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随着现代信息社会的飞速发展,人们对无线移动通信服务的需求日益增长。由于传统的正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)已趋于可达速率极限,新型多址接入技术引起业内广泛关注。基于功率域的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)方案可实现功率域多个用户的非正交复用,相比OMA能进一步提高传输速率。由于毫米波(Millimeter Wave,mmWave)多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)系统中射频链路资源宝贵、波束的指向性强,使用NOMA技术能使相同的波束同时服务不同的用户,从而提高系统服务的用户数目和系统的整体性能。本文针对mmWave MIMO系统中NOMA技术开展研究工作,具体如下。本文研究了基于透镜天线阵列的毫米波MIMO-NOMA系统,利用波束空间信道矩阵的稀疏性,提出一种正则化多径匹配追踪(Regularized Multipath Matching Pursuit,RMMP)算法。然后依次研究了用户配对方法、等效信道建立方法以及功率分配算法。仿真结果表明,RMMP算法在高信噪比下的均方误差远小于正交匹配追踪算法和正交最小二乘算法,而运行时间远少于多径匹配追踪(Multipath Matching Pursuit,MMP)算法;此外,基于透镜天线阵列的毫米波MIMO-NOMA系统,频谱效率和能量效率均优于毫米波OMA系统。本文还研究了基于移相器网络的毫米波多子波束MIMO-NOMA系统,给出了一种将所有发射天线分成多个子阵列形成多个子波束同时服务多个用户的NOMA方法。在传统的单波束NOMA中,一个波束同时服务多个用户。然而毫米波模拟波束具有高度的指向性,若将单个模拟波束拆成多个子波束,每个子波束指向一个不同的用户,具有更强的空间灵活性。相应的,还研究了上行导频辅助信道估计、下行数字预编码设计、用户端的串行干扰消除。特别的,论文还给出了一种面向系统和速率最大化的功率分配方法。仿真结果表明,相比于毫米波单波束NOMA系统,毫米波多子波束NOMA系统能实现更高的和速率。