随着蜂窝物联网(Cellular-Internet of Thing,C-IoT)的高速发展,智能化、自动化已经成为5G移动通信系统的名片。在C-IoT中,亿万设备可以通过基站(Base Station,BS)连接到蜂窝网。对于这些海量设备,应用最广影响最大的就是机器类设备(Machine Type Communication Devices,MTCDs)。事实上,近来很多预言预测:(1)到2020年,网络中将会部署超过500亿的MTC设备;(2)相比于2012年,到2020年为止,网络中的MTC流量会增加24倍;(3)与当前的移动通信网络相比,未来网络流量体积将会是目前的1000倍。在C-IoT中,机器类通信(Machine Type Communication,MTC)扮演着举足轻重的角色。实际上,MTC并不是一个全新的概念。对于从事无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的研究者而言,MTC只是他们现有研究内容的一个延伸。一方面,MTC与WSN有着相似的特性:设备功耗问题是两者均需关注的重点。另一方面,MTC与WSN又存在一些差别,比如在远程医疗场景、智能家庭场景,网络中存在着大量的下行数据传输。这些场景中的下行数据传输,对数据速率和网络系统吞吐量有着极高的要求,显然C-IoT又必须能够满足这些要求。当然,在C-IoT中,依然存在着人与人之间的通信(Human Type Communication,HTC),这种场景被称之为混合业务场景。在混合业务场景中,海量的MTC业务必然会对传统的HTC业务造成严重的冲击,尤其是在随机接入过程,如何满足混合业务场景中不同优先级业务的接入请求是一个极其棘手的关键问题。因此,对随机接入进行研究及优化是一个有意义的课题。针对上述C-IoT中的实际问题,本文以C-IoT作为主要研究对象,以MTC通信作为切入点,提炼出了三个针对MTC通信性能优化的关键技术问题,并进行了相关的科学研究。取得的研究成果如下:1)区别于以往对业务类型的划分方式(MTC业务/HTC业务),在C-IoT中,本文根据业务对时间延迟的敏感程度为标准,对业务的优先级别进行了高低划分,以保证高优先级业务的接入性能为出发点,着重研究了随机接入的静态前导码分配策略,提出一种带预留的可伸缩前导码分配策略,并基于本文提出的策略,提出一种前导码复用的新型随机接入优化方案。该方案在初始时刻就考虑优先级差异,通过复用的前导码区分业务的优先级高低,不需要引入多余的信令,这是十分合理可行的。仿真结果表明,所提方案也保证了高优先级业务的一次成功接入,避免多余的冲突重传、随机退避。2)在C-IoT中,海量的MTCDs存在着大量的下行数据分发。本文利用设备到设备(Device to Device,D2D)通信技术并结合当前的C-IoT架构,设计了“D2D辅助的蜂窝物联网架构”。基于该架构,本文设计了“D2D辅助的数据分发流程”,并以分发流程为基准建立了以优化网络吞吐量为目标的最优化模型。通过对数学问题的分析,本文以“距离”作为度量标准,提出了一种基于最小距离的贪婪算法。另一方面,本文根据对网络发展趋势的理解,引入了MTCD亲密度因子,提出了一种基于最大亲密度因子的贪婪算法。仿真结果也说明了本文所提出的算法在保证系统公平性的前提下,能最大程度地降低基站负载,提升网络整体容量。3)第三代合作伙伴(Third Generation Partnership Project,3GPP)提出了不连续接收(Discontinuous Reception,DRX)机制允许设备在特定的时隙来接收数据,并在其余的时隙关闭无线模块以此来节省能量消耗。本文基于DRX机制,设计了一种带有强制性休眠模式的功耗节约机制。在所提的功耗节约机制中,一个度量标准被引进用来计量数据包个数,并联合DRX机制中的去激活定时器来控制状态的转移。本文使用半马尔科夫过程来对所提机制进行建模,并在模型中设计了功率节省因子和唤醒延迟。通过对所提模型的理论仿真和系统仿真,得到了一系列有意义的仿真结果。数值结果表明所提机制可以实现更好的功率节省效率,这对于对设备功率有着更高要求的MTC通信无疑是一个利好的研究结果。