近年来随着人们对无线通信系统高速率和高带宽的迫切需求,毫米波通信逐渐发展成为通信领域的研究热点,多输入多输出(MIMO)无线通信系统和大规模天线阵列技术也由于较高的系统容量和频谱效率成为5G通信研究的关键技术。在毫米波系统中,有限反馈波束赋形(BF)系统利用空间复用的方式显著提升了系统容量,由于可以形成方向性的波束,相对于全向性天线可以明显降低系统的能量开销,同时基于码本的闭环波束赋形系统能够利用接收端反馈的部分信道状态信息(CSI)有效地进行信道估计,显著降低了系统实现复杂度,提高了系统性能。本文主要对毫米波通信系统中基于部分CSI有限反馈的波束赋形机制进行了研究,主要的工作分为以下三方面的内容:(1)在波束赋形系统中,考虑时间相关信道下的信道方向性变化问题时,本文研究了一种基于旋转码本的部分CSI有限差分反馈的波束赋形系统,该系统利用矩阵分析理论,将时间相关信道相邻信道索引下的信道方向性变化投射到格拉斯曼流形中进行分析,同时利用基于旋转码本的码本更新策略来追踪信道方向性变化。在前人的研究中,只考虑了该系统在一阶高斯马尔可夫信道条件下的信道追踪情况,而在实际的信道传播环境当中,有限径信道模型更能够相对准确的模拟实际的物理信道,因此在有限径模型下对上述部分CSI有限反馈追踪算法进行研究是很有必要的;同时,考虑实际的BF系统中,信号在传输过程中主径被遮挡的情况是经常发生的,本文也扩展研究了上述的应用场景,考虑信道主径遮挡与恢复下的数学原理分析以及追踪效果验证;仿真结果表明,在有限径信道模型下,基于旋转码本的算法对不同的应用场景都能够有效地追踪信道的方向性变化,提升系统容量。(2)在现有基于码本的有限反馈预编码波束赋形系统中,由于在发送有效载荷之前需要进行码字搜索阶段和信道索引反馈阶段而造成系统效率低下,而且在接收端利用码字选取标准进行最优量化码字计算时也需要较高的计算复杂度。针对以上基于信号的波束赋形机制存在的问题,基于已知位置的波束赋形系统由于可以省略码字搜索和反馈的计算开销和反馈开销能够带来很好的系统性能。基于上述两种不同的BF系统,进一步对比量化分析其频谱效率和能效效率是很有必要的。本文依据频谱效率和能量效率分析模型对上述系统进行了性能对比分析,仿真结果表明基于已知位置的BF系统能够明显地提升系统的频谱效率(SE)和能量效率(EE)。(3)考虑到波束赋形设计方案最终都要回归到实际的系统设计和部署,在对基于已知位置的波束赋形方法进行分析之后,本文在这方面也做出了相应的努力,借助快速原型设计软硬件平台LabVIEW和USRP搭建了 2× 1波束赋形下行链路系统,该系统采用M-QAM OFDM调制解调方式,同时仿真分析了波束赋形发射角度与接收端实际接收信号强度之间的对应关系,仿真结果表明该波束赋形平台能够明显观察到波束赋形的相干增强和相干减弱的效果。该系统还进行了图片无线传输的场景试验,并通过接收星座图和系统误码率对整机系统性能进行验证,结果表明该系统能够达到很高的信号接收性能以及较高的系统误码率性能。