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高速铁路已成为全世界优先发展的战略性新兴产业。随着列车速度的逐渐提升和小型手持移动终端的广泛普及,为保证列车内乘客良好的通信体验,高速发展的铁路网络对高铁通信提出了更高的要求和挑战。本论文考虑高铁两跳无线宽带接入系统,通过在列车顶部架设天线,车载天线与轨边射频天线单元(Radio Antenna Unit,RAU)进行第一跳的通信(“轨边天线-车载天线”链路),然后将接收信号进行处理后,通过分布于车厢内部的接入点(Access Point,AP),与车厢内的用户终端完成第二跳的通信(“车载天线-车内用户”链路)。现有研究成果大多考虑高铁两跳系统下网络层的相关性能,有关链路层性能的研究较少。而链路层主要负责将当前网络层的数据可靠的传输到目标网络层,故链路层的数据传输对系统性能是最基本,最不可忽视的部分。本论文从高铁两跳系统链路层的数据传输着手,在“轨边天线-车载天线”链路中,分别考虑列车频繁地越区切换、多天线技术、列车的高速移动及通信环境的复杂多变等三个因素对数据传输性能的影响;在“车载天线-车内用户”链路,针对链路内缺少路由设备的特点,分别考虑树形、网状广播网络下数据广播性能的特征。主要研究成果如下:首先,针对列车的频繁越区切换,设计提出改进的数据传输机制,实现在不增加设备和开销的前提下,提高系统切换性能。在“轨边天线-车载天线”链路中,分析现有数据传输策略在列车频繁切换情形下的不足,即网络层通信开始时链路层经过一段通信准备时间后开始正常通信,称为链路层的通信后延问题。为确保通信的连续,设计提出一种基于列车频繁越区切换的数据传输机制,当前服务RAU在切换开始时传输数据包至目标RAU,确保目标RAU进入系统后立即开始通信,旨在消除链路层通信后延问题。同时,将业务量到达,数据传输等因素参数化,通过建立损失制Geom\G\1排队模型对改进机制性能进行定量分析,验证提出机制的有效性。其次,通过重构Goem/Goem/c/c排队模型,对基于多天线技术对数据传输性能进行定量研究。在“地面天线-车载天线”链路中,引入多天线技术,通过重构Geom/Geom/c/c消失模型对多信道数据传输机制的性能进行定量分析,得到系统损失率,平均队长,时延,吞吐量等性能指标的解析式。同时,通过讨论多天线技术对高铁通信性能的影响规律,为提高高铁通信质量给出理论支撑,为更高无线技术的设计,规划和优化提供参考。再次,针对列车的高速移动及通信环境的复杂多变,引入选择重传-自动请求重传-自适应调制编码技术(Selective-Repeat Automatic-Repeat-reQuest AdaptiveModulation Coding,SR-ARQ-AMC),旨在提高信道利用率同时保证数据的可靠传输。在“地面天线-车载天线”链路中,根据列车的高速移动及通信环境的复杂多变,得到高铁信道的非平稳特性,即高铁通信条件随着时间快速变化。为提高信道利用率同时保证可靠传输,在高铁通信系统中引入SR-ARQ-AMC技术,实现根据信道信噪比动态的调整组桢速率。同时,通过建立带计时器的Geom/G/1/M排队模型对SR-ARQ-AMC系统的数据传输性能进行定量分析,得到系统丢包率的解析式,并通过数值分析对系统提出优化建议。然后,针对车厢内缺少路由设备的特点,首次将ARQ技术引入树形广播链路,设计提出五种数据可靠广播协议旨在实现绿色通信。在“车载天线-车内用户”链路中,针对链路中缺少路由设备的特点(所有信息通过广播链路传输)和乘客手持终端的能量有限性,基于数据广播的统计可靠性,在树形广播网络中,研究提出五种数据广播协议(ARN,SW-E2E-ARQ,SW-HBH-ARQ,SW-HBH-oiARQ,SW-HBH-ieARQ)。同时从理论上解决了树形广播网络中最大重传次数,最小系统能耗,系统时延的定量分析,然后对五种协议进行了数值比较并对实际系统的设计提出协议选择方案。最后,引入协同通信技术,首次实现网状(Mesh)广播网络结构,设计提出四种数据协同广播协议,以最小化Mesh广播网络的能耗。在“车载天线-车内用户”链路中,考虑到无线电波在接受端的广播特性,为进一步降低系统能耗,引入协同通信技术,将树形广播网络结构推广到Mesh广播网络结构,研究提出四种数据广播协议(SW-HBH-CARQ,SW-HBH-oiCARQ,SW-HBH-ieCARQ,SW-HBH-oieCARQ)。同时在更广义的Mesh广播网络下给出了四种协议的最大重传次数,最小能耗和系统时延等性能的解析式,然后通过数值仿真验证协同广播协议的优势。