随着国民经济的发展,我国对中西部地区铁路建设的步伐不断加快,对保障铁路运输安全的铁路无线通信质量的要求也不断提高。中西部铁路的特点是多隧道,铁路沿线存在三种典型的电波覆盖环境:完全开阔空间、完全受限空间、以及包含隧道入口的开阔-受限接续空间。这些空间的结构多变、电磁环境复杂、无线信号受环境影响严重,实现均匀覆盖的难度大。因此,要实现稳定、高效的电波覆盖,需要研究这类环境中的电波传播模型,提出准确的路径损耗预测方法。然而,现有的针对铁路沿线开阔-受限混合空间的研究,大多没有考虑天线与环境的相互作用,相对独立地研究天线或环境对场景内电波覆盖规律的影响;研究环境也是比较单一的开阔空间或隧道场景,对开阔-受限接续区域电波覆盖的研究较少。本文针对上述问题,利用计算电磁学模型,结合优化算法,研究铁路沿线开阔、受限及其接续区域内的高效、精确电波预测模型,验证波束赋形天线在混合空间的覆盖性能,提出均匀高效的电波覆盖方案,为设计实现铁路沿线开阔、受限及其接续区域的高效电波覆盖提供理论基础和技术支撑。本文的主要创新性工作如下:1.建立了隧道场景的射线追踪模型,提出了接收场强均匀性的量化评估参数,研究了天线位置、极化方式等天线参数对不同横截面尺寸隧道内电波覆盖的影响;提出了一种适用于隧道场景的分集方案,并利用电波预测模型分析了分集方案产生的电波覆盖效果,验证了该方案具有可以减少隧道电波深衰落、实现隧道均匀电波覆盖的功能;进一步利用波导模式理论揭示了分集方案实现均匀电波覆盖的机理。2.建立了开阔-受限接续区域的时域有限差分计算模型,结合等效原理和并行算法,研究了开阔-受限接续区域的电波传播机理,分析了天线位置、增益、波束指向角、隧道形状及列车车体对接续空间电波覆盖规律的影响,总结了适用于开阔-受限接续区域的天线布局方案。3.提出了一种适用于开阔-受限接续区域的混合电波预测模型,该计算模型可考虑天线方向图、波束指向角等天线参数的影响,且在处理大尺寸接续空间时计算效率高,计算结果精确;所提方法的有效性和实用性通过与单一计算模型仿真结果和文献测试数据的对比得到验证。4.提出了可用于计算倾斜天线方向图影响的倾斜高斯波束方法,并将其与矢量抛物方程方法相结合,实现了具有倾斜波束指向角或倾斜方向图天线在隧道内产生电波覆盖的高效、准确预测。5.利用矢量抛物方程与倾斜高斯波束混合模型,预测了为隧道环境设计的波束赋形天线在隧道内产生的电波覆盖效果,利用通信参数指标评估了电波覆盖性能;研究了基于波束切换的波束赋形方案在隧道中的电波覆盖情况,分析了影响赋形效果的系统参数,结合优化算法,提出了适合隧道场景电波覆盖的波束赋形方案。