随着全球范围内高铁服务需求的增加,目前铁路移动通信主要使用的铁路数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications–Railway,GSM-R）系统正承受着空前的压力,发展新一代铁路通信系统需求与呼声与日俱增。大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术和波束成形技术作为第五代移动通信（5th Generation Mobile Communication Technology,5G）的关键技术,可以能在不额外增加系统带宽的情况下,有效提升高铁无线通信系统的信道容量和通信质量,因此发展第五代通信技术的铁路专用系统（5th Generation Communication for Railway,5G-R）系统是高铁通信发展的一大趋势。同时由于5G-R专网采用频分双工（Frequency Division Duplex,FDD）模式,上、下行信道部署在不同频段而不具有互易性,而实现发射端波束成形需要提前获知用户的信道状态信息（Channel State Information,CSI）,但是基站发送的下行导频与用户反馈的时频资源开销正比于基站天线数量,这对于应用大规模MIMO技术来说更具有挑战性。所以本文针对FDD系统的互易性误差进行了定性定量分析,同时利用FDD系统的互易性对高铁通信场景中的波束成形方法展开了深入的探究,具体工作如下:首先,论文介绍了高铁移动通信两跳传输模式、高移动性、多普勒频偏、频分双工的特点,并分析了适用于高铁在高速和视距情况下的信道模型。重点深入分析了5G通信的相关的技术在高铁移动通信场景中的应用情况,由于高铁移动通信可以利用大规模MIMO技术和波束成形技术来增强信号的方向性能,降低传输损耗,提升无线通信系统的吞吐量性能和频谱利用效率。因此本文详细分析了MIMO技术的基本原理,然后针对FDD大规模MIMO技术在高铁无线通信中面临的问题,提出了可以利用FDD信道互易性修正,采用角度波束成形的方式进行信号传输,从而降低系统开销。同时本文针对在均匀线性阵列（Uniform Linear Array,ULA）下波束成形技术的基本原理进行了详细的阐述,分析了天线功率方向图的零极点,并推导了零功率主瓣宽度,讨论了波束成形技术在高铁移动通信中应用的可行性,为后续设计高铁波束成形方案提供理论依据。其次,论文针对FDD系统的互易性进行了探究。分析了在FDD模式下,上、下行工作频率不同以及信道老化对上、下行信道互易性的影响,针对上、下行到达角和多普勒频偏进行了定性定量误差分析,仿真表明,在FDD模式下,基站与列车垂直夹角较小的情况下信道互易性较好,随着上、下行频率间隔增大或车速增加,其互易性会降低。其中导向矩阵可以通过对上行获取的角度信息进行修正来实现角度互易性。而高速移动的快时变信道产生的多普勒相位旋转则会在短时间内快速变化,其上、下行频率间隔带来的偏差也会呈快速周期性变化,无法对其直接使用互易性,但是可以通过频率校准进行修正,因此本文提出了一种MF+LOS多普勒频偏修正方案,结果表明,在FDD大规模MIMO系统下,此方案可以较好的修正上行信道的多普勒频偏,并生成针对下行信道的多普勒补偿向量,从而改善高速移动下的多普勒频偏效应,提升系统性能。最后,针对高速铁路通信场景本文探究了基于角度的单波束成形方案和在列车不同的车厢分别安装移动中继天线阵列（Mobile Relay Station,MRS）进行多波束通信的分组波束成形方案,并分析推导了其系统性能和优劣势,提出了可以采用迫零（Zero Forcing,ZF）算法对方向矢量矩阵进行处理,从而降低波束间的干扰的AOAZF分组波束成形方案。有效推迟分组波束成形方案与单波束方案性能交替点的位置,提高分组波束成形方案的性能。由于单波束成形方案和AOAZF分组波束成形方案都有各自的优劣势和适用的区间段,本文提出了一种自适应波束成形方案,根据波束间的干扰因子来实时计算调整要发射的波束序号,控制波束数量和每组波束的天线数来保证通信传输的质量,以达到较好的系统性能,通过仿真分析这种自适应波束成形方案适合高速铁路通信场景,与其他波束成形方案相比都呈现了良好的系统性能。