国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)给出了第五代移动通信系统(The Fifth Generation Mobile Communication System,5G)的性能指标,包括20 Gbit/s峰值数据速率、100 Mbit/s用户体验数据速率等。毫米波频段拥有丰富的可用频谱资源,存在超过1 GHz的连续频谱,可以极大地提高系统吞吐量。因此,毫米波技术作为5G关键技术之一受到了广泛关注。由于频率的增加,毫米波的传播特性与传统微波相比具有较大的差异。研究毫米波移动通信信道的特性是研究和应用毫米波技术的重要基础,需要针对毫米波移动通信信道展开研究,掌握毫米波传播特性,并对毫米波信道进行建模,从而利用毫米波信道模型来验证毫米波技术的性能。本文从毫米波信道测量与建模、毫米波宽带信道参数估计以及毫米波信道特性对毫米波技术的影响三个方面进行研究,具体的研究内容和创新点如下:(1)毫米波宽带信道测量平台搭建与测量。毫米波宽带信道测量平台是研究毫米波信道特性的重要前提条件,而现有大多数信道测量平台只能工作在低频或者带宽有限(200MHz以下)。本文介绍了信道测量的基本原理,给出了详细的毫米波宽带信道测量平台搭建的方法,包括单输入单输出(Single Input Single Output,SISO)测量平台和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)测量平台。本文搭建的毫米波测量平台具有800 MHz带宽、2.5 ns时延分辨率、12 bit数模转换分辨率和超过200 m的测量范围。基于搭建的毫米波宽带信道测量平台,在ITU评估的5G增强型移动宽带通信典型场景下开展了毫米波信道测量,包括城市微蜂窝(Urban Microcell,UMi)场景、室内办公室场景和室内会议室场景。(2)室内办公室和会议室场景下的毫米波信道建模。室内场景是ITU评估的5G增强型移动宽带通信的典型环境之一,目前室内场景毫米波信道的研究主要集中在大尺度衰落特性上,对小尺度衰落特性的研究相对不足。本文基于毫米波信道测量平台在室内办公室和会议室场景采集到的信道数据,研究了这两种常见移动通信场景下的毫米波信道特性,包括大尺度衰落特性和小尺度衰落特性。同时,给出了这两种场景下毫米波信道参数模型,包括路损、阴影衰落、均方根(Root Mean Square,RMS)时延扩展(Delay Spread,DS)、莱斯因子、水平角扩展、垂直角扩展、簇数和簇内RMS DS。对于上述参数,利用其统计特性进行建模,并提供了模型参数值。(3)毫米波宽带莱斯因子估计与偏差分析。传统的矩量法只能用来估计窄带时变信道的莱斯因子,无法用来估计毫米波宽带信道中的莱斯因子。本文首先提出利用矩量法从信道频域响应样本中提取莱斯因子的宽带莱斯因子估计方法,该方法可以应用到毫米波宽带信道中,并且不要求信道是时变的。因此,该方法可以从毫米波定点测量数据中提取莱斯因子。其次,本文推导了宽带莱斯因子估计方法的估计偏差,理论分析和仿真分析表明,估计偏差和信道莱斯因子、样本数目、样本之间相关性有关。具体地讲,估计偏差随着信道莱斯因子的增长而增长;估计偏差随着样本数目的增长而减少;估计偏差随着样本相关性的增长而增长。最后,本文利用宽带莱斯因子估计方法提取了 UMi场景下毫米波信道的莱斯因子,并研究了 UMi场景下莱斯因子的距离依赖特性。(4)毫米波混合波束赋形(Hybrid Beamforming,HBF)技术的性能分析。毫米波HBF算法提出时通常只考虑了算法优化本身,并没有考虑信道对算法性能的影响。本文通过仿真实验,研究了毫米波信道相关性、信道稀疏性、信道空间色散等特性对HBF算法性能的影响。仿真分析表明,信道特性的改变对于不同的HBF算法具有不同的影响,这取决于HBF算法的原理。当HBF算法利用完整的信道信息进行预编码设计时,信道的自由度增加会使HBF算法性能提升。综上所述,本文面向5G的设计需求,针对毫米波技术的应用需求,开展了毫米波信道的特性研究。通过搭建毫米波信道测量平台,在三种常见移动通信场景下(UMi、室内办公室、室内会议室)采集了毫米波信道数据。其次,利用信道参数提取算法,从采集到的毫米波信道数据中提取毫米波信道参数,并进行分析与建模,给出了室内场景下毫米波信道模型。再次,提出了新的莱斯因子估计方法,并通过仿真和理论推导验证了该方法的正确性及估计偏差。最后,分析了毫米波信道特性对HBF技术性能的影响。以上研究成果为5G毫米波技术的研究与应用提供了基础。