由于具有丰富的频谱资源,毫米波网络成为实现未来移动通信高速传输要求的重要网络架构之一。然而,受限于覆盖范围小,毫米波网络往往超密集部署,而大量的超密集部署又将导致资源浪费和巨额成本。为此,研究人员提出多层毫米波异构网络、混合毫米波与sub-6G异构网络、卫星-地面毫米波网络和毫米波分布式天线系统等以毫米波网络为基础的新型混合/异构网络架构,结合不同网络的优势来满足未来移动通信对速率、覆盖、频效和成本等多方面的需求。此外,结合未来移动通信面临的实际需求,一方面,为了应对海量多媒体数据高速传输带来的巨大回传压力,利用缓存技术为移动通信网络赋能成为一种经济、有效的手段,这主要得益于多媒体数据具有的高流行度内容被重复获取的特性和芯片技术的快速发展等;另一方面,为了实现全球高速传输与无缝覆盖,以卫星-地面毫米波网络为代表的新型网络展现了巨大潜力,这主要得益于卫星小型化、采用了与毫米波重合的频段及火箭技术的快速发展等带来的部署便利、成本低等优势。进一步地,为了更好地发挥这些新型网络架构的优势,显然需要对它们进行全新的传输方案设计和性能评估,故本文对此展开研究,主要内容和贡献概述如下:1)针对单个具有更强传输能力的毫米波基站、多个毫米波接入点和单个典型用户构成的异构网络,为基站、接入点配置缓存,基于最流行内容存放策略,提出了一种新型缓存使能的用户关联方案,该方案充分考虑了由于频段重合导致的基站和多个接入点间的干扰带来的影响。基于所提方案,推导了关联概率和成功概率的解析表达式,从而揭示了基站和接入点的发送功率、天线数和缓存容量等系统参数对接入和覆盖性能的影响。蒙特卡洛仿真与数值仿真验证了所有解析式的正确性,并进一步给出了一些有意义的结论,例如增大接入点的发送功率、天线数和缓存容量等会增大用户关联到接入点的概率,但是发送功率和天线数的增大却无法相应地增大用户的成功概率,而缓存容量的增大则可以同时改善成功概率等。这些结论便于网络设计者对实际网络参数的设置。2)针对多个sub-6G基站、多个毫米波基站和单个典型用户构成的混合高低频异构网络,为所有基站配置缓存,提出了一种毫米波基站存满流行度最高的内容、sub-6G基站缓存部分流行度最高的内容和部分低流行度内容的内容存放策略,进一步考虑能提供最大发射功率的毫米波基站具有优先关联权及离用户最近的多个sub-6G基站采用联合传输技术,从而提出了一种新型缓存使能的用户关联方案。该方案保证了用户获得尽可能大的传输容量,并利用了sub-6G基站缓存低流行度内容以提高内容分集度来降低网络的回传压力。为了深入理解该方案下网络的覆盖性能,分别推导了成功概率和可达速率的元分布的解析表达式,通过成功概率揭示了给定传输速率下网络平均的传输成功概率,通过可达速率的元分布则更精细地揭示了网络中多少比例的链路在给定传输速率下能达到给定的成功概率。此外,通过解决最大化成功概率的问题获得了sub-6G基站高、低流行度内容的最佳比例,并将所得的最优内容存放策略与所有基站采用最流行内容存放策略进行了对比分析,获得了所提策略相比最流行内容存放策略的增益表达式及成因——较高的内容分集度与sub-6G基站联合传输的巧妙结合带来的增益。数值仿真和蒙特卡洛仿真验证了所有分析结果的正确性,并给出了重要网络参数对成功概率和可达速率的元分布的影响,这些结果进一步为网络的实际参数配置提供了参考。3)针对由单个卫星、多个多天线的地面中继和单个地面用户构成的卫星-地面中继网络,一方面,鉴于卫星和地面信道共用频段,考虑了卫星-用户直传链路的影响;另一方面,由于快速的信道变化和低时延的要求,用户选择中继时所基于的信道状态信息可能是过时的。为了研究这两个因素产生的影响,考虑中继和用户都具有尽可能大的接收信噪比,即每个中继采用最大比合并处理接收的卫星信号,最佳中继采用最大比发送向用户传输信号,用户采用最大比合并处理接收的卫星和中继信号。此外,考虑自适应解码转发中继协议,最佳中继基于最大信噪比准则,并分别以莱斯阴影衰落和Nakagami衰落对卫星和地面信道进行建模。基于此,首先推导了中继和用户的接收信噪比的统计分布;接着,在此基础上推导了中断概率的闭合表达式;最后,针对三种合理的高平均信噪比场景推导了中断概率的渐近闭合表达式,从而给出了编码增益和分集阶数。中断概率的分析结果给出了不同系统参数（如中继个数、中继天线数和信道条件等）对该网络中断性能的影响,渐近分析结果通过编码增益和分集阶数则更为直观地给出了这些参数在这三种高平均信噪比场景下对中断性能的影响。所有分析结果经由数值仿真和蒙特卡洛仿真进行了验证。4)针对由单个低轨卫星、多个地面毫米波中继和单个典型用户构成的低轨卫星-地面毫米波中继网络,引入随机几何工具,将卫星和中继的位置分别建模为近地轨道上的三维均匀分布和地面上的二维泊松点过程。此外,地面毫米波网络的障碍物模型和波束增益模型分别采用了Lo S球模型和平顶方向图模型,并分别以归一化的莱斯阴影衰落和Nakagami衰落对卫星和地面信道的小尺度衰落进行建模,中继协议则采用了固定解码转发协议。为了深入研究该网络的覆盖性能,推导了用户接收信干噪比的元分布和覆盖概率的解析表达式,通过覆盖概率揭示了给定信干噪比阈值下网络平均的成功覆盖概率,通过信干噪比的元分布则更精细地揭示了网络中多少比例的链路在给定信干噪比阈值下能达到给定的覆盖概率。进一步地,所得分析结果经由数值仿真和蒙特卡洛仿真进行了验证,并给出了卫星信道条件、地面节点的天线数等重要参数对网络覆盖性能的影响。同时,该工作涉及的数学推导方法能够为后续相关研究提供参考。5)针对单蜂窝的下行毫米波分布式天线选择系统,基站通过多个远端射频单元服务用户,用户以最大接收信噪比准则选择最佳的远端射频单元进行接入。鉴于FTR衰落作为一种新型的毫米波小尺度信道模型,能够较传统Nakagami衰落等模型更为真实地反映毫米波的传播特性,故以其进行信道建模。进一步地,为了评估该系统的中断和传输性能,首先推导了用户接收信噪比的统计分布,并在此基础上分别推导了中断概率和遍历可达速率的闭合表达式及它们在高平均信噪比条件下对应的渐近闭合表达式。通过中断概率和遍历可达速率的闭合表达式给出了远端射频单元个数及FTR衰落信道参数对中断和传输性能的影响,而它们的渐近结果则更为直观、定量地分析了这些影响。此外,所得分析结果可一般化为基于FTR衰落下的选择分集研究,该结果相比已有工作提供了更为简洁、分析性强的统计分布结果,便于后续相关工作的开展。