近年来,我国高速铁路(High-Speed Railways,HSRs)得到了飞速发展,因其快速、绿色、舒适性高等众多优势成了人们出行方式的最佳选择,乘客对数据和多媒体通信的需求也越来越高。在众多的高铁场景中,隧道是一个典型而复杂的高铁地形。随着高铁运营里程的不断增加,隧道在铁路运行中的占比不断增长,尤其在西部地区。因此,开展对隧道的建模与研究是保障铁路安全运输的关键。与其他场景不同,隧道空间狭长而受限,并产生波导效应,此时的电磁波会受到隧道壁的多次反射及其他散射等,接收端的接收信号为多条路径的叠加,隧道环境下的电波传播会受到多因素的影响而产生严重衰落。对无线信道特性的认知是通信系统的研究基础,其模型及仿真方法对通信系统的优化设计尤为重要。因此,在高铁隧道环境下建立准确的无线信道传播模型对于提升高铁用户容量、优化无线通信系统设计、保障高铁安全运营至关重要。本文针对高铁隧道环境下的无线信道建模与优化进行研究,以有限状态马尔可夫链(Finite-state Markov chain,FSMC)及无线信道传播特性为理论基础展开研究,提出一种基于非均匀区间划分的最小二乘拟合有限状态马尔可夫链信道建模方法。论文主要内容和研究成果如下:(1)高铁隧道环境中的无线信道建模方法研究。深入分析了高铁衰落信道中的无线信号传播特性和隧道场景下的无线电波传播模型,分析表明:FSMC模型具有对过程的状态预测良好的特性,在高铁衰落信道的建模中得到了广泛应用。然而,该模型目前存在的主要问题是:缺少实测数据的验证、采用理想状态的自由空间路径损耗公式引起的接收信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)误差较大,以及FSMC信道模型采用均匀区间划分收-发两端距离导致的FSMC建模精度不高。(2)隧道环境中的FSMC无线信道建模优化研究。针对采用理想状态的自由空间路径损耗公式引起的接收SNR误差较大的问题,提出了最小二乘拟合的FSMC信道路径损耗模型。以不同的高铁隧道类型(拱形、矩形及圆形)为研究对象,根据实测数据,基于最小二乘拟合得到对应的路径损耗公式。为了解决均匀区间划分方式导致的FSMC建模精度不高的问题,提出一种基于非均匀区间划分的最小二乘拟合FSMC信道建模优化方法。它将隧道内收发两端通信距离非均匀划分为若干非重叠区间;之后,根据最小二乘拟合得到的不同高铁隧道类型(拱形、矩形及圆形)对应的路径损耗公式,采用Lloyd-Max量化法确定SNR阈值和信道状态量化值,并得到FSMC状态转移概率矩阵。(3)隧道环境中FSMC无线信道优化模型仿真研究。通过Matlab仿真实验,对比了非均匀区间划分的FSMC优化模型与均匀区间划分模型,结果表明:非均匀区间划分方式能及时地捕捉信道状态的变化,并且模型的均方误差(mean square error,MSE)值低于均匀区间划分方式。同时,仿真还研究了划分的区间数目与Markov有限状态数目参数的取值对FSMC模型精度的影响,并基于模型精确度与复杂度的综合考虑,对上述两个参数的合理取值进行了分析。仿真说明了提出的FSMC无线信道优化模型能够实现铁路隧道环境下信号接收功率的精确预测。