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随着移动通信技术的高速发展,信息和通信技术(Information and Communications Technologies,ICT)行业的能量损耗问题日趋严重。国际电信联盟无线电通信组(International Telecommunication Union-Radio communications sector,ITU-R)在第五代移动通信(the Fifth Generation Mobile Communication,5G)建设蓝图中提出了网络能效提高100倍的期望。如何合理部署5G网络实现绿色通信是一个亟待解决的问题。低功耗大连接是5G主要应用场景之一,主要面向环境监测、智能农业、智慧医疗等以传感和数据采集为目标的应用,具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接的特点。本文在此背景下,针对5G低功耗大连接场景下的能效建模与优化展开研究,主要研究内容和创新点如下。首先,在时延约束的条件下,本文构建了传输与空闲双模式的跨层新型能效分析模型,提出了一种新型的自适应传输策略。通过引入传输与空闲双模式,让收发机选择更好的信道条件来完成数据传送,基于信道条件自适应地选择传输或空闲模式,以实现节约能量的目的。对比传统单模式系统,仿真结果表明提出的传输策略可以有效提升系统能效,提升幅度达12%。其次,基于上述新型能效分析模型,在考虑端到端时延保障限制条件下,进一步研究了适应性传输策略的适用范围,并在Nakagami-m信道条件下借助二分查找算法实现了最优策略参数的确定,形成了最终的能效最优的适应性传输解决方案。仿真结果证明了二分查找算法在求解最优策略参数中的有效性,也验证了本文中对适应性传输策略的理论分析。最后,本文分析了机器类设备(Machine Type Device,MTD)利用蜂窝用户作为中继,借助设备与设备(Device-to-Device,D2D)通信连入蜂窝网场景下的系统能效。借助基于时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的时隙划分和基于请求许可的中继接入流程,本文提供了中继传输系统的能效分析方式。仿真结果不仅表明了分析方法的可行性,还给出了系统能效的提升空间和优化方向。