移动通信技术的快速演进和智能终端的大量普及，为移动互联网应用提供了良好的传输通道和承载平台。不同移动应用具有不同的服务质量(QoS)需求、行为模式和业务特性，因此对移动通信网络的要求也不同。在长期演进(LTE)系统中，移动业务划分为时延敏感容忍差错的实时类业务和差错敏感容忍时延的非实时类业务两大类，这种简单的划分方式显然不满足移动应用多样性的业务需求。同时，各类移动应用特有的业务特性及庞大的用户规模对移动通信网络造成巨大冲击，运营商、终端厂商、业务提供商迫切需要一种提升高价值业务、减少终端能耗和提高用户体验的方法。本文依托吉林大学与华为终端有限公司的合作项目——“移动应用与移动网络融合研究”，对LTE系统空中协议栈、主流移动应用业务特性和行为模式展开研究，提出了节省终端能耗、提高用户体验的优化方案和改进算法。课题前期对3GPP LTE的标准协议及各类移动应用的业务特性进行了深入探索，总结了目前移动应用和移动网络存在的最基本问题。一方面，目前使用人数最多的移动应用为即时通信类应用，这类应用最大的特性为频繁发送“心跳信息”，心跳信息在LTE网络协议栈传输过程中需要经过分组数据汇聚协议(PDCP)层、无线链路控制(RLC)层和媒体接入控制(MAC)层的不必要处理，增加了传输时延及系统能耗。另一方面，现有的LTE网络协议栈在处理业务数据时，单纯地考虑了业务的时延和丢包率要求，对业务QoS需求考虑不够精细，造成用户数量最多的交互类移动应用具有较低的资源分配优先级，降低了网络资源紧张时的用户体验。针对以上问题，本文从数据传输方式及资源分配算法两方面提出面向移动应用的LTE网络协议栈优化方法。首先，针对长连接类业务频繁发送心跳信息特性，本文提出了一种心跳信息快速传输方法，通过建立心跳信息专用承载，使心跳信息在协议栈传输过程中忽略了PDCP层和RLC层处理，缩短了心跳信息的处理时延。在整体方案的实现过程中，本文首先在终端侧无线资源控制(RRC)层，设计了心跳信息识别模块，定义了模块的功能及其交互过程，通过应用层产生的心跳标识，识别心跳数据包并发起心跳信息专用承载建立请求。同时，在心跳信息专用承载的配置属性中将PDCP层、RLC层配置为透明模式(TM)。在网络侧，重新制定了数据封装网络网关(P-GW)的QCI列表，添加心跳业务类型并使用户可以主动发起心跳承载建立请求。本文还提出了减少心跳信息MAC层重传次数的方法，在保证应用在线的前提下，减小了心跳信息在MAC层多次重传造成的终端能耗。本文设计了心跳信息在LTE系统中的传输流程以及不同基站(eNodeB)、移动管理实体(MME)间的切换流程，使得提出的心跳信息传输解决方案具有通用性。其次，本文将业务QoS需求细分化，加入用户定制特性，提出改进的用户侧资源分配算法，使定制的热点业务优先响应，提高用户体验。在算法的实现过程中，本文首先定义了一种热点业务识别模块，该模块可以根据应用层产生的热点标识(HI)识别热点业务。扩展了网络侧P-GW功能，增加解析HI和承载决策功能，使其可以通过HI识别热点业务，并根据用户终端(UE)当前承载建立情况判断是否新建或修改专用承载。在本文提出的改进令牌桶资源算法中，MAC层优先为热点业务专用承载(DRB)对应的逻辑信道分配资源。在网络资源紧张的情况下，可以有效的减少热点业务响应时间，提高用户体验。设计了热点业务专用承载建立、修改及合并场景下的信令交互流程，涵盖了实际网络中的各种通信场景。