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毫米波（Millimeter Wave,mmWave）频段频谱资源丰富、指向性强,可实现点对点的高速数据传输,故其被选为5G标准以显著提升系统容量。然而,mmWave路径损耗严重并且穿透能力差,这极大地制约了其实际应用。为了弥补mmWave的这些缺陷,催生出了多种mmWave传输辅助技术,最近发展起来的可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface,RIS）技术便是其中之一。RIS 通过重构mmWave通信环境,增强接收信号强度,以克服mmWave传输中的缺陷,因此,其有望被广泛用于5G网络中。在5G通信系统中,波束赋形是其物理层关键技术,因此,本文研究了基于RIS辅助的mmWave通信系统的波束赋形问题。此外,考虑到无线信号的广播性和开放性,进而引发无线通信安全问题。而波束赋形技术为解决物理层安全问题提供了技术支持。因此,本文还研究了基于RIS辅助的mmWave通信系统物理层安全问题。综上所述,本学位论文的主要内容包括以下四个方面:第一,研究了 RIS辅助的mmWave通信系统的波束赋形问题。因传统正交多址接入（Orthogonal Multiple Access,OMA）方式限制了 mmWave通信系统的接入用户数与数据速率,本文采用非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access,NOMA）方式,来成倍提升mmWave通信系统的用户数量和数据速率。目前针对NOMA方式下,基于RIS辅助的mmWave系统波束赋形研究还尚浅。因此,本章使用NOMA接入方式,采用数模混合波束赋形与RIS无源波束赋形组成的复合型波束赋形传输方案,公式化了信号传输模型并给出了最大化可达和速率的非凸优化问题。针对该非凸问题,提出了一个NOMA模式下基于交替优化方法的功率分配和波束赋形设计算法。通过仿真实验给出了 NOMA方案与其他接入方案的性能对比。并且验证了 RIS技术在提高mmWave系统传输速率和能量效率方面的有效性。此外,本章也为后续的研究提供了研究方法。第二,由于无线通信系统的广播特性、开放特性,其在传输中必然存在信息泄露。因此,本章基于前文所提出的波束赋形方案,研究了基于RIS辅助的mmWave通信系统的物理层安全问题。首先,针对基站（Base Station,BS）已知窃听用户的信道状态信息（Channel State Information,CSI）的场景,建立了 RIS 辅助的 mmWave安全通信模型,围绕有源波束赋形和RIS无源波束赋形组合的复合型波束赋形安全传输方案,推导出了安全速率优化问题。针对该非凸问题,提出了基于连续凸逼近（Sequential Convex Approximation,SCA）和流形优化（Manifold Optimization,MO）方法的交替优化算法。基于上述理论框架,又将所得到的研究方法扩展到BS无法获取窃听用户CSI的场景。通过仿真实验将所提的交替优化算法与传统方案进行对比,结果表明本章所提方案性能更优。其主要创新点在于,将前面研究得到的方法应用到RIS辅助的mmWave系统的物理层安全中并进行了仿真分析。第三,研究了基于多个RIS辅助的mmWave通信系统的安全速率优化问题。首先,考虑RIS接入BS的方式,其主要包括全连接模式和开关模式两种接入方案。针对开关模式的多个RIS场景,建立了 mmWave通信系统的安全传输模型。基于前文所提的波束赋形方案和RIS无源波束赋形组成的复合型波束赋形安全传输方案,本章给出了基于SCA方法、Dinkelbach方法和MO方法的交替优化算法。在不同接入模式下,本章将所提的基于交替优化的安全波束赋形方案与传统方案进行性能对比,仿真结果表明,本章所提算法性能远胜于传统方案。此外,还对比了不同接入模式在同一优化算法下的性能,结果表明开关模式的安全性能在所有接入模式下安全性能最高,从而证明了自适应开关调节的有效性。其主要创新点在于研究了具有自适应开关调节的多个RIS辅助的mmWave系统的物理层安全问题并进行了仿真分析。最后,研究了在硬件限制下RIS辅助的mmWave通信系统波束赋形与物理层安全问题。首先,给出了带有自适应模数转换器（Resolution Adaptive Analog-to-Digital Converter,RADC）的RIS辅助的mmWave通信系统的波束赋形问题。针对该非凸优化问题,本章提出了一个基于SCA方法、MO方法和优化最小化（Majorization-Minimization,MM）方法的交替优化算法。仿真结果表明RIS的引入可以在满足系统传输性能的要求下减少系统射频（Radio Frequency,RF）链路数量。然后基于上述理论框架,将研究成果扩展到具有低精度数模转换器（Low-Resolution Digital-to-Analog Converter,LD AC）的 RIS 辅助的 mmWave 通信系统物理层安全问题。以前面所述的优化技术为出发点,提出了一个基于SCA方法和块坐标下降（Block Coordinate Descent,BCD）方法的交替优化算法。仿真结果表明不需要配置精度较高的数模转换器（Digital-to-Analog Converter,DAC）便能够满足信号安全传输的要求。本章创新点在于结合实际通信系统中的硬件缺陷,并对上述模型和算法进行了仿真验证。