具有完全中国自主知识产权的中国高铁已经成为代表中国形象的重要产业不断走向全世界,而中国高铁的飞速发展对铁路无线通信系统也提出了更高的要求。目前,铁路无线通信系统仍然采用由公众移动通信系统2G GSM系统发展而来GSM-R,由于带宽有限,仅能够承载基本的列控列调业务,不能满足日益先进化的列控系统的大容量数据传输需求,如新型的车载视频监控业务等。而且,随着移动业务与移动设备的不断丰富化,人们已然习惯于无处不在的无线接入服务,也希望在长途旅行中能够享受到一样的服务。因此,如何提升高铁无线通信系统容量来满足未来高铁系统的数据传输需求及高铁旅客信息服务成为提升中国高铁形象的一大挑战。另一方面,公众移动通信系统GSM已经面临淘汰,目前4G LTE系统已经完成了全球商用布网,并正在向第五代无线通信系统演进,那么未来对GSM-R的技术及产品的支持也就变得更加薄弱,作为一种专用无线通信系统,高铁无线通信系统同样需要跟随整个无线通信行业的发展步伐,向新一代专用无线通信网络演进。首先,借鉴公众5G移动通信技术的发展,为了增强高铁无线通信系统的容量,亦需要向拥有更宽连续可用频谱的高频频段延展带宽。然而,高频频段的路径损耗大,导致小区覆盖范围较小,形成更加密集的网络部署,频繁的越区切换不但影响传输可靠性,还增加了网络的信令开销。基于此,提出高铁控制面与用户面解耦网络架构,将无线连接的控制面与用户面在物理上完全分离,其中相对重要的与移动性管理相关的控制面保留在传输特性较好、覆盖有保障的低频频段,承载主要数据的用户面则搬移到带宽丰富的高频频段。此外,为了保障列控列调数据传输的绝对可靠性,其业务仍完全由低频频段承载,这样也实现了列控列调业务与旅客业务的隔离,保障了列控数据的安全。理论分析表明,提出的网络架构在保障了网络覆盖性能的同时,大幅度提升了系统传输容量。接着,研究了高速移动场景下的越区切换问题。在以往耦合的网络架构中,控制面与用户面的切换是同时发生的,切换耗时较长,在高速移动场景下容易出现列车在切换区域内行驶时间不足完成切换而造成切换中断的问题。此外,切换的类型为硬切换,需要先断开与服务基站的链接,再同步到目标基站,造成频繁的数据中断,并不能够满足铁路高移动场景下对传输可靠性的需求,基于此,借助解耦架构下控制面与用户面完全分离的特性,提出控制面与用户面切换交错的方案,在宏小区的重叠区布置小小区,使控制面的小区边缘区域不再是用户面的小区边缘区域,在控制面进行切换时,用户面仍可以保持连接;小小区的重叠区对应宏小区信号质量较好的区域,在用户面切换时,控制面始终在线掌控整个切换过程,那么整个切换过程将变成简单的类似于传统的基站内切换。不过,在用户面切换过程中,发生了路径变化,会导致用户面的短暂中断。为了实现用户面的软切换,在该切换过程中引入双播及Co MP技术。研究结果表明,提出方案可以明显减少每次切换的耗时,保障切换过程中数据传输的连续性,实现了快速软切换。其次,研究了高铁控制面与用户面解耦网络架构下调度器配置与资源分配策略。在多用户公众移动通信系统中,为了实现用户间和谐的无线资源共享,上下行链路的资源调度功能均集中中基站侧。也就是说,在上行方向,用户需要向基站申请资源,并等待基站的调度结果,才能进行上行数据传输,引入了较大的上行传输时延。然而,在高铁场景中,为了保障行车安全,在连续两车间通常保持10km左右的闭塞区间距离,该距离远大于一个基站的覆盖范围。因此,若不考虑瞬间会车及车站停留的少数多用户场景,高铁场景下对于一个给定的基站基本上是只存在一辆接入列车。基于此,提出在列车端引入一个上行调度器,实现列车端对上行资源自行管理,来提高上行资源使用灵活性,降低上行资源分配时延。此外,根据高铁场景下的业务特点,结合优化理论提出了更加适合高铁场景的区分业务的资源分配策略。研究结果表明,提出的双调度器方案可以降低上行传输时延,区分业务的资源分配策略能够提升资源使用效率。再次,研究了高铁解耦网络架构下保障数据传输可靠性的HARQ重传技术。作为LTE的重要技术,HARQ通过对出错数据包进行重传保障了无线传输的可靠性。在解耦架构中,数据由工作在高频频段的小小区传输,HARQ应答控制信令则在宏小区的低频频段传输,然后再通过X3口将该应答信息转发给小小区。在实际系统中,X3口存在转发时延,那么传统HARQ方案在解耦架构下将引入更大的重传时延。基于此,以分集传输理论为基础,提出基于高铁解耦网络架构的协作HARQ重传方案,借助可能存在的剩余高质量低频资源,协助小小区进行重传。研究结果表明,提出方案提升了重传成功率,降低重传次数,继而减少重传时延。最后,研究了适合高铁解耦网络架构的可靠性评价方法。在解耦网络架构的设计过程中,考虑到控制面对系统可靠性的影响较用户面要大,因此被保留在了低频频段。然而,传统的中断概率指标并不能够区分控制面与用户面对系统的影响,因此不适合用于解耦网络架构。在未来的高铁解耦网络规划中,需要更加合理的性能评价方法。基于此,提出了新的性能评价方法,即非可靠性因子URF,定义当控制面的误符号率高于某个门限值时整个通信是中断的,即URF=1;反之,整个系统的传输性能则取决于用户面的中断概率。这也是符合实际通信系统的,当控制面的误符号率较高时,即使用户面的数据被可靠传输也无法被正确解码,那么通信仍是中断的。最后结合条件独立理论,给出了该评价方法下的可靠性性能指标闭式解。研究结果表明,提出的URF可以很好的区分控制面与用户面对系统可靠性的影响,更适合作为解耦网络架构的可靠性评价指标。