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D2D(Device-to-Device)以单跳方式实现设备之间的点对点通信。与传统蜂窝系统中的双跳通信结构相比，这种终端直通的结构能够带来高覆盖概率、低功耗等临近通信优势。尽管蜂窝系统可以利用这种临近通信优势来提高频谱利用效率，但与此同时也需要应对由此产生的共信道干扰问题。由于共信道干扰的存在，蜂窝系统中D2D链路的密度很难被提升，特别是在密集的通信场景下，系统频谱利用效率不仅不能得到理想改进反而会被严重地破坏，而低密度的通信又失去了D2D自身的应用价值，因此，深入研究密集的D2D通信非常具有实际意义。针对如何实现密集D2D通信，网络影响、终端配置、信道理论是三个主要突破口，本文对其中可预见的终端配对方法、多无线接入技术(M-RATs,Multiple Radio Access Technologies)分流、基于M-RATs的协作、以及非正交多址D2D通信等四项关键技术进行了研究，并通过软件仿真对相应的结论进行了验证，同时也建立了物理实验平台针对研究过程中所涉及的一些关键问题进行了验证。
首先，本文对基于Voronoi图的配对方法进行研究。限制D2D链路只能建立在具有邻居关系的通信终端之间，这种方法可以极大地降低共信道干扰，经过理论分析证明，在豪斯多夫距离的度量下基于Voronoi图的D2D配对方法趋近于最优化。通过软件仿真验证，相比于基于信道反转的配对方法，基于Voronoi图的配对方法使得链路的覆盖概率得到有效改进，因此，更适合实现高密度D2D通信。为进一步说明配对的可行性，本文也建立了物理实验平台验证了共信道干扰影响下的直通链路可行性。
之后，本文对基于M-RATs分流的D2D通信方法进行研究。利用智能终端配有多种无线接入技术的特点，在建立通信链路时，选择任意一种接入技术来实现D2D通信。相比于传统的单一接入技术，基于M-RATs分流的方法使得负载可以被多种无线接入技术分流，从而有效提升了D2D通信的可用性，此结论也根据多接入技术在低干扰或无干扰影响下的误码率表现，在建立的物理实验平台中得以验证。本文分别针对高密度终端场景和稀疏密度终端场景提出了相应的优化处理算法，证明了高密度终端场景内的分流算法可以实现帕累托最优化分流，基于贪婪方式的低密度终端场景算法实现了局部最优化分流。并通过软件仿真验证了相比于传统的单一接入技术，基于M-RATs分流的D2D通信的频谱效率将得到有效地改进。
然后，本文研究了基于M-RATs协作的低能耗D2D通信问题。该方法同时利用多种无线接入技术建立通信链路。不同于分流方法，多无线接入技术协作强调的是多种无线接入技术同时传输数据，而不是只利用单一接入技术进行数据传输，从而可以实现更高传输速率的通信，并且通过物理实验发现，该方法也可有效地改进链路误码率。本文提出的协作算法，在可以保障链路频谱效率的同时，也可以有效地控制通信能耗。通过软件仿真验证，与基于信道反转的D2D通信相比，基于M-RATs协作的D2D通信在高通信门限时可以建立相对有效的通信，实现相对密集且能耗较低的通信。
最后，研究了基于非正交多址SCMA(Sparse Code Divide Multiple Access)技术的D2D通信。本文利用空间球模型分析了SCMA技术的多径特征并据此建立了相干空间。相干空间的大小将会影响SCMA用户密度与误码率性能，通过码本设计可实现高用户密度且低误码率的通信。利用SCMA码字叠加的特点，建立了基于SCMA技术的D2D终端中继模型。通过软件仿真验证，与正交技术相比，基于SCMA的D2D中继通信在覆盖概率和链路频谱效率方面均有较好的表现。尤其当多组通信链路复用同一资源时，通过增加过载因子，链路频谱效率可以提升近两倍。
首先，本文对基于Voronoi图的配对方法进行研究。限制D2D链路只能建立在具有邻居关系的通信终端之间，这种方法可以极大地降低共信道干扰，经过理论分析证明，在豪斯多夫距离的度量下基于Voronoi图的D2D配对方法趋近于最优化。通过软件仿真验证，相比于基于信道反转的配对方法，基于Voronoi图的配对方法使得链路的覆盖概率得到有效改进，因此，更适合实现高密度D2D通信。为进一步说明配对的可行性，本文也建立了物理实验平台验证了共信道干扰影响下的直通链路可行性。
之后，本文对基于M-RATs分流的D2D通信方法进行研究。利用智能终端配有多种无线接入技术的特点，在建立通信链路时，选择任意一种接入技术来实现D2D通信。相比于传统的单一接入技术，基于M-RATs分流的方法使得负载可以被多种无线接入技术分流，从而有效提升了D2D通信的可用性，此结论也根据多接入技术在低干扰或无干扰影响下的误码率表现，在建立的物理实验平台中得以验证。本文分别针对高密度终端场景和稀疏密度终端场景提出了相应的优化处理算法，证明了高密度终端场景内的分流算法可以实现帕累托最优化分流，基于贪婪方式的低密度终端场景算法实现了局部最优化分流。并通过软件仿真验证了相比于传统的单一接入技术，基于M-RATs分流的D2D通信的频谱效率将得到有效地改进。
然后，本文研究了基于M-RATs协作的低能耗D2D通信问题。该方法同时利用多种无线接入技术建立通信链路。不同于分流方法，多无线接入技术协作强调的是多种无线接入技术同时传输数据，而不是只利用单一接入技术进行数据传输，从而可以实现更高传输速率的通信，并且通过物理实验发现，该方法也可有效地改进链路误码率。本文提出的协作算法，在可以保障链路频谱效率的同时，也可以有效地控制通信能耗。通过软件仿真验证，与基于信道反转的D2D通信相比，基于M-RATs协作的D2D通信在高通信门限时可以建立相对有效的通信，实现相对密集且能耗较低的通信。
最后，研究了基于非正交多址SCMA(Sparse Code Divide Multiple Access)技术的D2D通信。本文利用空间球模型分析了SCMA技术的多径特征并据此建立了相干空间。相干空间的大小将会影响SCMA用户密度与误码率性能，通过码本设计可实现高用户密度且低误码率的通信。利用SCMA码字叠加的特点，建立了基于SCMA技术的D2D终端中继模型。通过软件仿真验证，与正交技术相比，基于SCMA的D2D中继通信在覆盖概率和链路频谱效率方面均有较好的表现。尤其当多组通信链路复用同一资源时，通过增加过载因子，链路频谱效率可以提升近两倍。