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蜂窝终端直通通信，又称D2D通信(Device-to-Device Communications)，是指在蜂窝网络中基站控制下，用户终端之间不通过基站中继而直接进行数据传输的通信技术。D2D通信可以有效提升蜂窝网络的频谱效率和小区容量，显著提高本地区域用户体验和数据传输速率，并且为蜂窝网络中大数据服务提供一种全新的数据分流解决方案。D2D通信被认为是增强未来蜂窝网络性能的关键技术之一，并已在3GPP LTE-Advanced中立项进行标准化研究，具有非常重要的研究意义。 论文主要研究蜂窝网络中D2D通信场景下的资源管理和文件共享传输问题，是D2D通信研究领域的核心问题和热点研究方向，对D2D通信在实际蜂窝通信系统中的应用具有非常重要的意义。论文主要从以下三个方面展开研究: 1)如何实现有效的干扰控制是D2D通信中的核心问题，关系到D2D增强的蜂窝网络网络性能的实现。论文考虑最为一般化的情况，即在论文研究的场景中，不定多条D2D通信链路可以复用同一个资源块(Resource Block，RB);同一条蜂窝通信链路或者D2D通信链路同样可以获得不定多个RB;同时蜂窝通信链路与D2D通信链路不分优先级，同步进行优化;联合优化RB分配以及不同RB上的发射功率控制。为了对复杂的干扰环境进行建模分析，论文首次在D2D通信的研究中引入干扰图，对干扰图中的节点属性进行了全新的定义并引入了RB集合容量、RB集合干扰和RB虚拟集合等概念，用于辅助设计联合优化问题的收敛算法。在论文中，首先构建了干扰预知图，并提出了基于干扰预知图的联合资源分配和功率控制方案，实现RB分配和发射功率控制的联合优化，以较低的计算复杂度的网络性能的近似最优解实现极高的优化度。但干扰预知图的构建需要基站获知通信链路和干扰链路的信道信息，通信代价较高，因而，论文中接下来给出了干扰等级图的构建，只需根据通信链路间的相对位置关系来量化干扰等级，基站不需要获知干扰链路的信道状态信息，并提出了基于干扰等级图的资源共享方案，可以以极低的计算复杂度和通信代价实现网络性能的次优解。仿真评估验证了论文所提出算法的有效性。 2)物理层安全(Physical Layer Security)是近年来无线安全通信领域的研究热点，在D2D通信场景下，物理层安全问题具有新的特征。论文研究在D2D通信Underlay模式下存在窃听者窃听蜂窝通信链路的信息时的网络优化和资源管理问题，设计了蜂窝通信链路与D2D通信链路之间的双赢合作机制:对于蜂窝通信链路而言，它希望选择合适的D2D通信链路作为友好干扰节点，为其提供有效的协作干扰服务，提升其链路传输的保密容量;而对于D2D通信链路而言，它希望与蜂窝通信链路合作，获得接入授权频段的机会，在为相应的蜂窝通信链路提供干扰服务的同时，进行自身的数据传输。这种双赢的合作机制也为D2D通信链路在蜂窝网络中的接入提供了另一种激励动机。在这一双赢合作机制的基础上，论文推导了蜂窝通信链路和D2D通信链路的发射功率联合优化闭合解，并给出了最佳配对选择方案，使得网络中的蜂窝通信链路和D2D通信链路能够有效的相互合作，实现各自的效用性能。仿真结果验证了论文对于功率联合优化闭合解推导的正确性，以及蜂窝通信链路与D2D通信链路相互合作实现的性能优化。 3) D2D通信方式的提出实际上给蜂窝小区提供了一种有效的大数据分流的手段，可以缓解随着移动用户数和多媒体业务服务的快速增长，蜂窝网络面临着的日益严峻的数据流量超负荷的问题。论文引入联盟博弈的概念研究设计如何有效的通过区域用户集合群体内部的D2D通信实现协作文件下载和共享传输，首先，依据线性价格模型本文对蜂窝网络数据文件下载服务的付费机制进行了建模，并基于此设计了用户进行数据文件下载的效用函数，由下载付费开销和文件传输时延两部分组成。基于所设计的效用函数，论文提出了一种基于联盟博弈的文件共享传输方案，使得局部区域内有共同下载需求的用户之间能够有效的相互合作形成联盟共同下载一个文件，这样联盟内部的每个用户只需要下载一部分文件，可以相互分担下载费用，然后通过局部区域D2D通信来实现数据文件共享最终获得全部文件。仿真结果表明，论文所提出的基于联盟博弈的文件共享传输方案可以有效的使局部区域内的用户形成联盟共同下载同一个大数据文件，参与合作下载的用户的效用函数可以得到明显的提升，同时，由于局部区域D2D通信的数据传输速率较高，对于联盟所有用户整体的数据文件传输时延也大大降低。对于基站来说，这时只需要向联盟内部的每个用户传输文件的一部分，有利于释放基站的数据服务负担，缓解大数据文件下载给蜂窝网络带来的压力。