在万物互联时代,无线通信业务的需求呈指数增长,无线通信技术需要进一步向高速率、大连接、低时延和低成本等方向发展以应对多样化的通信场景。毫米波大规模MIMO技术因其可使用的频谱资源丰富,并且能获得可观的天线增益和更高的吞吐量,被视为未来无线通信最有潜力的技术之一。通信系统的发展与变革是机遇与挑战并存的过程,技术提升带来的信道特性的变化、复杂度的提升和系统架构的升级都给信道状态信息的获取带来了更大的挑战。本文以毫米波大规模MIMO系统的信道参数估计问题为核心,通过大量的文献整理总结相关技术的发展现状,并重点探讨了毫米波信道的传播特性与模型。然后围绕信道估计算法的有效性、准确性和低开销三大要求,结合张量理论研究了毫米波应用场景中3D信道和多用户时变信道的参数估计问题。首先,本文通过整理经典文献介绍毫米波大规模MIMO系统的发展,对其中几个主要研究方向的研究进展进行介绍,并讨论了在毫米波大规模MIMO技术背景下信道估计遇到了哪些新的挑战。进一步,本文详尽的介绍了信道估计算法的研究现状,同时简要阐述了它们的研究思路和特点,并分析其存在的毫米波信道稀疏性挖掘不彻底、系统中信号的特殊结构被忽略、算法的稳定性不足和导频开销过高等问题。然后,结合毫米波传播特性引入几何参数模型,并分析不同条件下的表现形式,同时对本文使用的张量理论相关数学概念进行阐述。其次,本文从数字架构下的3D毫米波系统入手,提出了基于多维范德蒙德结构约束的3D毫米波上行信道估计算法。在该方法中,我们充分挖掘了毫米波信道稀疏性和均匀阵列响应信息,以空时对角码为导频,在基站端把接收信号建模为符合平行因子分解（CANDECOMP/PARAFAC Decomposition,CPD）的低秩张量并将阵列的空间响应关联为因子矩阵的范德蒙德结构,以此结构推导稳定的张量分解算法并从解得的因子矩阵中求解信道参数。理论分析和数值仿真表明,所提方法与压缩感知相关的传统算法和改进后的2D-ESPRIT算法相比实现了更低的复杂度,并且在算法稳定性和准确性方面都有一定的提升。最后,针对现实中无人机群和车联网等高速移动场景,研究了混合波束赋形架构下的多用户上行时变毫米波信道估计问题。为了更好的分离信道在时间维度上的动态变化,设计了在时间维度进行扩展的新型导频传输结构。基于这种结构,将接收端的导频信号组合为三阶低秩张量,从而实现导频同步下多移动端信道的联合估计。为了进一步降低导频开销,分析了在本质唯一性条件得到满足的前提下导频分配和信道传播路径数的关系,并在数值仿真中验证了时隙导频数和系统性能的关系,从而得出在本文环境配置下兼顾性能与开销的导频分配方案。数值仿真结果表明,和基于压缩感知及其改进的自适应算法等方案相比较,本文设计的方案可以在提升性能的同时降低导频开销。