近年来，随着移动互联网产业的飞速发展，移动应用数据量呈现爆炸式增长态势，第五代移动通信技术（5G，5th Generation Mobile Communication）应运而生。作为5G的关键技术，多天线技术和毫米波通信技术是当今5G研究中的两大热点。多天线技术通过波束成形可以有效补偿毫米波信号的严重传输损耗，而波长较短的毫米波有利于大规模天线阵列的集成化，两者结合可以带来大带宽、高频谱效率、高数据速率等诸多好处。然而，多天线毫米波通信技术在给系统带来显著性能提升的同时，也面临许多新的挑战。本文在针对面向5G新空口（NR，New Radio）标准的大规模多输入多输出（MIMO， Multiple Input Multiple Output）系统进行空口同步模块完善的基础上，构建了面向5G NR标准的多天线毫米波传输验证系统，并对人工智能（AI，Artificial Intelligence）辅助优化的波束追踪算法进行了研究。具体研究内容如下：
　　首先，针对大规模MIMO原型验证系统进行了空口同步模块的设计与实现。在介绍了大规模MIMO原型验证系统软硬件架构的基础上，给出了适用于大规模MIMO系统的具体同步方案设计与实现细节，包括基于主同步信号的定时同步算法的设计与实现以及基于循环前缀的频率同步算法的设计与实现，完成对无线帧起始位置的定位以及系统频偏的估计与补偿，并结合实际视频传输演示对大规模 MIMO 原型验证系统以及同步模块的性能进行了测试验证。
　　接着，在深入学习理解 5G NR 标准后，依据标准规范对毫米波传输验证平台的物理层进行了设计。在参照 5G NR 标准确定了系统主要参数指标、无线帧结构以及系统模型的基础上，对物理层数据流程进行了具体设计，并对 UDP 传输帧结构设计以及信道估计与均衡算法设计作了详细介绍。特别地，针对利用多天线实现毫米波波束成形部分，进一步完成了对包括同步信号块、波束码本、波束扫描与测量时序、波束管理方案等关键模块的设计。
　　然后，在已建立的物理层框架基础上，对毫米波传输验证平台的软硬件架构和具体实现细节展开详细介绍。在给出了系统的软硬件组成、软硬件架构设计以及软硬件具体分工设计后，对软件无线电（SDR，Software Defined Radio）处理单元和服务器处理单元上所部署的关键模块的设计与实现细节先后进行了详细介绍。SDR处理部分包括基带处理、参考信号接收功率测量、波束控制信号生成、波束管理策略以及 UDP 收发的设计与实现等，服务器端则主要侧重于对 AI 辅助优化的波束追踪算法的具体程序实现方案进行介绍。
　　最后，完成了对多天线毫米波传输验证平台的演示与验证，并基于该平台对 AI 辅助优化的波束追踪算法进行了对比测量方案的设计与实际性能的测试验证。多天线毫米波传输验证平台的演示与验证通过传输高清视频数据流的方式完成，在此基础上，针对AI 辅助优化的波束追踪算法设计了两组对比测量实验，包括不同环境下的性能测试对比以及不同算法间的性能测试对比，并根据测量结果，对该算法的鲁棒性、波束追踪效率、波束追踪准确度等多方面性能进行分析。