作为国民经济大动脉、国家重要的基础设施和大众化的交通工具,铁路对经济发展和国防建设起着不可替代的作用。近年来,世界各国都竞相开展高速铁路技术的研发。作为铁路运营的重要保障和铁路建设的重要组成部分,铁路无线移动通信系统亟需同步建设和发展。然而,铁路无线移动通信具有移动性高、多普勒频移大、信道变化快、切换频繁、覆盖要求严苛等特点,现有的铁路通信无线接入技术无法很好满足未来智能化铁路建设需求。鉴于此,本文将对新一代铁路无线接入的网络架构和系统覆盖性能进行研究,并探索所研究覆盖技术在试验系统的应用,主要工作包括以下五个部分:考虑到现有网络架构无法满足新一代铁路宽带无线接入需求的问题,本文对传统网络架构进行改进,给出了基于链式分区、基于载波聚合和基于无小区大规模MIMO的三种新型的铁路无线接入网络架构。三种架构均是依靠车载接入点进行中继通信,将整个通信链路分为基站-车载接入点链路和车载接入点-用户链路,从而避免了基站和用户直接通信导致的大穿透损耗问题。此外,基于链式分区的架构采用窄条形小区,引入硬切换迟滞因子避免乒乓效应,提高了铁路通信无线覆盖性能;基于载波聚合的架构将零散频谱聚合起来,提高了频谱利用率;基于无小区大规模MIMO的架构摒弃传统蜂窝小区结构并引入大规模MIMO技术,降低了切换频次,进一步提升了系统性能。针对基于链式分区的铁路无线接入网络架构,本文对系统的覆盖性能和优化问题进行了研究。在链式窄条形小区和硬切换条件下,推导了小区边缘覆盖概率和覆盖面积比的理论表达式,可用来快速评估系统覆盖性能。此外,为了进一步提高覆盖性能,在覆盖性能指标约束和总的覆盖距离两个约束条件下,建立了最小化基站数目的最优化问题,并提出了最优基站部署算法求解该问题。数值仿真结果对所得理论表达式的准确性和所提基站部署方案的有效性进行了验证。针对基于载波聚合的铁路通信无线接入网络架构,本文研究了系统的覆盖性能和覆盖优化。首先,构建了基于载波聚合的系统模型;然后,分析了接收信噪比的统计特性。针对考虑载波聚合和不考虑载波聚合的系统,分别推导了小区边缘覆盖概率和覆盖面积比的理论表达式。然后提出用于改善系统覆盖性能的机会约束的覆盖优化问题的启发式求解算法。数值仿真结果验证了所推导理论表达式的准确性和所提覆盖优化方案的有效性,并讨论了载波聚合技术、发送功率、小区半径、接收信噪比门限、铁路场景等关键系统参数对覆盖性能的影响。本文对无小区大规模MIMO的铁路通信无线接入网络架构下的系统覆盖性能界进行推导与分析。首先,给出一种无小区大规模MIMO铁路无线通信系统和信道模型假设,在此基础上,分析了上行训练、上行数据传输和下行数据传输等三个阶段的信号传递过程。利用确定性等效原理,推导了下行数据传输确定性信干噪比理论表达式和覆盖概率的一个较紧的上界,并对高功率区的渐近覆盖性能进行了分析。数值仿真结果验证了所得理论表达式的准确性。此外,还进一步讨论了下行发送功率、接入点天线数,接入点分布、用户数、信道衰落参数等对系统覆盖性能的影响。本文对新一代铁路无线通信试验系统进行了介绍,并探索了所研究覆盖技术在试验系统中的应用。首先,对国铁集团给出的5G-R系统架构和项目组所搭建的试验系统进行了介绍。然后,针对现有试验系统存在的热点区域覆盖能力不足、使用传统蜂窝架构导致的切换频繁、设备扩展困难等问题,对本文所提出的载波聚合、无小区大规模MIMO、快拆式接口设计等覆盖技术在试验系统中的应用进行探索研究,为5G-R试验系统进一步优化设计提供了思路及初步解决方案。