随着高速铁路的快速发展,现有的GSM-R铁路移动通信系统逐渐暴露出容量低、时延高的缺点,已不能满足未来铁路列车控制系统的发展需求。介于铁路移动通信系统迫切的需要更新换代,国际铁路联盟明确指出下一代铁路移动通信系统直接向4G的LTE-R演进发展。车车通信系统是利用LTE-R的D2D通信技术实现列车之间的直接通信,将列车控制系统地面装置和设备的部分功能集成到列车车载设备上,减少列车对地面控制设备的依赖。当前车车通信系统尚未在高速铁路应用领域中得到广泛使用,尚处于关键理论和基础设备的研究阶段,重点是验证高速铁路场景下车车通信系统承载列车控制信息等安全性业务时的可靠性、实时性和安全性。本文从车车通信系统的架构和承载信息出发,对车车通信系统的可靠性、列车控制的实时性和核心安全通信协议的逻辑时序的正确性、安全性等方面进行了研究,具体的工作内容包括:（1）根据车车通信系统的特点,提出了一种基于SPN的车车通信建模与可靠性分析方法。利用TimeNet 4.0工具分别建立了基于中继的车车通信可靠性模型和无中继车车通信可靠性模型,并仿真分析了车车通信系统各种因素对车车通信系统可靠性的影响。结果表明D2D通信技术能够提供高可信的通信服务,基于中继的车车通信系统可靠性高于无中继车车通信系统。（2）针对下一代高速铁路车车通信系统中不同类型业务的延时上界问题,提出了一种基于随机网络演算理论的车车通信延时上界计算方法。根据车车通信业务优先级特征引入了剩余服务量分析方法,分别构建了随机到达曲线与多跳节点的随机服务曲线,得到了LTE-R下车车通信的端到端延时上界,有效克服了传统方法仅能计算平均延时的问题。并通过OPNET 14.5工具对车车通信系统进行建模仿真,验证了本文方法的有效性。结果表明,基于LTE-R的车车通信系统列车控制业务与列车运行状态业务时延满足LTE-R的QoS指标要求。最后分析了LTE-R不同列车车速与车车通信时延之间的定量关系,得到了车车通信时延随列车车速的增大而呈现下降的趋势的结论。（3）针对RSSP-Ⅱ安全通信协议在车车通信系统中逻辑时序的正确性和安全性问题,提出了一种基于时间自动机的验证技术方法,重点是验证车车通信系统中列车之间建立与释放RSSP-Ⅱ安全通信协议的流程,以及RSSP-Ⅱ安全通信协议的时间戳初始化与验证的过程。通过建模仿真工具UPPAAL模拟与验证RSSP-Ⅱ安全通信协议的逻辑时序的正确性、可达性、安全性。结果表明RSSP-Ⅱ协议在车车通信系统中能够满足其安全性需求和逻辑时序的正确性。