多输入多输出(MIMO)是下一代移动通信关键技术之一。三维(3D)波束成型是一种富有潜力的MIMO技术方案。它通过动态的天线阵列来控制天线的辐射方向,使得天线的辐射方向更具有指向性,从而增强覆盖范以及提高小区边缘的通信质量,同时能够增加小区内用户的安全容量。基站端采用3D MIMO可以更准确的对垂直维度的到达角进行建模,即三维空间信道的建模。本文主要研究适宜不同场景的三维空间信道模型。论文的主要工作包括:(1)概述了MIMO技术相关概念以及二维空间信道模型(2D SCM)的基本原理,3GPP25.996技术规范涉及了二维空间信道模型,它主要考虑了水平维度的角度功率谱,未考虑垂直维度的功率谱,当垂直维度角度比较明显的情况下(比如基站端天线采用3D MIMO),2D SCM可能会带来错误的分析结果,因此要对2D SCM进行改进。(2)针对2D SCM没有考虑垂直维度功率谱的缺陷,提出第一种改进的适合室外-室内传播场景的三维空间信道模型(3D SCM),在该种模型下评估了基站下倾角、收发天线数以及3D与2D功率比值等不同系统参数对互信息速率的影响。然后提出一种下倾角自适应的干扰控制方案,即通过实现2个临近基站的波束协调,来改善小区边缘用户的室内覆盖。(3)在2D SCM的基础上提出第二种适合室外传播场景的三维信道模型,在该种模型下评估了不同的基站高度、移动台高度、载波频率等系统参数下对小区用户的安全容量的影响,对比了在2D SCM和3D SCM两种信道模型下安全容量的改变。并且考虑了当有相邻小区干扰时,小区内用户安全容量的改变。最后提出一种基于人工噪声的3D SCM信道模型的加密算法。(4)在3D SCM的基础上详细的研究了基站端天线采用面阵的三维空间信道模型。其次,研究了角度扩展(AS)和交叉极化鉴别值(XPD)对互信息性能的影响,并且对比了线阵(ULA)和面阵(UPA)的性能。接着对比了2D MIMO和3D MIMO互信息性能。最后研究了在小区边缘,基站下倾角对小区覆盖范围的影响。