移动互联网时代的到来，加快了移动通信技术的发展，第四代(4G)移动通信技术商用的步伐也越来越快，4G将带给用户更快的上网速度和服务体验。4G网络中，物理层采用了包括协作通信等更为先进的技术。协作通信的基本思想是通过节点间相互辅助来完成信息的传递，在源节点与目的节点间建立多条虚拟的传输链路。协助通信作为一种很有前景的通信技术，需对其各项性能进行充分研究。目前对协作通信性能的研究还主要集中在物理层误比特率、中断概率及MAC层接入等方面，很少涉及延时、数据积压等具有更直观参考价值的网络层性能。随机网络演算是一种用分析网络延时和数据积压的数学工具。能很好的解决概率论、随机过程以及排队论等传统分析工具的一些局限性，如分析复杂度高、只能得到延时和吞吐量的平均值等。随机网络演算可以通过分别特征数据流和网络的累积服务能力，来方便的分析无线网络的延时、数据积压特性。基于随机网络演算理论，对放大转发模式的协作通信系统的流量突发特性和随机服务特性进行建模，进而研究系统的延时、数据积压的概率分布是本文的重点。本文基于随机网络演算，分析协作通信信道的衰落特性和时变服务特性，结合概率论信息论等知识推导了放大转发模式的三节点协作信道的随机服务曲线；考虑到现代网络数据流表现出自相似性，得到数据流的随机到达曲线；进一步推导得到协作通信系统的延时和数据积压概率分布。最后对得到的性能分布理论结果进行数值分析，结果表明本文分析方法能够得到三节点放大转发协作通信数据积压、延时的概率分布，并研究数据流的自相似特性对性能的影响。