随着移动智能终端的迅速普及以及新型应用的爆炸式增长,能够承载大带宽、低时延、高可靠需求的第五代（Fifth Generation,5G）和第五代之后（Beyond 5G,B5G）移动通信系统成为当前研究的重点。相比于第四代（Fourth Generation,4G）移动通信系统,三维多输入多输出（Three-Dimensional Multiple Input Multiple Output,3D MIMO）技术利用增加的垂直维度的自由度有效提升了系统的频谱效率。为了支撑在5G及B5G通信系统下的关键技术的仿真和验证,需要充分研究3D MIMO信道的传播特性。由于受限于测量设备,目前已有研究的测量场景还不够全面,量化的结果还不充足。本论文基于搭建的3D MIMO专用测量系统,对信道传播特性进行了深入研究,并以此为基础提出了一种适用于当前主流MIMO-正交频分复用（MIMO-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MIMO-OFDM）系统的信道衰落预测技术。本论文的主要研究工作总结如下:（1）多维信道特征参数估计。为了从真实测量的信道冲激响应（Chan-nel Impulse Response,CIR）数据中获得多维信道特征参数,需要采用合适的算法对CIR进行估计。本论文以传统的时域空间交替广义期望最大化（Space Alternating Generalized Expectation Maximization,SAGE）算法为基础,将其在频域和三维空间角度上进行了扩展。此外,为了估计时变信道下的信道特征参数,本论文引入了贝叶斯估计卡尔曼滤波（Bayesian Estimation Kalman Filter,BEKF）算法,并对其进行了扩展,使其可以对真实通信系统中有限分辨率的参数时变趋势进行追踪。（2）3D MIMO信道空域角度参数建模和仿真方法。本论文分别通过功率角度谱和角度扩展值研究了 3个典型场景下3D MIMO信道的角度参数分布特性。典型场景包括室外站覆盖室内、城市微蜂窝和城市宏蜂窝,且每个场景分别选择了 2个测量站址。对于3D MIMO信道下的水平发射角、水平到达角、垂直发射角和垂直到达角,可以明显地看到它们随着用户的移动而连续演进变化,呈现出信道空间一致特性。比较所有场景下的角度扩展值发现,室外站覆盖室内场景下垂直维度的散射体最丰富,因此具有最大的角度扩展值;反之,城市宏蜂窝场景由于收发端的水平距离较远,垂直维度相比于水平维度的散射体的影响很小,因此垂直角度扩展值最小。进一步,本论文利用功率角度谱的对称特性提出了一种用于信道仿真模型中多径簇采样的随机角度偏移方法,它可以在有限的模型仿真复杂度下更好地匹配目标功率角度谱的空间和时间相关性,有望应用在未来大规模MIMO、高速时变信道下的仿真模型中。（3）3D MIMO信道系统性能分析。本论文分别从单用户MIMO和多用户MIMO的信道容量、信道相关性以及2D MIMO与3D MIMO信道容量差的角度研究了 3个典型场景下的系统性能。在信噪比为20dB且基站和终端分别配置32和2个天线阵元时,两用户的3D MIMO信道容量相比于单用户在室外站覆盖室内、城市微蜂窝和城市宏蜂窝场景下可以分别实现82%、77%、和73%的显著增长。这说明在高信噪比下通过配置更多的用户数,3D MIMO可以实现更高的复用增益。此外,相比于2D MIMO,3D MIMO的信道空间相关性特征值分布更加均匀,能够支持通信的用户数目更多。因此,3D MIMO通过增加的垂直维度增加了信道自由度,从而支持更多信息流的传输。（4）高速场景下快时变MIMO信道衰落预测技术研究。本论文利用测量并分析得到的3D MIMO信道传播特性,结合信道空间一致特性,提出了一种全新的适用于高速场景下的信道衰落预测框架。该框架在充分考虑了 MIMO信道空间特性的基础上,利用“簇漂移”的假设,将BEKF信道参数追踪算法和提出的基于簇漂移的信道衰落预测（Cluster Drifting Based Prediction,CDBP）算法整合到信道衰落预测的框架下。通过对信道特征参数时变特性的追踪和拟合实现了快时变MIMO信道的衰落预测。相比于传统信道衰落预测方法,CDBP算法计算得到的系统误比特率（Bit Error Rate,BER）显著降低。