随着物联网和移动互联网的兴起,无线通信技术进一步发展,使得人与人之间的联系更为紧密,人与物、物与物之间也即将实现智能互联,信息交互的障碍逐步清除。“天地一体化”网络的建立涉及到各个领域的变革,导致数据流量显著增加,对连接质量的要求不断提升,开发高频段的频谱资源势在必行。在高速率、低时延、大密度、广覆盖的应用场景下,毫米波通信与大规模多输入多输出(MIMO)技术相结合是提高通信质量的关键,明确毫米波信道的传输特性是进行系统方案设计的基础。因此,本文在下一代移动通信系统开发的大背景下,研究了毫米波无线信道的传输特性、模拟波束训练方案和适用于视距(LoS)MIMO通信的天线阵列结构。本文的主要工作如下:1、详细地介绍了毫米波高速通信系统的帧格式、带宽资源分配方式、帧定时同步和信道估计方案。基于子信道划分和基于资源块组聚合的两种资源分配机制能灵活有效地分配毫米波频段的带宽资源,基于同步序列的帧定时同步方法能够同时估计出整数频偏(IFO)和小数频偏(FFO),有较小的估计误差,具有时变和频选特性的信道采用了基于导频序列的估计方法。这些技术方案为后续章节中具体的通信技术研究奠定了基础。2、详尽地分析了毫米波无线信道的传播特性,提出了基于信道散射特性的秩适应传输方案。从模型参数和统计量的角度评估了基于统计特性的空间信道模型,一般情况下,非视距(NLoS)环境下的时延扩展和角度扩展都要大于LoS环境。毫米波LoS MIMO信道的实测数据能够良好地匹配理论曲线,说明天线间距和传输距离对信道状态都有重要的影响。设计的秩适应传输方案能够根据信道的状态和信噪比(SNR)条件动态地调整数据流的数目。3、针对部分连接型天线子阵列结构,提出了一种基于子码本的模拟波束快速训练方案。在难以获取完整的信道状态信息(CSI)的情况下,收发端使用码本进行波束训练。基于子码本的方法根据波束的空间位置对初始码本中的码字筛选、组合,利用重新构建的子码本进行迭代训练。与遍历码本的做法相比,本文提出的算法具有较低的复杂度,仅选择码本中的部分码字进行训练,大大减少了波束训练的次数,节省了训练成本。仿真分析表明,所提的方案能够以较低的计算复杂度获得接近于穷举算法的性能。4、研究了毫米波LoSMIMO传输信道,根据最大化有效自由度(EDoF)的准则,提出了阵列天线结构的优化设计方案。在射频使用码本设计相移器的情况下,获得天线配置参数和传输距离之间的解析关系。与已有的结构相比,该子阵列结构可以同时提供阵列增益和空间复用增益。基于毫米波信道模型,本文还探究了系统对实际的天线布局和传播环境等非理想因素的敏感程度。仿真结果表明,根据最优化条件设计的子阵列结构对天线位置的改变或摆放误差都有一定的鲁棒性,因此在毫米波LoS环境中建立MIMO通信是可行的。