本文以LTE技术标准演进为背景，对LTE Release12中的3D MIMO技术进行了研究。得益于智能天线系统（AAS，ActiveAntenna System）的成熟，基站已经可以配备平面天线阵列。相较于传统的线天线，平面天线阵列允许波束在水平、竖直两个维度进行动态调整；通过合理利用这一空间资源，可以提升系统容量，改善系统覆盖。首先，我们对3D MIMO的空间传输特性进行了研究。我们建立了双极化天线辐射模式下、电磁波在三维空间中散射传播的信道模型；基于该模型，我们分析了3D MIMO的容量特性，发现虽然考虑3D传播能够显著提高系统容量，但是其有效性很大程度上取决于水平和竖直维度的角度扩展；我们推导了3D MIMO空间相关性的闭式表达，仿真验证了该表达式的正确性；我们还对3D MIMO情形下Kronecker模型的有效性进行了评估。上述信道特性研究是后续系统方案设计的基础。其次，在链路级层面，我们研究了3D MIMO下CQI选择和PMI选择的问题。关于CQI选择，通过将最大似然检测和EESM算法进行结合，我们提出了一种bit-LLR EESM算法，并对其进行了实现复杂度化简，该算法可以有效地对物理层进行抽象，输出精确的CQI。关于PMI选择，利用天线端口的概念，我们将天线阵列的预编码问题拆分为竖直维度波束赋形和水平维度预编码两个独立的操作，实现了最大程度地重用系统码本、降低码本搜索复杂度的目的。最后，在系统级层面，针对3D MIMO的竖直维波束赋形应用，我们提出一种解耦算法，可以联合优化天线倾角和用户选择问题。该算法复杂度低、无需后台开销、亦无需额外的标准化工作，适于系统实际部署应用。以上所述三个层次中，信道特性是基础，链路反馈是支撑，系统部署是目的。三个层次逐级递进，以最终达到充分利用3D MIMO的空间自由度资源，提升系统性能的目标。