大规模多输入多输出(MIMO)通过在基站配备大规模天线阵列,可以显著提升系统频谱效率和能量效率。然而上述优势的发挥必须建立在所有用户完全时频同步的基础上。配备大规模天线的基站期望能够支持大量用户的空间复用传输,此时上行链路的多用户同步将面临非常严峻的挑战。已有同步方法往往仅从时频域出发,难以同时兼顾同步性能、复杂度和频谱效率。面对这些问题,本文将阵列信号处理与无线通信相结合,着重研究了在角度域内充分挖掘大规模天线超高空域分辨力的多用户频率同步方法。基于大规模天线阵列的结构特性和传播环境的窄角特征,本文提出一种联合空间-频率对齐的方法分别为每个用户进行载频偏移估计以及补偿。得益于大规模天线阵列提供的空域分辨力,本文利用每个用户的有效波达方向(DOA)所对应的导向向量进行接收波束形成,可使多用户干扰得到有效的抑制。这种多路接收波束形成的方法使得每个用户与基站之间形成了一个等价的单用户传输模型,从而传统的单用户信道估计和数据检测技术能被运用。此外,由于用户的移动以及周边环境变化,其空域特征也会随之发生变化。这就意味着,在实际上行链路传输中,很有可能部分用户并没有与其他用户拥有足够良好的空域隔离。针对此,本文提出了基于用户自适应分组的鲁棒多用户载频同步方法。其核心思想在于对空域特征相近的用户进行分组联合处理,w而对于空域特征与其他用户隔离足够的用户,仍然对其单独进行空频联合对准实现载频同步。简单来说,对于分组用户,由于此时仅仅利用空域难以区分这些用户,需要进行多用户空时信号的联合处理,进行载频联合同步,包括多频偏联合估计与补偿以及后续相应的组内多用户联合检测。本文还进一步基于大规模天线提出了高速移动通信下的频率同步方法。在高速移动通信中,多径传播效应与高速移动的同时出现使得无线信号在各路径产生不同的多普勒频移,造成信道的快时变特性,给无线通信系统的信道估计与均衡带来极大挑战。本文从空域入手,基于大规模天线的超高空域分辨能w力在角度域实现多径多普勒频偏的分离,并提出了一套完整的接收机设计框架。数值仿真表明,本文所述基于大规模天线的频率同步技术具有显著的性能优势,为大规模MIMO系统的研究提供了新的思路。