随着铁路业务的发展,铁路移动通信的需求已不仅仅是低数据速率的列控列调类业务,而智能化调度、视频监控和运营管理等高数据速率业务将成为未来铁路移动通信的重要组成部分。随着智能手机、平板电脑等设备的普及,高铁旅客对列车车厢内无线宽带接入服务需求也愈发迫切。铁路移动通信、旅客无线接入需求均呈现出宽带化、多样化、数据化的趋势,这些对高铁移动通信系统在大容量、可靠性、安全性方面均提出了更高的挑战。中国的高铁主要运营环境以高架桥为主,该场景的无线信道环境以视距成分为主,只存在稀疏的散射径,并没有丰富的多径成分,而且铁路线路中的列车基本以高速运行为主,这些与公众移动通信系统都是不同的。基于高铁场景无线信道环境的特性和高铁移动通信系统的数据传输需求,本文基于演进的LTE/LTE-A网络和未来的5G标准,对高铁场景中的无线传输技术进行研究,聚焦于多天线和波束赋形下的关键理论和技术问题,为保障铁路及旅客业务大容量、可靠性、安全性传输提供理论和技术支撑。首先,在高铁场景下,提升频谱效率的一个可行方法是使用多流波束赋形。因此,基于大规模MIMO技术,利用列控系统提供的列车速度和位置信息,提出一种基于大规模MIMO的自适应多流波束赋形通信方案。并提出一种自适应多流波束选择算法,该算法根据列控系统提供的列车速度和位置信息自适应地对激活波束数、接收天线索引进行选择。研究结果表明,该方案可有效提升系统总吞吐量,研究结果亦揭示了系统吞吐量与激活接收天线数非正比例关系这一规律。接着,由于高铁无线信道具有较强的时间、空间相关性,且以强视距为主,并存在移动引起的载波间干扰等问题,导致多天线增益难以发挥。为了在高铁场景中获得多天线增益,一种解决思路是利用列车的移动性去降低信道相关性,但这同时会加剧载波间干扰问题。空间调制技术作为一种新出现的多天线传输技术,在一个时刻只需激活一根发送天线,通过激活天线本身的索引信息携带位置编码信息,可消除载波间的干扰问题,有利于在高铁场景中通过移动性降低信道相关性这一思路的实现。研究结果表明可以通过移动性来弱化信道之间的空间相关性。结果还进一步证实,经过合理设计,大规模MIMO空间调制技术应用于高铁移动通信系统在技术上是可行的。其次,使用更高频段的频谱资源作为一种简单、有效的提供更高数据速率的方法引起了很大的关注。在蜂窝网络基础上构建的高铁移动通信系统同样需要演进,以支持更高速率的高铁车地业务承载需求。高铁信道的强相关性,导致传统MIMO方法失效,且现有MIMO增强技术复杂度较高,这些均不利于多天线增益的获得。而空间调制技术复杂性较低且在强视距下性能更好,这对高铁场景很具有吸引力。因此,提出一种适用于更高频段的混合空间调制波束赋形方案,该方案在数字域使用空间调制技术选择激活的阵列天线索引,在模拟域使用模拟波束赋形技术对数据进行发送。研究, 合空间调制波束赋形方案进行了很好的折中,在降低成本和复杂度的同时,保证系统性能。研究结果还表明,预定义波束流数的改变对系统性能的影响并不敏感,基站端均匀平面阵(UPA)阵列天线数,列车端均匀线性阵(ULA)阵列天线中的阵元数的改变可以明显的影响系统性能。再次,将更高频段应用于高铁场景提升系统性能时,我们还需要考虑系统如何在列车整个运行过程中,特别是高铁列控信号传输时,提供相对平稳可靠的数据速率传输,提升网络可靠性这一需求。为此,我们提出了非均匀波束赋形的概念,并提出一种基于二分法的波束边界点计算方法,用于各波束覆盖范围的确定。研究结果表明,非均匀波束赋形使用基于二分法的波束边界点计算方法时非均匀波束赋形可以很好的满足在列车整个运行过程中,提升演进的下一代高铁移动通信网络可靠性这一思想,更好的契合了高铁移动通信系统数据传输需求。最后,高铁移动通信系统所承载的铁路业务中的列控列调信息,与列车运行安全密切相关,因此对通信信号系统的安全性、可靠性要求更为苛刻。为了保证列控列调信息传输的安全性,提出了一种具有人工噪声的高铁安全通信方案。在该方案中,发送者根据主信道状态信息、窃听信道的部分信道状态信息,动态调整波束赋形的方向及人工噪声的产生方向,降低窃听者对系统安全性的影响,并最大化系统保密容量。研究结果表明,方案可以在满足高铁移动通信系统保密容量要求的同时,降低系统中断概率,达到安全通信的要求。