移动通信技术的快速发展,极大的推动了物联网的飞速发展。现如今物联网已经涵盖农业、工业、交通、军事等多个领域,这使得构建智慧城市、实现万物互联成为了可能。5G面向未来的物联网的广域大规模接入需求,针对性提出了大规模机器通信发展愿景。一方面,构建星地异构网络是未来移动通信发展的必然选择,将有效实现广域宽带接入;另一方面,5G将升级现有的物理层技术,如采用毫米波技术、非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术等,也将有效提升局部节点的通信能力。基于此,本文分析了将毫米波频段与NOMA传输机制引入到混合星地异构网络中的可行性,创新性的提出基于NOMA的毫米波混合星地异构网络,设计了适用于复杂的多中继多用户场景下的系统性能分析框架,得到了系统相关性能的闭式表达式。为满足未来物联网的系统吞吐量以及频谱效率的需求,本文首先研究了基于NOMA的毫米波混合星地异构网络的可行性,分析了星地毫米波通信链路的传输特性,以及NOMA传输机制下信号的传输方式与流程。然后从单中继单用户场景下入手,给出了毫米波混合星地异构网络的系统结构,并进一步将其推广到多中继多用户场景,分析了混合星地异构网络中涉及到的典型传输技术,如中继转发方式、节点选择策略等技术,为后续研究奠定了基础。本文接下来分析了毫米波混合星地异构网络的单中继单用户场景的关键性能指标。降雨衰减是影响毫米波通信链路性能的关键参数,本章创新性的将动态雨衰模型与统计信道模型相结合,构建了毫米波雨衰信道模型,推导了混合星地异构网络单中继单用户场景下的中断概率性能与遍历系统容量,给出了相应的闭式表达式。利用蒙特卡洛仿真对上述的理论分析结果进行验证,结果表明推导的闭式表达式可以很好的拟合该系统的中断概率与遍历系统容量。从仿真结果还可以看出,降雨衰减对于系统性能的影响,为接下来进一步分析多中继多用户场景下系统的性能表现提供了理论依据。基于上述研究,将单中继单用户场景推广至多中继多用户场景,设计了一种利用毫米波链路雨衰值选择最优中继节点的机会调度策略,对系统中断概率性能进行理论分析并给出闭式表达式。仿真验证了该中继选择方法能显著提升多中继多用户OMA系统性能表现,降低中继选择所需的系统开销。然后,引入NOMA传输机制,设计了混合星地异构网络的NOMA多中继多用户系统,分析了完整的信号传输流程,并将该系统的遍历系统容量性能与OMA进行对比。仿真结果表明相较于OMA机制,NOMA机制可以有效的提升系统容量和频谱利用率。综上,毫米波与NOMA传输机制应用到混合星地异构网络,可以进一步提升系统的频谱效率。本文提出的基于NOMA的毫米波混合星地异构网络的理论性能分析框架,对未来的星地异构网络建设具有一定的理论指导意义。