大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术作为第五代移动通信系统（5th Generation Mobile Communication Systems,5G）的关键技术之一,在提高频谱效率和能量效率等方面具有巨大优势,其中大规模MIMO波束赋形技术作为提升无线通信物理层性能的重要手段,在5G通信中受到广泛的研究。然而,大规模MIMO波束赋形在5G通信应用场景中仍存在许多挑战,如窄波束易受频率变化影响导致波束偏移以及窄波束在特定场景下应用的问题。基于以上问题,论文对大规模MIMO波束赋形技术在不同应用下进行了针对性的研究,主要研究内容和贡献简述如下:·针对大规模MIMO波束在高铁场景中受多普勒频移及路径损耗影响,列车接收性能沿位置的通信不公平的问题,提出一种基于位置-公平的扇形宽波束赋形方案。首先,建立扇形化的宽波束结构。接着,建立最大化波束范围内平均接收功率的波束优化问题,使不同位置的接收功率稳定。采用线性规划来求解优化问题。进一步,将宽波束设计推广到两列车同时位于不同扇形区域的场景,建立宽波束对的优化问题,最大化最小传输速率之和,使两辆列车在相应波束覆盖范围内的信干噪比稳定且抑制两个波束之间的平均干扰。优化问题转换为最小发射功率来求解,并提出一种贪婪迭代算法获得原问题的最优解。仿真结果表明:在多普勒频移影响下,相比于离散傅里叶变换预编码,所提出的宽波束方案能有效提升列车通信公平性以及传输效率,且有效减少信道质量指数的反馈开销。·针对大规模MIMO波束在高铁通信系统的专用覆盖问题,提出基于椭圆小区的宽波束赋形与功率分配的联合优化方案。首先建立最大化椭圆小区边缘接收功率的宽波束优化问题,使小区边缘不同位置的接收功率相等。通过选择合适的离心率获得最优波束。在此基础上,提出一种改进的功率分配方案,优化参数可使系统的覆盖率和功率效率在所有功率分配方案之间调整。仿真结果显示:相比线性覆盖波束赋形,所提方案覆盖率更高,通信覆盖率随着椭圆离心率的增大而提高,而且合适的基站位置能达到更好的覆盖率;另外,宽波束赋形与改进的功率分配的联合优化可进一步提高通信覆盖率的同时保障系统功率效率。·针对大规模MIMO毫米波宽带通信系统的波束偏斜补偿问题,提出模拟宽波束赋形方案。建立波束优化问题,最大化带宽范围内的平均波束增益,使带宽内每个频点的波束增益稳定。问题转换成近似的半正定松弛（Semidefinite Relaxation,SDR）问题来求解。在SDR的解秩不为1时,提出一种有效的秩减算法获得波束向量,并提出基于空时块编码（Space-Time Block Code,STBC）的波束赋形传输方案。仿真结果表明:提出的基于STBC的宽波束传输方案能有效补偿波束偏斜并在一定条件下提高系统吞吐量。