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目前，MIMO技术已经成为无线通信领域中研究得最广泛的技术之一。在无线移动环境中采用MIMO技术，可以在不增加带宽以及发射功率的情况下，提高系统的信道容量。然而，MIMO系统性能的提升极大地依赖于MIMO的信道特性。因此，建立有效地反映MIMO信道特性的信道模型十分重要。现有的MIMO信道模型大多建立在二维平面内，各种统计特性只存在方位角分量，而无仰角分量，这并不符合实际的无线信道。为了更真实地模拟实际MIMO信道的传输，本文在现有的基于几何的随机信道模型基础上建模了3D MIMO信道模型，实现了信道和天线模型的三维化，更加贴合地反映了实际MIMO的信道特性。本文主要从以下三个方面完成了对3DMIMO建模的研究：1.任意3D天线阵列的建模。对MIMO信道模型来说，天线阵列模型是至关重要的，因为天线阵列定义了无线信道的空间维度。然而目前的天线模型基本是依附于信道模型的、简单低复杂度的模型，这使得任意天线结构以及场方向图的应用存在着困难性。因此本文描述了一种独立于信道模型的3D天线阵列建模方法。确定了建模的参考坐标系；讨论了两种天线阵元方向图的表示方法：EADF表示法以及3D近似法；并对仿真环境中3D天线阵列的影响进行了研究。仿真结果表明了3D天线场方向图表示法以及阵列模型的正确性和实用性。2.3D MIMO通用信道的建模。MIMO建模的目的是通过MIMO信道模型完成对信道的预测，并通过对统计信道参数的认知，产生更多一般性的描述，如对通信方案的性能和实用性的评估。而目前通用的MIMO信道模型只实现了二维平面内的建模，为了更真实地模拟实际MIMO信道，本文进行了MIMO信道在三维空间中的建模。所建的3D MIMO信道模型遵循几何随机信道建模的方法，是一个基于射线的双向无线信道模型。仿真结果表明，不同天线配置下的模型性能不同，并证明可通过增加天线数目以及阵元间距的方式提高信道容量。3.3D MIMO系统中波束成形技术的应用。在3D MIMO信道模型建立的基础上，为了提高链路的质量以及逼近理想的信道容量，本文研究了依托MIMO技术而生的波束成形技术。分析了3D MIMO系统中，天线的线阵和面阵所对应的不同波束成形方案。仿真结果表明，通过使用波束成形技术，在3D MIMO系统中对准了目标用户，改善了系统性能。