智能交通系统是未来交通运输系统的发展方向,而以保证各种交通服务信息高效可靠传输为目标的高速移动通信系统则是智能交通系统的“神经中枢”。车联网是智能交通系统在高速移动环境中的典型应用。通常来说,车联网包括面向公路交通的车联网和面向轨道交通的高铁移动通信系统。随着车联网的蓬勃发展,日益增长的移动通信业务需求与日趋不足的移动通信系统传输能力之间的矛盾越来越激烈。以LTE(Long Term Evolution)系统标准为例,在普通步行速度条件下,20 MHz带宽可以提供大于100 Mbps的传输速率;而在高速移动条件下,例如:350km/h,系统的传输速率设计目标只能够提供100kbps的业务数据吞吐量,保守估计该吞吐量还达不到车辆通信所需总吞吐量的十分之一。系统传输能力严重下降的主要原因是高速移动引起的快速时变信道和相对位移导致的多普勒效应。此外,因为车联网需要为不同移动速度的车辆用户提供不同类型的移动通信服务,所以车联网具有不同类型业务服务质量要求差异化和不同移动速度用户信道特征差异化的特点。合理利用这些特点对于改善移动通信系统的性能起到显著的作用。因此,在高速移动场景中,研究能够有效提升系统通信性能的传输策略,具有重要的科学意义。本文针对高铁移动通信系统和车联网在高速移动环境中传输能力不足的问题,面向快速时变信道、多普勒效应、业务服务质量要求差异化和用户信道特征差异化的特点进行研究和分析,利用快速时变信道的时域相关性,设计适用于高速移动通信的自适应传输方案。在满足各种业务/用户的服务质量要求的条件下,显著提高了高速移动通信系统的传输能力。首先,第2章考虑在高速移动环境中基站到列车之间多载波系统通信的场景,针对快速时变信道和多普勒效应,设计一种非理想信道信息的跨层自适应传输方案,提高了系统吞吐量。其次,第3章基于第2章的通信场景,利用不同种类业务服务质量要求差异化的特点,设计一种非理想信道信息的分层调制多业务复用传输方案,提高了差异化多业务同传的频谱效率。然后,第4章根据第3章使用分层调制技术提供复用传输的思想,在车联网中,利用不同移动速度用户的信道特征差异化的特点,设计一种动态跨层资源管理策略,提高了基站向不同移动速度用户提供联合通信的吞吐量。最后,第5章考虑车联网中车辆双向通信能力不足的情况,研究车辆之间双向通信的频谱效率最大化问题。为了在有限的通信资源条件下,进一步提高双向通信的频谱效率,采用全双工技术提供车辆之间双向通信。设计一种非理想信道信息的自适应传输方案,提高了车辆之间双向通信的频谱效率。这四个章节的工作是针对前文描述的高速移动通信的特点,使用不同的通信技术来提高移动通信系统的传输能力。论文的创新性工作主要包括如下四个方面:1)第2章研究在高速移动环境中基站到车辆之间多载波系统吞吐量最大化问题。本章采用以数据帧为最小发送单位。在快速时变衰落信道中,保证整个数据帧在车辆接收端能够准确地接收是一个棘手的难题。考虑多普勒效应带来的子载波间信号干扰的影响,利用快速时变信道的时域相关性,对非理想信道信息进行统计特征建模,得到不可逆的、形式复杂的误比特率表达式。随后给出一个紧致的误比特率上界,并且设计一种非理想信道信息的跨层自适应传输方案。该方案既满足业务丢包率要求又提高系统的吞吐量。2)第3章研究移动多载波系统差异化多业务同传的频谱效率最大化问题。利用不同类型业务服务质量要求差异化的特点,基于分层调制技术和非理想信道信息的统计特征,得到分层调制符号中不同比特的误比特率。由于误比特率的表达式十分复杂,经过科学分析和仿真验证,利用“主项近似法”给出了一个紧致的误比特率上界。此外,考虑子载波间信号干扰和多普勒频移,设计一种非理想信道信息的分层调制多业务复用传输方案,在满足不同类型业务丢包率要求的条件下,提高差异化多业务同传的频谱效率。3)第4章研究在车联网中基站向车辆用户和静态用户提供联合通信的吞吐量最大化问题。利用两类用户信道状态统计特征的差异化,设计一种基于分层调制技术的多用户复用传输方案。为了满足两类用户业务的服务质量要求和随机到达业务数据队列的稳定性,设计一种联合接入控制、用户调度和基于分层调制多用户复用传输的动态跨层资源管理策略。此外,针对多用户调度策略,给出了最优的穷举搜索算法和次优的启发式搜索算法。仿真结果证明低复杂度的启发式搜索算法几乎能够达到和穷举搜索算法相同的吞吐量。4)第5章研究车辆之间双向通信的频谱效率最大化问题。车辆之间双向通信是一组对称的双向全双工通信。由于本侧的发射端不能瞬时地获得下一时刻对侧发射端的发射功率,这使得下一时刻对侧的信干噪比未知,从而不能保证本侧业务传输的准确性。通过对误比特率进行分析,给出了误比特率上界。仿真验证了该上界表达式的有效性。基于误比特率上界,考虑自干扰信号,构建一个频谱效率下界最大化问题。设计一种非理想信道信息的自适应传输方案。该方案通过最大化频谱效率的下界,提高系统的可达频谱效率。