在现代无线通信系统研究领域,数据信号的波形以及无线接入方式设计一直是研究的热点方向,因此已经有相对丰富成熟的研究成果。相较而言,现代无线通信系统中的导频信号却鲜有人关注,然而关键导频信号的设计对蜂窝系统性能至关重要。特别的,当今的蜂窝系统正在从人联网应用以及在授权频段部署扩展到物联网应用以及在全频段部署。在此情形下,新型导频信号的设计对于蜂窝系统在扩展领域必不可少,本文针对蜂窝无线通信技术在大规模物联网（Massive Internet of Things,mIoT）以及非授权频段应用面临的全新挑战,对关键导频信号的设计给出解决方案。蜂窝无线通信技术扩展到mIoT应用时,同步信号的获取成为终端设备接入系统的瓶颈。直接沿用传统蜂窝系统的同步信号设计会给mIoT器件造成严重的功耗开销,影响电池寿命。因此本文研究的第一个关键导频信号便是mIoT的同步信号,更具体的为mIoT中的主同步信号,相关的研究内容与成果如下:（1）研究直接相关接收机和差分相关接收机的性能,理论推导出以上两种接收机在不同符号SNR以及频偏下的侦测SNR。分析表明,在mIoT环境,即低符号SNR以及大初始频偏的情况下,以上两种接收机的接收性能都将恶化。随后,本文从柯西不等式出发,寻找在大初始频偏存在情况下仍能取得最优侦测SNR的新型同步波形数学模型,来更好的适应mIoT的工作条件。理论证明了这类同步波形的存在,并给出了这类波形的一种数学形式。在经过接收端的直接相关接收机后,这类同步波形具有将收发信号之间的频率偏移线性转换为时间偏移的能力。（2）提出一种实际同步波形,用于mIoT中的机器类通信。首先得出提出的这类同步波形具有渐近最优特性,即在频率偏移存在的情况下,这类同步波形的检测性能渐近地趋于没有频偏存在情况下的最优匹配滤波器检测性能。随后,利用这种渐近最优性的性质,结合在特定应用场景下的约束条件,求得用于实际同步波形的最优波形参数。经过理论推导,得出这类同步波形具有最优参数成对性质和成对波形镜像性质。最后,利用最优同步波形的特性设计出实际的同步波形以及具有低复杂度的频率误差估计和定时机制。论文详细比较了提出的新型实际同步波形与现存LTENB-IoT同步信号的侦测性能与时频同步性能。目前蜂窝无线系统无一例外的部署在频谱资源稀缺且昂贵的授权频段上,网络容量最终受到这些许可频段资源的限制。为了获得更多频谱资源,蜂窝无线系统把目光转向了稀缺的授权频谱之外的频段——频谱资源丰富的5 GHz非授权频段。与单系统独享的授权频段不同,非授权频段的使用不需要授权许可,呈现为多系统共享的模式。如何与在5 GHz非授权频段上部署的现驻系统和谐共存是蜂窝系统入驻非授权频段需要解决的关键问题。因此本文研究的第二个关键导频信号是非授权蜂窝系统中的干扰协调信号,相关的研究内容与成果如下:（3）研究非授权频段的蜂窝系统与非授权频段的现驻系统和谐共存的接入方案。论文首先给出了蜂窝无线系统部署到非授权频段时,符合非授权频段规章要求的两种先侦听后传输（Listen Before Talk,LBT）设计方案——基于帧的LBT和基于负载的LBT,并求出这两种LBT设计方案的信道时间占有率的闭合解。根据理论结果,得出在与非授权频段的系统（例如,WiFi系统）公平共享频段资源的角度上,基于负载的LBT方案优于基于帧的LBT方案的结论。因此,对于部署在非授权频段的蜂窝系统而言,选择基于负载的LBT方式更为合适。（4）非授权频段蜂窝系统中物理层干扰协调信号的设计。接入层面信道占用时间公平的基础是蜂窝设备与WiFi设备在LBT机制执行过程中的干扰侦测能力相同。为了达到一个蜂窝设备造成的干扰不大于一个WiFi设备造成的干扰的目标,本文提出采用WiFi系统中的CTS信号作为非授权频段上蜂窝系统与WiFi系统之间的共同语言,执行干扰协调的功能。对于蜂窝系统的下行物理信道,将CTS信号作为干扰协调信号的前导部分。对于上行物理信道,在基本干扰协调信号中注入蜂窝特征信息来区别蜂窝系统和WiFi系统。这样的干扰协调信号可以在保护上行物理信道不被其他系统夺走的同时,避免阻塞了同系统的其他上行接入设备。