在过去的三十年,移动通信系统发生了巨大的变化。蜂窝移动通信网络从仅支持传统模拟语音业务的第一代移动通信系统迅速发展成为支持高速移动环境中宽带数据业务的第四代移动通信系统。蜂窝移动通信网络的结构也由宏基站覆盖的同构网络发展成为由宏站、微站、飞蜂窝等共同覆盖的异构网络。与此同时,蜂窝移动业务也从单纯的移动电话为主演变成智能手机为主。这些巨大变化同时也给蜂窝移动通信带来了许多理论和技术上的挑战。例如,经典的泊松模型可以很好地建模电话语音业务,但对于智能手机上各种应用程序所产生的背景业务来说并不准确;信令负荷在早期的蜂窝网络中对系统的影响并不是太大,但在今天的网络中,实时在线应用程序的背景业务产生的海量信令也对蜂窝移动通信网络造成了巨大的信令压力;另一方面,三维场景、异构网络、垂直波束等也是早期蜂窝网络中所没有的要素,如何针对这些要素进行优化也是新的问题。研究和解决这些问题对蜂窝网络的进一步演进发展无疑有重要的意义。为此,本论文针对上述问题展开研究,主要工作及创新点如下:1.针对智能手机所产生的背景业务缺乏适用模型的问题,提出了一种新的业务到达率模型。经典的泊松模型可以很好地建模电话语音业务以及许多分组数据业务的到达率,但应用于建模智能手机背景业务时,有显著的误差。鉴于目前尚无合适的模型,本文通过对泊松分布进行修正,提出了一种修正的泊松分布来建模背景业务的到达率。仿真结果表明这种修正的泊松分布可以比较准确地近似背景业务的到达率。论文中推导了所提修正泊松分布的主要数学特性。所提模型有三个参数,论文中给出了根据用户数以及实测统计数据确定模型参数的方法。另外,传统泊松分布是所提分布的退化情形,高斯分布是所提分布的渐进分布。因此所提模型不仅可以用于智能手机的背景业务,也可以用于其他类型的业务。2.针对目前蜂窝网络面临巨大的信令压力问题,对LTE网络中智能手机RRC状态转移进行了理论分析与仿真。本文以一个典型的LTE宏站所覆盖的小区为例研究了背景业务对LTE网络信令的影响。通过理论分析得到了用户无线资源控制状态转移次数、某个智能手机处于无线资源连接状态的概率以及处于无线资源连接状态的智能手机数量的计算公式。理论分析与仿真结果都表明这些参数都直接受闲置计时器取值的影响。当闲置计时器的值增加时,发生无线资源控制状态转移的次数会减少,网络中的信令也会因此减少,但是会增加智能手机处于无线资源连接状态的概率,从而增加手机的功率消耗。闲置计时器的设置需要在网络信令和用户电池功耗之间做出权衡。仿真结果还表明,与泊松分布相比,修正的泊松分布可以更准确的近似智能手机处于无线资源连接状态的数量的分布。3.针对宏站不能对室内高层用户提供良好的信号覆盖的问题,研究了三维场景下微站天线类型及倾角对LTE网络的影响,提出了一种微站天线倾角快速优化算法。本文以一个实际的LTE网络为例进行仿真,结果表明微站天线垂直方向半功率波束宽度和倾角对用户的平均信干噪比、边缘信干噪比、平均容量以及连接到微站的室内用户的比例均有显著影响。选择合适的垂直方向半功率波束宽度和倾角可以大幅提高网络性能。本文进一步比较了不同楼层用户的平均信干噪比以及连接到微站的用户比例,仿真结果表明,宏站可以对低层用户提供较好的覆盖,中层用户次之,对高层用户的覆盖却非常差。配置上倾.角天线的微站可以对这些高层用户提供较好的覆盖,从而改善网络整体性能。此外,论文将基站的下行信干噪比（某小区基站所服务的用户接收的信号与基站所干扰的用户所接收的信号以及干扰的比值）作为目标函数,从而将一个非凸的NP-hard多变量联合优化问题,转化成了多个独立的单变量问题,大幅降低了算法复杂度。本文还对该算法进行了优化,为目标函数中小区基站所服务的用户接收的信号加上一个指数因子,通过仿真比较了指数因子取值不同的情况下,小区用户平均容量的变化。仿真结果表明,该指数因子对于用户平均容量有明显的影响。在此基础上,本文提出通过迭代的方式,进一步提高用户平均容量,仿真结果表明,该迭代算法可以快速收敛且通过迭代可以明显提高用户平均容量。本文所提出的这种微站天线倾角快速优化算法可以快速动态的调整微站天线倾角从而优化网络性能。仿真结果表明,相比较于三维波束赋形方法,微站天线倾角快速优化算法可以有效提高用户平均容量。