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随着波束成形技术以及毫米波通信技术日趋成熟，毫米波通信成为了5G候选技术之一，未来蜂窝网需要部署大量的小蜂窝以保证移动用户的无缝覆盖，因此毫米波技术与小蜂窝结合的多层毫米波蜂窝网络发展是必然趋势。虽然毫米波可以提供比传统通信频段多倍的频谱资源，但是由于毫米波波长短，绕射能力差的传输特性，如何对多层毫米波蜂窝网络性能评估并量化其潜在效益是亟待解决的问题。 本文首先基于5G毫米波蜂窝网络的网络架构进行了系统建模，在此基础上提出了归一化数学模型，把多层毫米波蜂窝网络转化为视距（Line-Of-Sight,LOS）和非视距（Non-Line-Of-Sight,NLOS）两种情况的单层虚拟网络，转化后从用户角度看所有的基站都是发射功率为1，基站密度分布为分段常函数的单层网络，基站与用户之间的虚拟距离带来的路径损耗则成为影响用户接收到信号强度的唯一影响因子。 基于归一化模型利用随机几何理论研究多层毫米波蜂窝网络下行链路网络性能。采用类似单层网络的分析方式，推导出有无对准误差两种情况下的网络下行链路的覆盖概率、用户可达速率数学表达式。对存在波束对准误差和无对准误差情况下覆盖概率和用户可达速率进行了对比，发现存在波束对准误差时，网络的覆盖性能和用户可达速率都有所下降。 最后本文研究了波束主瓣角度对网络的覆盖概率和用户可达速率的影响，本文发现在网络条件不变的情况下，存在波束主瓣角度使得网络的覆盖性能最优和用户的可达速率最大。 本文提出的归一化模型分析了多层毫米波蜂窝网络下行链路的网络性能，证明了归一化模型的普适性和采用该模型分析的低复杂性，同时，研究系统参数对网络性能的影响，对实际无线网络中覆盖性能和用户可达速率优化有一定指导意义。