毫米波频段具有丰富的频谱资源,已经成为了第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology,5G）的重要通信频段。但是,毫米波高损耗、散射及绕射能力弱的传播特性给毫米波通信带来了挑战。为了建立毫米波链路,通信系统需要使用波束赋形（Beamforming,BF）技术形成高方向性波束以获得高增益。而在实际系统中,BF技术需要通过一套称为波束管理的操作来实现,分为初始接入和波束跟踪两个阶段。在传统的波束管理方案中,波束训练是获取信道状态以及进行各种系统操作的基础,但是毫米波的高方向性波束和高移动性应用场景会带来严重的训练开销。近年来,有研究开始关注使用带外信息辅助毫米波波束管理的方案。带外信息是指从毫米波通信系统之外的途径获取的信息,包括其他频带信道信息以及传感器信息。带外信息的获取不需要占用毫米波系统的通信资源,因此可以显著降低波束管理的开销,具有十分重要的研究意义与应用价值。本文关注带外信息辅助毫米波波束跟踪的问题。在波束跟踪过程中,用户终端（User Equipment,UE）的运动会造成信道状态的快速变化,需要频繁的波束训练与更新,因而带来大量的系统开销。另一方面,智能终端上的传感器可以获得实时的空间信息,包括位置和姿态。空间信息可以准确地描述设备的运动,在波束跟踪过程中用于推测信道状态,可以有效降低波束跟踪开销。本文主要研究在UE运动过程中,使用空间信息辅助毫米波波束跟踪的问题,这一问题的关键在于通信设备的运动如何影响信道状态。具体而言,本文的主要研究内容分为以下三个部分。（1）研究UE旋转运动过程中的信道变化规律以及姿态信息辅助的毫米波波束跟踪问题。在波束跟踪中如何利用空间信息与通信设备的运动状态密切相关。具体而言,通信设备的运动可以分解为平移与旋转运动,分别由空间信息中的位置与姿态描述。本文首先研究UE作旋转运动时毫米波信道的变化规律,基于毫米波几何信道模型,建立了 UE的姿态与信道矩阵之间的关系。然后,本文提出了 UE作旋转运动时的单端补偿方案,即在UE旋转后,通过仅更新UE侧的收发机BF设计完成波束跟踪,同时证明了其可行性。在此基础上,本文分别在数字波束赋形（Digital Beamforming,DBF）架构和混合波束赋形（Hybrid Beamforming,HBF）架构下,提出了姿态信息辅助的波束跟踪算法。（2）研究姿态信息辅助基于码本的波束跟踪及码本设计问题。为了降低通信时BF设计的计算开销和延时,实际的通信系统通常会基于码本进行BF设计。本文考虑UE作旋转运动时,利用姿态信息辅助基于码本的波束跟踪问题。首先,提出了姿态信息辅助的波束切换算法。由于测量误差会导致波束的错误切换进而造成波束失准甚至跟踪的中断,因此本文进一步考虑降低测量误差影响的方法。通过分析发现,码本的波束宽度存在一个折中设计问题。本文通过最大化平均传输速率给出了最优波束宽度设计。进一步,引入了波束重叠机制,利用波束间重叠的覆盖范围消除测量误差引起的波束失准问题,并给出了最优的重叠率与波束宽度设计。（3）研究UE同时存在平移和旋转运动场景下的空间信息辅助毫米波波束跟踪问题。在UE同时存在平移与旋转运动的场景中,需要同时使用位置与姿态信息辅助波束跟踪。本文首先基于毫米波几何信道模型,利用位置与姿态信息建立了视距（Line of Sight,LOS）条件下的信道演化模型,即描述信道状态随时间变化规律的递推公式。基于信道演化模型,可以利用空间信息计算实时的信道状态,实现波束跟踪。进一步,本文考虑了空间信息测量误差的影响,对演化模型进行了修正,并在此基础上提出了一种空间信息辅助的波束跟踪算法,算法使用了波束训练进一步提高波束跟踪的准确度。最后,本文分析了波束跟踪中训练波束对波束跟踪算法的非线性影响,并提出了一种新的训练波束设计以降低这一影响。