高铁通信是交通通信重要组成部分。随着无线通信的发展和乘客需求的提高,高铁通信质量需要显著的提升。高铁通信主要分为两部分:车地通信和车内通信,车地通信和车内通信也分为上行链路和下行链路传输。本文侧重研究的是车地通信的下行链路传输部分。毫米波频率高、波长短,可以显著提高数据的传输速率,是下一代无线通信的研究重点。毫米波通信可以减少天线尺寸,有利于大规模天线技术的使用。而大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)可以降低毫米波因远距离传输带来的损耗问题。特别是波束赋形技术,既可以增大边缘信号的覆盖范围、提高总体吞吐量,还可以抑制干扰。因此毫米波通信与大规模MIMO波束赋形结合起来可以显著提高无线通信的系统性能,从而为下一代高铁通信技术的发展提供有力的支持。本文将毫米波大规模MIMO通信和高铁这种特殊场景结合起来,主要研究的是其中的波束赋形技术。本文研究的主要内容及结果如下:(1)结合传统的MIMO波束赋形方法,分析了一种基于到达角(Direction Of Arrival,DOA)位置波束赋形方法。通过仿真对比了最优波束赋形、传统机会波束赋形、基于DOA波束赋形等波束赋形方法,发现高铁更宜采用基于DOA位置波束赋形方法。(2)分析了单双波束切换波束赋形方法。通过波束宽度、到达角差、干扰系数以及信噪比四方面分析得到了波束切换的切换点。并且仿真对比了单双波束切换波束赋形和单、双波束波束赋形方法的频谱效率,发现前者可以提高频谱效率。(3)基于DOA的波束赋形方法,考虑了角度估计误差。重新推导了具有角度误差时波束赋形的频谱效率表达式,仿真对比了具有角度误差和角度估计准确情况下的频谱效率,以及角度误差取不同值时的频谱效率。结果表明具有角度误差的频谱效率要比理想情况高铁通信的频谱效率低,但是结果更接近实际。(4)在保证平均功率不变的原则下,发射端引入了功率调控机制,并重新推导了频谱效率表达式。仿真结果表明,可以通过控制发射端功率来抵消因距离增大带来的路径损耗,使列车在行驶过程中信号传输速率不变,乘客保持平稳通信。(5)高铁采用分布式大规模MIMO天线阵列模型,仿真分析了分别采用单波束波束赋形、双波束波束赋形、全波束波束赋形和自适应波束赋形情况下的频谱效率。仿真结果表明,使用自适应波束赋形方法可以提高频谱效率。然后,进一步仿真分析了自适应波束赋形分别在距离和基站天线数不同时,系统频谱效率和最优波束数的变化。(6)本文改进了自适应波束赋形算法。将迭代的思想与传统波束赋形算法相结合,降低了计算复杂度。将用户实际需求量与天线选择算法结合,节省了资源。