近年来,随着移动通信的快速发展,人们对移动通信的要求也越来越高。新的通信技术必须要能够满足各种场景下的通信要求。因此能够充分利用信道的多径衰落性质来获得时域和频域分集的扩展方案非常值得研究。本文在对传统扩展方式的基础上,对二维正弦波复数扩展进行了分析研究,总结出可获取时频域分集的二维扩展方法,同时提出了新坐标系下可以复用多天线端口的新型导频复用方案,并与高速场景的信道估计算法相结合提高了高速场景下的性能。本文首先概述了当前通信技术中已经应用的扩展方式:一种是二值方波正交扩展,其相关的应用为一维扩展的码分多址技术和二维扩展的宽带无线接入技术;另一种是正弦波复数扩展,相关的应用为单载波频分多址技术。重点描述了应用一维正弦波复数扩展的单载波频分多址系统。为后面的二维正弦波复数扩展研究做了相关铺垫。论文工作的第二章主要研究了二维正弦波复数扩展技术及其系统结构。首先,通过在信道时变假设下,通过离散辛傅里叶变换,从原理上对二维正弦波扩展进行了相关的公式推导,并将传统的时频域转变为时延-多普勒域,得到了时延-多普勒域下正交时频扩展的系统模型和系统结构。然后,分析了正交时频扩展特殊的上行资源分配结构,在时延-多普勒域平面中的多普勒维度,分配给用户设备不相交的资源块,再通过二维正弦波复数扩展被扩展至整个时频域。仿真结果显示,正交时频扩展可以获得信道的时域和频域分集,具有比较高的对抗多普勒的能力,这非常有利于提高高速场景的通信系统性能,同时上行资源分配方式具有比单载波频分多址更低的峰均比。论文的重点工作在于时延-多普勒域下的信道估计研究。首先是对时延-多普勒域下的导频方案进行设计。时延-多普勒域信道对导频的影响局部性为时延-多普勒域导频的设计提供了指导,时延-多普勒域下的导频数量也满足相应的规律,为复用大量的天线端口提供了理论依据。仿真结果显示我们的导频方案具有较低的导频开销,并且不会影响到系统的信息速率。然后我们讨论了高速场景下的信道估计算法。通过公式推导,总结出传统的信道估计算法不适合高速场景的结论,接着引入了基于多径多普勒频率偏移的增强线性最小均方误差信道估计算法,降低了算法复杂度的同时,也提高了信道估计的准确性。仿真结果显示,具有获得时频域分集能力的正交时频扩展与增强线性最小均方误差信道估计算法相结合的系统性能较好,可以成为高速场景通信方案的选择。