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随着移动计算技术的快速发展，无线通信业务的用户数呈现指数增长，对无线数据传输提出了更高的要求。然而，无线电频谱资源是很有限的，如何在有限的资源下进一步提高数据传输速率成为一个亟待解决的问题。传统的蜂窝网络通信都是基于中心服务器的通信，所有通信都必须经过基站，这就意味着基站拥有的频谱资源决定了整个系统的性能。另外从通信的时延和能量消耗的角度来看，基于中心服务器的通信并不是最佳的模式。如果设备之间能够直接通信，也就是进行点对点(peer to peer，P2P)通信，不仅能减小通信时延，同时也能降低基站频谱资源以及能量的消耗。蜂窝网络P2P通信技术就在这种背景下发展起来，逐渐成为无线通信领域中的研究热点。但是传统P2P技术都是工作在非授权频带，且设计时没有过多考虑频谱效率，因此不能简单的将现有的P2P技术直接应用到工作在授权频带的蜂窝网络中。在P2P通信应用到蜂窝网络的过程中，需要考虑设备发现、资源分配、干扰管理以及时间同步等问题，其中设备发现方案的设计是P2P通信的首要任务。本文围绕蜂窝网络下P2P通信的实现，主要进行了以下几个方面的研究: (1)以WiFi系统为例，研究了传统P2P技术中隐藏设备与暴露设备问题产生的原因以及危害，为蜂窝网络中P2P通信指明了需要解决的问题。研究了传统P2P系统中的设备发现方案，主要包括WiFi，红外数据传输，蓝牙以及WiFi direct通信系统。概、括性的分析了这些不同系统中的发现方案，随后总结了传统P2P的设备发现过程，将现有的发现方案抽象成两类，基于请求的发现方式与直接发现方式。由于这两种发现方式都是基于竞争的，都会消耗大量的资源，而且设备发现时间会随着设备数目的增加显著增长，所以这两类方案都不适用于蜂窝网络中P2P通信的发现信号。为此本文提出了基于网络协助的发现方案，通过分析与比较基于包的发现信号以及基于签名(signature-based)的发现信号的性能与复杂度，最终选择基于签名的发现信号作为蜂窝网络中P2P通信的发现信号。 (2)设计了一种新型的发现信号，来满足蜂窝网络高频谱效率的要求，该发现信号是一种不经过调制的基于单频率子载波的信号，该发现信号最大的特点是资源开销小，而且不同设备间的发现信号不会相互阻塞。为了保证发现信号在接收端能正确解码，又对发现信号在伽罗华域(Galois field，GF)上进行了编码。编码后的发现信号是最大距离可分码，因此具有很多良好的特性，其中最大的特性就是解码时不会产生歧义。另外，当系统存在较大频偏时，通过在编码时的补零处理，能够粗略的估计出频偏。最后研究了解码方法并进行了复杂度分析，提供了相应的仿真性能。 (3)研究了蜂窝网络下P2P通信的具体实现方案。设备通过离散分配方式选择一个临时发现身份编号(temporary discovery identity，TDID)，然后根据这个编号发送相应的发现信号。通过检测发现信号，设备就可以获得与它在射频(radio frequency，RF)上能够通信的邻居设备信息。基站利用设备上报的邻居设备信息形成一张小区内所有设备的RF蓝图，利用这张设备RF蓝图就可以对小区内设备间的通信进行合理调度。围绕设备RF蓝图，主要研究了蜂窝网络中多跳中继的选择方案，资源空间复用技术以及干扰管理技术。此外，隐藏设备以及暴露设备问题也通过设备RF蓝图得到了完美解决。仿真结果表明，无论是宏小区蜂窝网络还是小小区蜂窝网络都能够通过P2P通信获益，频谱效率得到很大的提升。 (4)研究了小小区中小区间的时间同步方案，为在小小区中实现P2P通信提供时间同步的保障。研究了现有的两种时间同步方案:GPS与IEEE1588，由于这两种方法都存在一定的局限性，无法普遍应用于小小区来完成时间同步。为此，本文提出了一种基于无线的同步方案。该无线同步方案建立在一套同步等级机制上，通过搜索LT现有的参考信号来实现同步，降低了对现有数据传输的影响。同时还提出了消除由传输时延导致同步误差的解决方案，分析了由于频率估计误差引起的时钟漂移问题以及同步周期的选取问题。