随着现代信息社会数据、视频等高质量的多媒体业务的蓬勃发展,移动通信系统需要更高的数据传输速率和可靠性。为了满足这些需求,在无线频谱资源日趋紧张、发射功率受限的环境下,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统由于其显著提升系统频谱效率和功率效率以及鲁棒性等优点而受到广泛关注。大规模MIMO的性能很大程度上取决于基站是否能精确获取当前上下行链路的信道状态信息(Channel State Information, CSI)。实际无线通信系统常用基于导频的信道估计技术来准确及时获取CSI。大规模MIMO系统基站端天线数达数十甚至数百以上,导频污染、导频资源消耗以及导频功率等问题限制了系统性能进一步提升。本论文针对上述问题展开大规模MIMO系统导频设计和信道估计技术的研究。本论文首先简要介绍了大规模MIMO系统模型以及导频污染问题,详细阐述了上行链路导频传输以及上下行链路数据传输过程,说明了当基站天线数趋于无穷大时,大规模MIMO系统数据传输信干比(Signal-to-Interference Ratio, SIR)主要受导频污染的影响。然后,论文针对基于相干时间的导频调度开展研究和仿真分析。大规模MIMO系统的各用户通常具有不同的移动速度,对应的信道相干时间不同,因此需要发送导频的间隔不同。根据该特点将小区分组,提出一种基于相干时间的导频调度方案。仿真结果显示该导频调度方法可以有效降低导频污染,提高整体用户的可达速率。其次,论文重点研究了大规模MIMO系统的导频资源消耗问题。利用大规模MIMO系统信道的近似正交性,采用串行干扰抵消(Successive Interference Cancellation, SIC)辅助的信道估计方法,提出一种半正交导频设计,并从理论和仿真两个方面分别比较了采用半正交导频设计与传统正交导频设计的系统的性能。分析表明采用该半正交导频设计的大规模MIMO系统的上下行链路数据能够被准确检测。特别地,论文对采用该半正交导频设计的系统在极限信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)情况的渐近性能进行了分析,从理论上证明在信噪比较高和较低两种情况下,论文提出的半正交导频设计能够使系统获得比采用传统正交导频设计时更好的性能。仿真结果进一步验证了这一结论。最后,论文从导频功率角度出发研究了大规模MIMO系统中的导频设计问题,分析讨论了使用最大比合并(Maximum Ratio Combining, MRC)和迫零(Zero-Forcing, ZF)两种接收机的大规模MIMO系统上行链路传输过程中导频功率和数据功率以及导频长度的优化分配。论文介绍了基于MRC接收机的大规模MIMO系统的导频功率分配问题,并开展讨论和仿真研究。此外,论文推导了基于ZF接收机的系统总频谱效率下界,研究了基于ZF接收机的大规模MIMO系统的导频功率和导频长度分配问题,得出最佳的导频长度等于用户数的结论。仿真结果表明论文提出的导频功率分配方案可以有效提高系统性能,当平均发射功率较低时,需要把更多的功率用来发送导频,而当平均发射功率较高时,则需要把更多的功率用来发送数据。