信息产业的飞速发展使生活中越来越多的行业产生了新的通信需求,人们对于网络速度和通信质量的要求也在与日俱增。而目前使用的频段资源已经捉襟见肘,无法满足新的业务扩展以及更高速率的信息传输需求。毫米波是解决这一客观难题的优选途径,其不仅拥有极宽的带宽资源,而且能够实现超高速率的信息传输,所以对毫米波的研究有其必要性。目前高速铁路通信系统中大多数仍是采用较为古老的GSM-R移动通信系统,传输效率低下,不能满足高铁发展所带来的新的业务需求以及乘客对于高铁高质量通信服务的期盼。需要新的技术手段来提升高铁通信的服务质量,而毫米波由于其超高的带宽,可以实现更高速率的信息传输。但是毫米波虽然能带来网络性能上的巨大提升,但是其传播损耗严重是亟待解决的一个问题。本文致力于毫米波在高铁上的运用研究,针对高速铁路通信系统模型,根据毫米波的传播特性选取了适合高速铁路通信的频率,并且对毫米波的覆盖距离做了相应的仿真分析,在此基础上确定了本文研究的小区半径。根据高速铁路的环境特点和毫米波的传播特性给出了合适的高铁毫米波信道模型。分析了阵列天线的特性,讨论了阵元数目以及阵元间距对天线方向图以及发射波束宽度的影响。在利用阵列天线实现波束赋形的信号处理方面,权值矩阵是影响波束赋形性能的最主要因素。本文对不同权值优化准则的性能进行了分析,确定了以DOA为先验已知信息的LCMV优化准则作为本文研究波束赋形的优化算法。在波束管理方面,针对遗传算法动态波束跟踪方案的缺点,本文提出了一种改进的基于训练集的波束跟踪方案。该方案以动态波束跟踪为基础,在每一次波束切换时重新发射的波束角度以实时DOA信息为参考,发射波束宽度则在所产生的训练集中选取,而训练集中每个值被选取的概率则以阵列增益与发射波束宽度的乘积为权重来计算。仿真结果显示本文所提方案能够在一定程度上提升系统性能,增加稳定性,并减小系统开销,降低实现的复杂度。