随着无线通信技术的发展和物联网的兴起,下一代无线接入网将呈现出：超高通信速率、无处不在的覆盖、海量连接、分布式接入(云接入)的新特点。与此同时,频谱、能源的日益紧缺也迫使网络协议设计的注意力从通信速率的提高转移到通信效率的提高。随机接入作为一种重要的介质访问控制技术,在下一代网络中将广泛应用于超高通信速率无线局域网、设备到设备(Device-to-Device, D2D)通信、车辆自组织网络、无线传感器网络等多种通信场景。同时,在传输物联网数据、密集蜂窝小区切换等方面,随机接入协议也将扮演重要角色。然而,传统随机接入协议固有的帧碰撞问题,以及超高通信速率下过大的协议开销,使其很难满足下一代网络的要求。正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)是一种目前已广泛应用于无线通信领域的物理层技术。该技术可实现在多个正交子信道上不同用户数据的并行传输,极大地提高了通信系统频谱接入的灵活性。利用这种灵活性,随机接入系统的性能可得到有效改善。鉴于OFDMA技术的优势以及随机接入的应用前景,本文对这两种技术的结合展开了深入研究。本文的研究首先着眼于OFDMA随机接入的协议设计,致力于探索可充分利用OFDMA频谱接入灵活性的随机接入方法。利用OFDMA技术,本文把传统随机接入方法的单信道时域竞争改进为多子载波的频域竞争,并结合网络帧聚合技术以及OFDMA的上行同步要求来设计竞争机制。特别地,提出的系统采用子载波忙闲状态表示用户的接入请求而非传统协议使用的控制帧,且接入点能够同时处理大量用户的接入请求。这种设计在频域以更精细的粒度解决了用户信道竞争,有效降低了帧冲突概率。同时,通过聚合传输大量用户的上行数据,该设计能极大提升系统信道利用率。研究发现,提出的子载波侦听随机接入系统相比传统基于控制帧的OFDMA随机接入系统,网络吞吐量和时延性能显著提高。本文提出了需求带宽控制的概念,并将其进一步分解为,最大化系统信道利用率的可接入子信道数调整问题和子信道划分问题。在OFDMA随机接入系统中,需求带宽,也就是节点传输数据试图使用的子信道带宽总和,可从信道竞争激烈程度以及数据传输时间与协议开销的比例两方面,对系统信道利用率产生重要影响。针对这一特点,本文提出了可接入子信道数动态调整算法和子信道动态划分算法。相关理论分析证明了需求带宽控制的重要性。仿真结果表明,提出的动态需求带宽控制算法优于传统静态子信道划分算法和基于经验主义的可接入子信道数调整算法。为满足下一代网络更为苛刻的时延要求,本文提出了一个分析模型以帮助协议设计者预测和优化OFDMA多信道随机接入系统的时延性能。本文提出的模型根据OFDMA技术特征,把随机接入系统建模为一个时隙大小随机且节点可同时接入多个子信道的特殊时隙系统。由于采用的假设具有一般性并消除了对具体协议的依赖,建立的模型适用范围较广。另一方面,鉴于系统稳定性对时延性能和丢包率有重要影响,本文对多信道随机接入系统的稳定性条件展开研究,得到了系统稳定性的充分条件、必要条件以及这些条件所涉及参数的求解和近似方法。本文最后把OFDMA随机接入技术的研究延伸到一般通信系统,试图采用一个层次化用户体验质量(Quality of Experience, QoE)评价模型来建立业务、终端异构网络中QoE保障的范式。下一代网络的一个目标是,建立一个人与人、人与机器、机器与机器通信共存的系统。然而,在这个万物互联的系统中,业务和终端的多样性和异构性将导致QoE保障成为棘手问题。QoE不仅与服务质量(Quality of Service, QoS)紧密相关,还受一些非技术因素(例如用户偏好、行为习惯)影响,因此,QoE的保障比QoS的保障更加困难。在提出的模型里,QoE被划分为应用级、节点级和网络级三个层次,由满意度指标量化用户当前QoE与目标QoE的落差,且模型允许业务需求和用户偏好发生异构。为验证模型有效性,研究将其应用于一个业务、节点异构的随机接入网络,并以此对节点内部业务流调度和外部信道竞争协调进行面向QoE的优化。理论分析和仿真表明,建立的模型可从微观(应用级)到宏观(网络级)全面地刻画用户QoE。此外,所开发的优化算法也被证明能够在权重比例公平性准则下最大化用户满意度。