作为满足人们自由通信需求的唯一杀手锏，无线通信技术在过去的数十年间取得了前所未有的大发展。时至今日，不断涌现的各种无线通信技术相互借鉴、相互融合，一时呈现“百家争鸣”的局面。一方面，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、多天线等先进无线传输技术被广泛应用在新一代的无线通信系统中来提升信号质量。另一方面，以无线定位技术为基础的位置服务产业也已成为当今信息技术产业的重要组成部分。　　任何无线通信技术首先不可避免地面临着由无线通信节点之间时间和载频异步带来的诸多挑战。本论文以无线通信的时频异步特性为主线，研究内容主要围绕无线通信系统中的OFDM、多天线技术和无线定位技术，并重点关注其时频同步技术以及非同步条件下的信号处理方法。概括来说，本论文针对正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的上行链路系统提出了一系列载频偏盲估计方法，设计了两种非同步条件下的协作通信编码方案，另外针对无线传感器网络的定位需求，提出了非同步条件下的分布式角度估计方法。本文的主要贡献有：　　1．OFDMA上行链路载频偏估计方法　　1)针对接收端配备多天线系统的交织OFDMA上行链路，挖掘空域资源，提出了两种载频偏盲估计方法。论文首先基于子空间理论设计了一个基于降秩准则的估计器，可以为各用户单独估计载频偏。为了进一步提高估计性能，提出了基于最大似然准则的盲估计方法。在其中论文基于交替投影的思想将复杂度极高的多维搜索转化为一系列一维搜索问题。论文所提的两种方法可以支持系统的满负载传输，因而跟已有的方法相比，它们可以支持更好的传输带宽利用率。此外，论文还分析了所提方法的理论性能，推导了相应的克拉美罗界（Cramer-Rao Bound，CRB）。大量的仿真实验表明，所提方法不仅适用于满负载系统，而且可以在多径数目较少的场景中获得比传统方法更好的估计性能。　　2)针对采用任意子载波分配方案的OFDMA上行链路，论文提出了一种载频偏和波达方向（Direction of Arrival，DOA）的联合估计方法。论文在基站端配备多天线系统，考虑每个用户的信号经历其周边和远端的散射体反射后，沿着多个DOA入射到基站的天线阵列。基于降秩准则，论文提出了可同时得到各用户载频偏和DOA的联合估计方法。具体来说，针对每个用户，论文首先基于一维搜索得到载频偏估计，然后利用多项式求根可得到其多个 DOA的估计。论文还进一步推导了所提方法对载频偏和DOA估计的理论性能分析。仿真实验不仅验证了理论分析的正确性，而且表明所提方法不仅适用于多簇信道的场景，而且还可以在单簇信道场景中获得比已有方法更好的估计性能。　　2．非时频同步场景中的中继非再生协作通信方案设计　　1)论文考虑协作通信系统中天然存在的时频异步特性，结合OFDM和信号空间分集技术提出了一种分布式空频卷积编码方案。在所提方案中，源节点采用时间扩展的循环前缀（Cyclic Prefix，CP），每个中继节点仅需要执行简单的卷积和放大操作，而且不需要关于信道和载频偏的任何信息。论文发现，基于该扩展的CP，系统中的多个载频偏在目标节点处可以被直接补偿。论文进一步证明所提方案在时频异步的场景中几乎可以同时获得空域和多径分集增益。　　2)论文进一步研究了协作通信系统中可能存在的多普勒频偏问题。考虑由一个源节点、一个目标节点和两个中继节点构成的中继非再生协作通信系统。论文提出两种基于OFDM和Alamouti编码的协作方案，在其中各中继节点仅执行简单的操作，如时间反转和共轭。针对无多普勒频偏的场景，论文发现接收端的OFDM信号将不存在载波间干扰（InterCarrier Interference，ICI），而且每个子载波上的接收信号呈现出类似于Alamouti编码的结构。然而，当存在多普勒频偏时，目标节点处的接收信号将产生ICI。针对此，论文进一步提出了重复码辅助的Alamouti编码结构。论文发现，在所提方案中，目标节点采用快速逐符号的信号检测便可以获得满空域分集增益。　　3．非时频同步下的分布式无线定位技术　　论文针对多径传播信道中的无线传感器网络定位提出了一种新的角度估计方法。在该方法中，锚节点利用双天线发射两个线性调频信号，各节点通过场强指示信号的频率分析便可独立获得对该发射信号离去角度（Angle of Departure，AOD）的估计。为了提高估计性能，论文发现多个平行天线阵与接收节点间具有相近的离去角度。基于此，进一步提出了利用多个平行天线阵分集的改进方法。所提的方法仅需节点配备常规单天线系统，而且不依赖网络中节点间的严格时间或者载频同步，因此降低了系统定位的复杂度。另外，各节点独立进行角度估计，因此所提方法是分布式的定位方法。论文还推导了所提方法对角度估计的理论性能分析，并通过仿真实验验证了所提方法的有效性以及理论分析的正确性。