蜂窝中继网络将中继传输技术应用于蜂窝系统中,通过多跳传输方式和合作分集提高节点间的传输性能,能够有效提高系统容量和频谱效率。本文通过研究下一代无线蜂窝通信同步中继传输的关键技术,旨在增强合作传输的分集增益,有效地提高中继网络的传输效率和系统速率。首先我们研究了OFDM蜂窝系统的同步获取流程,包括下行链路的物理层和MAC层同步。我们提出一种OFDM系统的前导序列结构,并研究了基于此前导序列的符号级定时同步和频率同步算法。接下来我们研究了下行链路小区搜索的结构和算法,通过此优化小区搜索算法,能够获取帧同步和基站配置等重要信息。然后我们设计了一种新型的自适应合作编码协议。传输过程中,源节点将编码序列通过不同的链路分两步发送至目标节点,其中每一步的速率都可以根据信道状况自适应地调整。由于有效利用了中继信道,此协议可以获得显著的合作分集。我们通过数学计算获得自适应合作编码协议在各类信道传输条件下的严格和近似的理论闭式性能上限。为了进一步提高性能,我们研究了此协议的理想功率分配算法。接下来我们研究了三类不同的双向无线中继传输协议,并利用香农公式给出了协议的理论系统吞吐量。为了进一步提高其性能,我们研究了三类协议的优化功率分配算法,使其能提供更高的系统吞吐量,并且对信道的非对称性更为鲁棒。在信道错误传播存在的情况下,我们通过对双向中继协议进行Markov链建模,获得它们在信道错误传播下的系统吞吐量。最后我们提出了一种基于干扰相消的双向中继协议,并获得其在信道错误传播存在时的系统吞吐量。在协议传输过程中,利用干扰相消技术保证两个中继节点组成的宏中继能同时接收和发送信号,因而可以提高系统的传输效率;同时在检测过程中各节点只需要通过理想信道估计算法获得其相邻链路的信道状态信息。因此,基于干扰相消的双向中继协议能够在传输效率和信令开销之间获得平衡。