随着通信技术和移动互联网业务的发展,移动网络中数据流量呈现指数级增长,给网络带来了巨大压力,造成带宽、能量和服务器等资源的浪费,同时也大大降低了用户的体验质量。为了有效应对数据流量增长带来的挑战,蜂窝网络缓存技术备受关注。蜂窝网络缓存技术的核心思想是利用缓存开销换取带宽收益,将内容在非高峰时段预先放置在基站侧甚至是用户终端的存储设备中,通过减小用户与内容间的传送距离缓解蜂窝网络业务负载,减小用户内容获取时延。本文选题于国家自然科学基金。本文探索缓存技术在蜂窝网络中提升网络性能的理论本源,挖掘影响蜂窝网络缓存技术性能增益的关键因素,为不同形式的蜂窝网络缓存部署与优化提供参考依据。围绕实现缓存技术两个阶段,即缓存放置与内容传输,本文针对同构蜂窝网络、异构蜂窝网络和无人机辅助蜂窝网络中的缓存技术展开性能研究,在相应的网络中提出了缓存策略,包括缓存放置策略与内容传输策略,基于随机几何理论推导网络性能表达式并分析不同网络参数对网络性能的影响,进一步以缓存性能提升为目标进行了网络部署与缓存策略优化。论文具体研究内容如下:在同构蜂窝网络缓存研究中,针对用户业务量分布特性对网络性能的影响,提出了满足缓存覆盖率要求的基站部署算法;针对有限回程容量制约内容传输的问题,提出了考虑回程容量分配的面向连接传输策略,推导了内容成功传输概率与能量效率表达式。在回程非受限场景下,结合用户业务量分布,理论推导出了基于最流行缓存放置策略与面向连接传输策略的缓存覆盖率表达式,求解了满足缓存覆盖率限制条件的最优基站密度。仿真验证了理论推导的最优基站密度。仿真结果表明,用户业务量分布突发性越强,最优基站密度越大。内容流行度分布均匀时,增加缓存容量能够降低最优基站密度。在回程受限场景下,提出了一种基于回程容量按需分配的面向连接传输策略,理论推导出了基于最流行缓存放置策略与所提内容传输策略的内容成功传输概率和能量效率表达式。仿真验证了理论推导的内容成功传输概率和能量效率。仿真结果表明,所提内容传输策略的内容成功传输概率与能量效率性能优于基于回程容量平均分配的面向连接传输策略。增加回程容量能够提高内容成功传输概率和能量效率。在异构蜂窝网络缓存研究中,针对用户业务量分布特性对网络性能的影响,提出了满足缓存覆盖率要求的小基站部署算法;针对宏基站回程容量有限和helper回程链路欠缺制约内容传输的问题,提出了考虑回程容量分配的面向内容传输策略,推导了内容成功传输概率与能量效率表达式。在回程非受限场景下,结合用户业务量分布,理论推导出了基于最流行缓存放置策略与面向连接传输策略的缓存覆盖率表达式,给定宏基站密度,求解了满足缓存覆盖率限制条件的最优小基站密度。仿真验证了理论推导的最优小基站密度。仿真结果表明,用户业务量分布突发性越强,最优小基站密度越大。在回程受限场景下,提出了一种协作缓存放置策略和基于回程容量按需分配的面向内容传输策略。理论推导出了基于所提缓存放置策略与内容传输策略的内容成功传输概率和能量效率表达式。仿真验证了理论推导的内容成功传输概率和能量效率。仿真结果表明,与最流行缓存放置策略相比,协作缓存放置策略可以提高内容成功传输概率和能量效率。性能增益在内容流行度分布均匀、缓存容量较大、helper密度居中时最大。在无人机辅助蜂窝网络缓存研究中,针对无人机基站缓存服务半径对网络性能的影响,提出了一种基于缓存服务半径的面向内容传输策略,推导了缓存覆盖率、卸载率和平均速率的表达式。在热点覆盖场景下,理论推导出了基于概率缓存放置策略与所提内容传输策略的缓存覆盖率与平均速率表达式,并分别以最大化缓存覆盖率与平均速率为目标进行了缓存概率优化。仿真验证了理论推导的缓存覆盖率与平均速率。仿真结果表明概率缓存放置策略性能优于最流行缓存放置策略和随机缓存放置策略。无人机基站部署较高时,增加无人机基站密度可能会降低网络性能。无人机基站密度越大,最优缓存服务半径越小。在灾难救援场景下,理论推导出了基于概率缓存放置策略与所提内容传输策略的无人机基站层的卸载率与平均速率表达式,并分别以最大化卸载率与平均速率为目标进行了缓存概率优化。仿真验证了理论推导的卸载率与平均速率。仿真结果表明,无人机基站部署较低时,增加无人机基站数目和缓存服务半径能够提高无人机基站的卸载率与平均速率。