波束管理是毫米波通信中重要的技术手段。由于毫米波系统中传播损耗和衰减较大,因此需要稳定的波束对准保证通信质量。辅助波束对准的手段包括带外信息辅助、雷达辅助、位置信息和角度信息辅助、运动轨迹估计等。本文围绕波束选择和波束跟踪的方案设计及波束设计进行研究,主要研究内容包括:(1)改进了基于LWOMP算法的波束选择方案。相比于OMP稀疏恢复算法,LWOMP算法引入了加权因子对迭代结果进行了调整。本文中将加权因子进行改进,引入了低频带信道的空间信息作为加权因子中毫米波信道的先验信息,并提出了视距路径能量比β作为提高加权因子辅助效果的辅助变量,以对加权因子的可信度进行调整。文中就双频带信道的稀疏特性进行了仿真和理论分析,并对两种方案的性能进行了比较,得到了改进方案在训练开销相同的情况下,具有更高的频谱效率的结果。从仿真中也可以得到,LWOMP方案的有效可达速率和成功比例均比OMP方案有明显提升的结果。(2)提出了基于位置估计的波束跟踪算法。传统的算法通过两级迭代减少开销,进行快速的波束训练达到波束跟踪的效果。而所提出的算法利用了用户缓慢移动的特性和扫描过程中可以获取粗略角度估计的特征,通过求得角度估计偏差确定扫描范围,从而尽量减少第二级迭代开销,减少冗余,提高选择效率。本文中就采用的模型进行了发射角、接收角、转向角、用户位置的估计偏差的克拉美罗下界进行推导,引入了费雪信息矩阵作为估计效果的反映。我们将将所提出算法和传统RSRP跟踪算法进行了性能比较,可以看到其归一化SNR有较明显提升,总开销减小。本章中同时也可以发现远距离和散射体后方的估计效果较差,导致开销大幅增加。因此,该算法需要较多密集分布的小型基站才能保证较好的性能。(3)对比分析了V2I波束切换的两种波束设计方案。我们在链路预算模型中,针对笔直公路V2I中波束重叠场景进行分析,获得了中断时间和数据速率的表达式。对于波束投影覆盖范围相等的方案和波束宽度相等的方案进行了性能上的比对和分析。可以发现,等覆盖设计在保证同等中断率下有更高的数据速率。但相比于等波束宽度设计,等覆盖设计受速度估计误差影响较大,因此在估计结果变差时将受到较强烈的影响。