未来的无线通信网络将包含更多和更为复杂的应用场景,而高动态通信便是其中的重要场景之一。传统的时频域波形技术如正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）可以对抗由于信道时间色散所引起的符号间干扰,但是在高动态通信中,由于多普勒频偏所造成的信道频率色散会破坏OFDM子载波之间的正交性,进而引起子载波间干扰,成为制约当前OFDM系统性能的重要因素之一。因此,探索新型空口波形设计以保障未来无线通信系统在高动态场景下的服务质量具有重要意义。正交时频空（Orthogonal Time Frequency Space,OTFS）是一种设计于时延-多普勒域的新型波形技术,能够将高动态通信中的双色散信道转换为时延-多普勒域的平稳信道,进而保证所有OTFS符号经历近似相同的信道增益。可见,OTFS是一种对信道时变性强鲁棒的新型波形技术,有望解决未来高动态通信中的多普勒频偏问题。然而,作为一项新型技术,当前对于OTFS波形的相关研究还处于初步阶段,更为广泛和深入的分析有待进一步开展。基于此,本课题提出面向高动态场景的正交时频空波形与传输方法研究,具体针对OTFS技术对抗多普勒频偏的内部机理分析、多种接收机均衡检测算法设计、以及应用场景评估等内容展开全面的深入研究。论文主要研究成果包括:1.针对当前OTFS线性均衡器复杂度较高的问题,本文提出一种基于二维快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）的低复杂度OTFS线性均衡算法,显著降低了 OTFS均衡器的计算复杂度。该部分所提低复杂度线性均衡算法充分研究并利用OTFS信道矩阵在时延-多普勒域的双重块循环属性,通过二维FFT运算避免传统线性均衡中的矩阵求逆、相乘等高复杂度操作,显著降低了 OTFS线性均衡算法的计算复杂度。2.针对大量多普勒频偏造成宽带移动通信系统性能下降的问题,本文提出一种基于OTFS的多天线消息传递-最大比合并（Message Passing-Maximum Ratio Combining,MP-MRC）迭代接收机设计,在增强系统对抗多普勒频偏能力的同时,降低接收机复杂度,提升迭代算法的收敛性能。该部分所提接收机设计,充分利用了多天线技术带来的高空间分辨率,从角度域对大量的多普勒频偏进行初步分离,并通过后续OTFS接收机的设计,有效抵抗残余多普勒的影响。对MP-MRC联合迭代接收算法的设计,一方面可获取高天线分集增益;另一方面可利用前述多普勒初步分离所带来的时延-多普勒域增强型OTFS信道稀疏性,进一步降低MP-MRC算法的复杂度,并提升其迭代收敛性能。3.针对当前对OTFS的应用场景分析较少且集中于陆地通信环境的问题,本文展开了面向海洋高动态场景的OTFS系统性能评估。一方面,针对海洋通信建模时传统传播损耗模型精度较低的问题,论文提出一种基于机器学习的海洋传播损耗修正模型,以提升对传播损耗建模的精确度。在此基础上,对一种海洋高动态无人机传播链路进行分析,针对其面临的稀疏多普勒频偏问题,进一步提出将OTFS技术应用其中,并对其实际通信性能进行仿真验证与评估分析。