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5G移动网络需要突破目前4G网络在传输速度、时延和可容纳设备方面的瓶颈,同时解决流量的不断增长并实现绿色通信,研究人员因此提出了异构网络、大规模MIMO、毫米波等技术来实现以上目标。此外,被大量用户频繁请求的流行内容在网络总流量中占比很大,将此类内容缓存在距离用户更近的小基站(small base station,SBS)可以消除部分冗余流量以减少回程链路阻塞和能源消耗。据此,本文将在全毫米波异构网络中研究无线回程传输和缓存策略的联合设计。这种联合设计提供了两种不同的缓存增益,即预下载增益和本地缓存增益。主要研究工作如下:首先,在同频部署的毫米波双层异构网络中,提出了联合无线回程与缓存的内容传输方案。其中,部分具有有限缓存容量的小基站可以存储流行内容以服务于用户设备(user equipment,UE),宏基站(macro base station,MBS)通过光纤访问核心网,并通过无线回程将未缓存的内容发送到SBS。由于SBS缓存实质上是替换了一部分回程链路的作用,因而减轻了网络回程流量拥塞状况。将视距和非视距基站的位置建模为独立泊松点过程,根据泊松点过程分布的随机统计特性,分别计算出两种传输方式发生的概率和平均面积速率。结果表明,联合传输系统可获得的增益取决于缓存比例因子的大小,只有当缓存比例因子大于临界值时,联合传输才会优于传统的无缓存传输系统。据此,提出了一种自适应的内容交付模型,并给出对应的最小阈值,以根据缓存比例因子是否高于此阈值来选择联合传输方式或传统传输方式。其次,为了进一步探究大规模MIMO自回程对传输的影响,提出了大规模MIMO协助无线自回程的缓存异构网络内容交付方案。其中,请求的内容若未被缓存则须通过大规模MIMO回程获得,网络节点的分布遵循齐次泊松点过程,并采用了更实际精确的毫米波均匀线阵天线模式。分析了大规模MIMO的回程可达速率,推导出内容交付成功的概率,从而评估系统的平均传输时延,并对两层无线缓存网络宏基站的能量消耗进行了研究。分析结果表明,大规模MIMO的使用不仅提高了自回程传输的平均面积速率和平均时延,而且由于窄波束和定向传输减少了干扰,也提高了缓存和非缓存访问链路的速率和时延。此外,在使用低分辨率天线阵列且缓存容量较大的情况下,可以大幅降低硬件功耗对总体能效的影响,这也反映了平均时延和能效之间固有的折衷。在确定能量消耗的情况下,缓存和低分辨率天线阵列的联合使用使得MBS上可以配备更多的天线,从而通过定向天线的高增益来补偿近场传播损耗。