在第四代移动通信系统(4G)走向商用之际,移动通信业务量的持续增长和业务多样性推动着新一代无线通信系统技术的研究。三维多输入多输出(3 Dimensional MIMO,3D MIMO)技术在传统多天线技术的基础上将天线阵列从水平空间扩展到三维空间,增加了信道在垂直维度的自由度。该技术可以进一步提升无线通信系统的频谱效率,并被视为新一代通信系统(5G)的关键技术之一。无线新技术的研究与评估离不开对无线信道传播特性的认知与建模。由于4G之前的信道模型局限于水平空间而不支持3D MIMO技术的研究和评估,因此迫切需要关于3DMIMO信道的测量与建模的研究。论文的主要研究工作和创新性总结如下：1.3D MIMO信道测量与数据处理。利用信道测量平台(sounder)搭建了宽带3D MIMO信道测量系统,测量系统的中心频率为3.5GHz而频带带宽为100MHz,选用具有32阵元的平面阵列作为发射天线,具有56阵元的全向天线阵列作为接收天线。之后分别在城市宏蜂窝、城市微蜂窝和室外到室内等典型场景下进行3D信道响应的数据采集,测量方式分为定点测量和移动路线测量并包含的视距与非视距两种传播条件。之后从采集数据中获得信道冲击响应(Channel Impulse Response, CIR),并利用空间交替广义期望最大化算法(Space Alternating Generalized Expectation Maximization, SAGE)从CIR中提取出传播时延、多普勒频偏、水平到达角、水平离开角、俯仰到达角、俯仰离开角以及极化复增益等信道参数。2.3D MIMO信道俯仰参数统计特性分析。基于所估计出的俯仰角度参数,利用随机过程理论全面地分析了各场景下俯仰角度的统计特性。相比于利用Gaussian拟合俯仰角度分布,发现Laplace分布函数可以更加精确的拟合各典型场景下收发两端的俯仰功率角度谱。同时研究了非视距情况下俯仰功率角度谱角度均值统计特征,研究结果表明接收端俯仰角度均值集中于水平面附近而发射端俯仰角度均值基于水平面与俯仰视距方向之间。另外在视距情况下收发两端俯仰功率角度谱的功率最大值所在方向近似于两端俯仰视距方向。分析结果还表明各场景下收发两端的俯仰角度扩展可以由Lognormal分布函数进行拟合,并且城市微蜂窝场景具有最大的俯仰角度扩展,特别是在非视距情况下发射端和接收端的俯仰角度扩展分别达到了13.18°和19.05°。3.3D MIMO信道的建模。根据俯仰角度参数统计特性的分析,提出了一种新的俯仰角度建模方法。分别以收发两端的俯仰功率角度谱的功率最大值所在方向和俯仰功率角度谱的角度均值作为视距条件与非视距条件的建模对象,通过对抽取的离散俯仰角度样本进行平移,获得传播径的实际俯仰角度。在对3D天线阵列建模方法的研究中,阐述了包括线性天线阵列、平面天线阵列以及圆柱状天线阵列在内的天线阵列建模。最后在保留传统信道参数建模的基础上引入俯仰维度参数,结合建议的俯仰角度建模方法和3D天线阵列建模方法,完成了3D MIMO信道建模。4.3D MIMO信道模型的验证与评估。以实际信道测量数据为参考,从俯仰角度参数统计特性、信道响应矩阵奇异值分布和MIMO信道容量三个方面验证了本论文提出的3D MIMO信道模型。验证结果表明该3D MIMO信道模型所生成的信道参数和信道响应在上述三个指标上可以很好的吻合基于测量的结果。在验证3D MIMO信道模型时,还对比分析了3D MIMO信道模型和传统二维多输入多输出(2 Dimensional MIMO,2D MIMO)信道模型在奇异值分布和信道容量上的差异。分析结果表明相比于3D信道模型,缺少俯仰维度参数的2D MIMO信道模型会提高MIMO信道的空间相关性,导致在各场景下2D信道模型的奇异值分布要相对分散而且低估实际信道容量。此外该估计误差的大小与场景有关,其中微蜂窝场景的容量误差最大,在视距和非视距情况下均超过40%,而宏蜂窝场景下的的容量误差最小且维持在10%。5.3D MIMO信道空间相关性的研究。基于实际信道测量,从均方根误差、发射端信道矩阵的奇异值分布和多用户合速率等方面对Kronecker积相关性模型进行验证。验证结果表明Kronecker积空间相关性模型为了保证空间相关性矩阵可分解,在局部改变了信道空间相关系数,导致了信道复用能力的降低。在多用户MIMO系统使用Kronecker积空间相关性模型会低估系统合速率,且估计误差会随着用户数的增加而变大。当用户数量从4增长到16时,估计误差则由4%变为8.3%。随后利用已验证的3D MIMO信道模型推导出信道相关性的解析表达式,研究了俯仰角度参数和天线阵列配置对信道空间相关性的影响。研究结果表明由于水平维度具有较大的角度扩展,使得水平天线阵列比俯仰天线阵列具有更低的空间相关性。因此对于3D天线阵列,在充分利用水平空间配置天线阵元的基础上,应当尽可能增加俯仰维度的阵元间距(2-4倍水平间距)换取信道复用能力的提升。综上所述,本论文面向5G系统,基于信道测量数据对俯仰维度参数进行了统计分析。测量分析结果随后被用来进行3D MIMO信道的建模,并从奇异值分布和信道容量等方面对3D MIMO信道模型进行验证。最后对信道空间相关性进行了研究,评估了Kronecker积相关性模型,并利用3D MIMO信道模型分析了信道俯仰维度参数和天线配置对信道空间相关性的影响。