D2D传输是指蜂窝系统中距离较近的移动设备可以在基站的控制下直接进行数据互传,由于避免了传统的以基站为中介的数据传输模式,可以极大地提高系统的频谱效率以及能量效率,因而成为5G移动通信的关键技术之一。本文以支持D2D传输的5G系统为背景,针对D2D传输的实现与应用两个不同层面,分别研究了实现层面的D2D用户与蜂窝用户资源共享问题,以及应用层面的利用D2D功能实现文件高效下发问题。一、实现层面的D2D用户与蜂窝用户资源共享问题研究:结合了NOMA与用户具备能量收集功能的场景,在保证蜂窝用户基本速率需求的假设下,分别针对单载波与多载波场景,研究了实现D2D用户与蜂窝用户资源共享的无线资源最优分配方案,具体工作有以下两个:(一)针对用户能量收集的D2D系统,在保证NOMA蜂窝用户服务质量的前提下,基于最大化D2D用户的能量效率,研究了用户时隙资源与功率资源的共享方案。具体工作如下:1)建立了对应的数学优化问题,为了解决该非凸优化问题,通过递推将优化问题等效转化为只有D2D功率与时隙两个优化变量的优化问题;2)推导了该两变量优化问题全局最优解的闭合表达式;3)在此基础上,提出了一个低复杂度的迭代算法(NOMA-OPT算法),基于此算法给出了D2D用户和蜂窝用户的功率和时隙共享分配方案。仿真结果表明,该算法给出的资源共享分配方案较已有方案在能量效率上有所提升。(二)针对用户能量收集的多载波D2D系统,在保证所有用户服务质量的前提下,基于最小化用户总发射功率,研究了D2D用户与蜂窝用户载波资源、时隙资源与功率资源的共享方案。具体工作如下:1)建立了对应的数学优化问题,并将其分解为一个载波指派问题与多个时隙与功率优化问题;2)针对每个载波上的时隙与功率优化问题,提出了一个迭代算法,得出每个载波上D2D用户指定情况下用户功率与时隙的最优分配方案,并证明了该迭代算法的收敛性;3)针对载波指派问题,以子载波上可以达到的最优功率作为权重,结合接入控制与KM算法给出了一种兼顾算法性能与复杂度的D2D用户载波分配方案。仿真结果表明,所提出的算法相较于传统的贪婪算法在最小化用户总发射功率方面性能有所提升。二、应用层面的利用D2D传输实现高效文件下发问题研究:在缓存设备容量受限条件下,分别在无中继与有中继场景下研究了D2D文件下发过程中文件缓存概率分配与无线资源分配问题,具体工作有以下两个:(一)在无中继的基于D2D传输功能的文件下发系统中,针对文件长度与流行度不等的文件库,基于最大化缓存命中概率,研究了每个文件在用户端存储概率的优化问题,具体工作如下:1)基于文件长度与流行度分布定义了一种衡量缓存命中概率的效用函数;2)给出了基于最大化系统缓存命中效用函数,优化文件缓存概率的数学优化问题,并证明了该问题为凸问题;3)针对该优化问题提出了一种基于对偶函数的高效优化算法,用以计算该系统中缓存分配的全局最优解。仿真结果表明该算法相较于经典算法在最大化缓存命中概率方面性能有所提升。(二)在有中继的基于D2D传输功能的文件下发系统中,假设D2D用户与中继设备均可实现文件分段缓存,并假定未下发数据可通过基站直连与中继传输两种模式下发,基于最小化系统平均传输时延,研究了下发模式选择、带宽与文件缓概率的联合优化问题,具体工作如下:1)给出了相应的数学优化问题,通过KKT条件得出了基站直连信道与中继传输信道的带宽的闭合表达式,并根据此将原优化问题化简为缓存分配与下发模式选择的问题;2)针对简化后的问题,提出了一个迭代算法分步解决了D2D用户与中继的缓存分配问题与下发模式选择问题,并得出结论:被请求概率高的文件应当被缓存,拥有较少未被缓存比特数的文件,在模式选择中应当选择基站直连的传输模式。仿真结果表明了该方案相较于其他缓存分配方案在降低系统时延上有更好的性能。