高速磁浮地铁等轨道交通将迎来“智能轨道交通”的新时代。车地通信需要满足高达100 Gbps的数据传输速率以提供如车载高清视频监控、实时列车调度高清视频等传输服务。太赫兹（Terahertz,THz）通信以穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等优势,被视为车地间实现超高信息传输速率的候选途径。但是随着波长减小,大气湍流对通信的影响逐渐加剧。特别是高速列车通过隧道时湍流更甚。目前湍流对太赫兹通信性能的影响缺少理论分析研究,认知甚少。这个跨越流体力学与通信理论的问题具有一定的挑战性。为此,本文开展了以下研究,以便为未来高速磁浮或地铁的设计提供了理论基础:为分析高速列车通过隧道产生的大气湍流,将计算流体力学（Computational Fluid Dynamic,CFD）与通信理论相结合,通过分析列车通过隧道时温度和压强的分布,根据Kolmogorov理论推导的折射率结构常数,提出了大气湍流对太赫兹信号振幅和相位的影响的理论表达公式,发现了振幅方差与相位方差在对数尺度下的倒数与车速成线性关系,这一发现简化了认知,具有普适性,为进一步研究隧道湍流下的通信提供了理论预测的依据。为研究隧道湍流影响下太赫兹通信系统的性能,在隧道的三维几何建模下,通过射线跟踪法（Ray Tracing,RT）建立了太赫兹通信的传输模型。将隧道湍流视为影响太赫兹传输的乘性因素,提出了包含湍流参数在内的二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying,BPSK）调制和正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）调制误比特率（Bit Error Rate,BER）的表达式,通过蒙特卡洛仿真予以验证。并定量预测了不同太赫兹频率、列车行驶速度、隧道直径和真空度下隧道湍流对通信性能的影响。为研究采用多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）空间分集方式时,隧道湍流影响下太赫兹通信系统的性能,采用Padé逼近的方法分析信道增益的概率密度函数,提出了包含湍流参数的MIMO空间分集无线通信系统的误比特率表达式,根据中心极限定理分析预测了隧道湍流中不同MIMO规模、频率、列车行驶速度和隧道直径下的大规模MIMO（Massive MIMO,M-MIMO）空间分集下的通信性能。为研究采用MIMO空间复用方式时,隧道湍流影响下无线通信系统的性能,分析了太赫兹MIMO天线阵元间距对条件数的影响,推导最佳天线阵元间距,在植入湍流因素的基础上根据香农公式给出了MIMO空间复用无线通信系统的信道容量表达式。进一步预测了不同MIMO规模、列车行驶速度、频率和隧道尺寸下隧道湍流对通信性能的影响。另外针对太赫兹超大规模MIMO（Ultra-Massive MIMO,UM-MIMO）天线结构,提出了不同天线子阵列数量下隧道湍流对无线通信系统容量影响的分析方法,为今后的超大规模MIMO研究提出了思路。以上理论研究工作弥补了现有太赫兹无线通信研究中缺乏对湍流因素考虑的缺陷,使得未来高速磁浮或地铁设计中预测太赫兹通信性能时有了更加精确的理论依据。文中的基本原理也可以推广应用于其他湍流环境中的太赫兹通信问题。