隧道空间受限、狭长且存在分支、弯道和坡道等情况,电磁波在其中传播的多径衰落效应严重,是制约隧道无线通信系统性能的关键问题。协作通信能够在不增加各个节点天线数量的前提下,利用隧道内的多径衰落,提高隧道无线通信性能。本文对隧道无线协作通信系统容量与性能优化开展研究,利用中继协作构成虚拟MIMO,增强抗多径衰落能力。首先,建立了隧道无线通信信道模型。提出通过增加隧道粗糙损耗因子,对多波模模型进行了修正,建立了综合隧道壁散射损耗的多波模修正信道模型。利用多波模修正信道模型仿真隧道内电磁波的传播特性,仿真结果与实测结果吻合度较高。对多波模修正信道模型进行简化,建立了近区模型和远区模型,并通过仿真验证了其合理性。其次,基于多波模修正信道模型,建立了隧道单中继协作通信系统模型,提出基于信道容量优化的隧道单中继协作通信功率分配方法、协作模式选择方法和中继位置选择方法。推导了AF和DF协作模式下,最大化信道容量的功率分配方法,仿真结果表明,在双重功率受限时,AF模式和DF模式下信道容量可分别提升15-38%和20-65%。提出了V-SISO和V-SIMO隧道协作通信系统协作模式选择方法。给出了不同协作模式下中继节点优化位置的计算公式。再次,建立了隧道多中继协作通信系统模型,提出隧道多中继协作通信系统的性能优化方法。在双重功率受限时,以信道容量为优化准则,基于多个中继节点参与协作,提出了AFPAGA算法和DFMKPA算法,给出了不同协作模式下功率优化分配方法。仿真结果表明,在总功率较小时,信道容量的优化效果更明显。提出了中继选择和功率分配联合优化方法,降低了隧道协作通信系统的中断概率。最后,在隧道多中继协作通信系统的中继端采用分布式波束成形,建立了隧道协作波束成形通信系统模型,提出了基于信道容量优化的隧道协作通信联合功率分配和波束成形方法,提高系统的信道容量。提出了基于预定信道功率增益门限的隧道协作通信联合中继选择和波束成形方法,在获得与所有中继节点均参与协作波束成形非常相近的信道容量和误码率的同时,降低了中继端波束成形的复杂度。论文的研究有助于提升隧道无线通信的可靠性和有效性,为灵活构建实时、长距、可靠和高效的隧道安全监控和应急救援系统提供理论支撑与技术支持。