近年来,高速铁路凭借超强的运载能力、日益提高的行驶速度等优势得以迅速发展,这对铁路通信质量提出了更高的要求,因此推进LTE移动通信技术在高速铁路无线宽带通信系统中应用已成为当下研究的焦点。但当列车高速行驶时,LTE-R系统通信性能仍会受到多普勒频移、噪声等不利因素影响,故进行有效的信道估计及准确的信号检测是解决上述问题的关键。本文首先通过对LTE-R通信网络架构及物理层关键技术的研究,完成了MIMO-OFDM系统的构建,并针对此系统中的信道估计算法进行了重点分析,提出了一种联合多普勒频偏估计的信道估计方案以实现消除多普勒频偏干扰及提高信道估计精度的目的。其次,对已消除多普勒频偏干扰系统中的信号检测技术进行研究,将分层空时结构下的信号检测算法应用于高铁环境中。通过分析最优检测、线性检测、非线性检测三类检测技术,选择性能最佳的OSIC信号检测算法,并通过高铁WINNER Ⅱ信道模型进行仿真对比,验证其性能。最后,本文借助NI-USRP硬件实验平台,利用LabVIEW模拟WINNER Ⅱ高铁信道模型并搭建2×2MIMO-OFDM系统,通过运行实验结果验证其系统可行,并在此基础上进行不同速度性能测试。其结果表明,本文提出的信道估计及信号检测算法可应用在LTE-R,且列车在不同行驶速度下系统误码率性能稳定,有效提高系统通信质量,为未来铁路通信系统物理实现提供参考建议。