移动业务类型的拓展和智能终端数量的增加对无线空中接口容量的扩展提出了前所未有的挑战。作为扩展通信容量的有效途径之一，开拓包括毫米波在内的高频段频谱资源受到了学术界和工业界的广泛关注。为适应毫米波通信路径损耗大、角度稀疏等传输特性，在通信收发两端通过架设大规模天线阵列获取大的波束增益以补偿路径损耗显得不可避免。然而，随着天线数量的剧增，传统的角度估计方法因其巨大的估计开销而不再适用。为减少角度估计的时间开销，本文围绕毫米波通信系统中的多分辨率码本设计和低开销波束训练技术展开研究。研究内容概括为如下三个部分：
　　一、为克服传统模拟码本生成方法中需要配置射频开关的缺陷，论文第2章研究仅有单条射频链可用时的多分辨率码本设计及点对点场景下的毫米波通信系统波束对齐问题。
　　本文将该码本设计建模为天线等功率约束下的数学优化问题，综合运用虚拟子阵列和多子波束合成技术进行波束拓宽；在推导阵列波束增益数学表达式的基础上，分析了等长虚拟子阵列对应的子波束间的相位差，进而揭示了线性相位差带来的空间频率选择性衰落问题；根据平坦波束设计准则，提出了通过相位补偿调整子波束间相位差的方法。最后，给出了等功率约束条件下的多分辨率码本生成和层次化波束对齐算法。
　　所提出的码本生成方法以解析形式给出，在提高了码本生成效率的同时，也为自适应波束对齐奠定了基础；相移阵列每根天线上施加等功率约束，在克服了传统模拟码本生成方法中需要配置射频开关缺陷的同时，也充分利用了阵列增益。
　　二、针对现有波束对齐方案在低信噪比时角度估计性能存在的“盆底现象”问题，论文第3章研究两种典型混合波束成形结构下的多分辨率码本设计和点对点场景下的自适应波束对齐问题。
　　首先，分析了在全连接结构下相移离散傅立叶(PS-DFT)方案中相邻子波束间的波束增益相位差，揭示了该相位差分段线性的特性和多子波束合成的可调性；提出了逼近理想波束的设计准则，得到了在总功率约束下多分辨率码本设计的解析形式(PS-DFT/CF)。推导了有视距径毫米波信道下接收信噪比的近似表达式，展现了采用PS-DFT/CF多分辨率码本时接收信噪比在统计意义上具有可预测性；设计了综合考虑传输信噪比与收发射机增益的自适应波束对齐，保证了角度估计成功率和有效频谱效率随传输信噪比线性增加。
　　然后，对子阵列形式混合波束成形结构下的PS-DFT多分辨率码本设计进行了研究。通过对阵列波束全增益的推导，发现了相邻子阵列的DFT阵列加权矢量具有线性相位差；从相位调整的角度提出了相位补偿系数的确定准则，在发射总功率恒定的约束条件下给出了基带波束成形向量的构造方法；提出并证明了由给定层的一个码字得到该层任意波束方向码字的方法；得到了具有解析形式的扩展PS-DFT码本产生方法。在此基础上，给出了具有自适应传输信噪比的波束初始级搜索所在码本层的确定方法。仿真结果表明该方法保证了初始级波束对齐的接收信噪比，解决了层次化波束对齐在低信噪比时的“盆底现象”问题。
　　三、为解决传统多用户波束训练方案中由用户逐个训练带来的高开销问题，论文第4章研究基站在两种典型混合预编码结构下毫米波通信系统的多用户并行波束训练问题。
　　基站侧采用全连接形式的混合预编码结构：首次提出了基于多分辨率码本的多用户并行波束训练策略；然后建立了此策略对应的信号传输模型；进而设计了该传输模型下的基带预编码矩阵和所需的模拟码本；最后将多用户并行波束训练设计归纳为低训练开销算法。
　　基站侧采用子阵列形式的混合预编码结构：分析了子阵列规模受限给并行波束训练带来的多用户干扰问题，提出四分支多分辨率码本设计方法和相应的基四并行波束训练算法，给出多用户基四并行波束训练中多用户干扰的近似上界，建立该干扰与训练级数、子阵列规模的函数关系。
　　研究结果表明：所提出的多用户并行波束训练方法能在莱斯信道下取得较好的角度估计性能，波束训练的时间开销与用户数目无关；基四波束训练在子阵列规模受限情况下，能显著提高系统性能。