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无线通信技术的飞速发展,极大地改变了人类的生活方式,为各个行业带来了翻天覆地的变化。由于轨道交通系统对通信技术的依赖,无线通信技术对于轨道交通行业尤其重要。为了进一步提高无线通信系统性能、提高无线频谱资源利用率,促进轨道交通事业的发展,跨层设计逐渐成为下一代无线通信系统研究的热点。本文重点研究了无线通信系统跨层设计的关键技术和基础理论,主要研究内容与创新如下:在已有研究成果的基础上对无线通信系统跨层设计进行总体的研究和分析,指出无线通信跨层设计中的关键技术是:链路性能感知(Link Performance Cognition,LPC)和信道状态信息(Channel Status Information,CSD反馈技术。下一代无线通信系统广泛采用多天线正交频分复用(Multi-Input Multi-OutputOrthogonal Frequency Division Multiplexing,MIMO-OFDM)无线传输技术,本文首先对多天线传输环境下的信道模型进行了比较详尽的理论分析与仿真验证;然后通过理论分析得到MIMO-OFDM无线传输和检测算法的数学模型,为后续的理论分析与仿真建模提供基础。针对链路性能感知技术缺乏有效理论模型的问题,本文在信息论、概率论以及信号检测原理的基础上,推导得出一个比较完整和有效的理论模型来描述链路性能感知技术。并且应用本文提出的理论模型,分析、比较了现有的各种链路性能感知算法的性能以及适用范围。针对现有链路性能感知算法存在的问题,根据本文提出的理论模型,可以推出改进的编码块接收信息率(Enhanced Received BlockInformation Rate,ERBIR)链路性能感知算法。链路级仿真(Link Level Simulation,LLS)结果表明,该算法不仅改善了链路性能感知的准确性,而且具有更广的适用范围;仿真结果同时证明了本文提出的理论模型是有效的,能够准确地在理论上描述和解释链路性能感知技术。详细地分析和研究了信道状态信息反馈技术,提出应将闭环无线系统的系统容量作为衡量反馈方案性能的指标。并且从理论和实际应用的角度,根据系统容量的准则,分析、比较了几种目前常用反馈方案的性能以及适用范围。然后利用该准则,推导得出了能够使得闭环无线通信系统获得最优化系统容量性能的分层反馈方案。基于波形预编码技术的闭环MIMO传输系统的仿真结果表明:与目前常用的反馈方案相比,本文提出的分层反馈方案能够将系统的传输差错性能改善1～2dB。最后,应用本文得到的结论,分析了跨层设计在实际系统中的应用,并在WiMAXⅡ系统中实现了部分跨层设计算法。仿真结果表明:本文提出的理论模型和算法能够有效地指导跨层设计在实际无线通信系统中的应用,预测系统性能;本文提出的ERBIR链路性能感知算法,可以将链路自适应技术的系统吞吐量提高大约10%;将链路性能感知的理论模型应用于无线通信系统的系统仿真(SystemLevel Simulation,SLS)中,能够在保证SLS能够准确的反应系统实时状态的前提下,极大地简化系统仿真的计算复杂度;同时,仿真结果表明这样的简化能够获得合理的系统仿真结果。