模式主要通过空时编码来实现。空时编码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。使用空时码时，在发端不知道信道状态信息的情况下，系统仍能实现最大分集增益。常见的空时码有空时分组码(STBC)和空时格码(STTC)，其中STBC因其相对简单的编译码过程而获得了广泛的应用。
802.16d标准中采用两根发射天线的发射分集，以对抗阻挡视距和非直视距造成的深衰落，主要依据的就是Alamouti方案的空时码(STC)编码，该方案的关键特性是两根发射天线的两个序列之间的正交性。对两发射天线系统，Alamouti编码能获得最大的分集增益，并且从编码发展的历史上说，Alamouti方案是为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码，且译码时只需要对接收信号进行简单的处理，大大减化了计算的复杂度。
2.2.2空间复用
空间复用技术是指在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，主要是为了提高系统的传输速率。目前利用空分复用的方法来提高信道容量的方法主要是各种分层空时码(如BLAST)。贝尔实验室分层空时算法(BLAST)结构不是通过信号变换(编码、调制、映射等)引入符号间的正交性，而是充分利用了信道的多径特点，解除了信号之间的相关性。
BLAST结构主要分为垂直-贝尔实验室分层空时算法(V-BLAST)和对角线-贝尔实验室分层空时算法(D-BLAST)：V-BLAST将M个比特流编码、映射和交织后通过互相独立的天线发射出去，充分发掘了分集增益，而且每一个信息流可以单独检测。D-BLAST也先经过相同的处理，但是各编码块分配给不同的天线发送，从而减小了因某一个独立信道传输效果较差而导致的系统整体性能的下降，但意味着更加复杂的收发设备。
BLAST结构最大程度上发掘了频谱效率，但是一般需要接收天线数目大于或等于传输天线数目，而这一点在下行链路难以实现；另外因为使用不同的链路传输独立的信号，那么如果一条链路被损坏，那么将面对不可挽回的错误。
2.2.3分集与复用相结合
空时发射分集能获得额外的分集增益和编码增益，但不能提高数据速率；空间复用虽然能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益。将空时发射分集和空间复用相结合的方案既能提供分集增益又可以提高系统容量，从而得到高频谱效率和传输质量的良好折衷，但是处理起来比单独使用分集或复用要复杂一些。
2.2.4智能MIMO
移动WiMAX还支持各种MIMO模式之间的自适应MIMO转换(AMS)，这也叫做智能MIMO。如图1所示。智能MIMO根据信道条件，选择合适的MIMO模式，在不降低覆盖范围的情况下提高频谱利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同场景带来的不确定性，使MIMO技术具有更广泛的应用场景。如对于同网络下的不同终端，其天线数目可能是不同的，因而若在同一小区采用相同的MIMO传输方法，难以达到优化设计目标。此外，用户经历的衰落也是不一样的，自适应选择不同MIMO技术以适应信道变化，可以优化系统性能。为支持自适应MIMO模式选择，发射端需要得到更多的包括信道或权重的反馈信息。
