随着急剧增长的无线数据业务和不断增加的用户移动设备,运营商提出部署超密集异构蜂窝网络来满足用户增加的数据业务需求,并提高网络容量。在紧缺的频谱资源和能量资源的约束下,网络频谱效率、能量效率和经济效率成为运营商在运营网络时所关注的三个重要方面。为进一步提升网络容量以及更好地利用现有无线资源,研究者们考虑在蜂窝网络中引入设备间直连(D2D,Device-to-Device)通信技术来有效地卸载蜂窝网络数据业务并缓解基站业务压力。如何系统地进行网络规划、理论模型分析以及参数优化,使得超密集异构蜂窝网络能够高效地运行,已经成为业界重要的研究方向。本文首先介绍了高效超密集蜂窝网络的研究背景和研究意义,并对超密集小蜂窝网络和D2D通信技术做了相关介绍。针对超密集蜂窝网络中的业务卸载问题,本文随后讨论了利用D2D通信技术进行超密集蜂窝网络业务卸载的应用前景,并对运营商实际实施方案做了简要概述。之后,对评估无线通信网络性能的网络经济效率和网络能量效率做了相关介绍。然后,本文从网络经济效率的角度出发,考虑了运营商激励D2D发送者给附近其它用户共享流行内容的场景。利用随机几何工具将基站、用户、D2D发送者的空间分布抽象为二维点过程。分析了网络中不同层之间的干扰对蜂窝链路及D2D通信性能的影响,以及共享内容流行度对卸载蜂窝用户数的影响。得到了在满足用户一定数据速率要求的条件下,基站和D2D发送者的最小发送功率,以及网络经济效率的闭式表达式。并且,本文利用两阶段斯塔克伯格博弈理论对运营商激励D2D发送者共享流行内容进行数学建模,分析了在D2D通信的两种工作模式下(复用模式和正交模式),运营商达到最大网络经济效率的最优激励策略和最优带宽分配方案。最后,本文从网络能量效率的角度出发,对基于无线供能驱动的D2D通信卸载蜂窝网络业务进行了建模与分析。考虑了蜂窝网络中基站对D2D发送者进行无线射频能量传输的场景,D2D发送者随后利用收集到的能量对其附近其它用户进行流行内容共享。本文利用随机几何工具有效地揭示了网络中无线能量传输和无线信息传输的内在关系,并得到了D2D发送者的平均发送功率、基站的最小发送功率、D2D用户的中断概率和蜂窝用户的中断概率。研究发现,通过优化无线能量传输时间分配因子,运营商可达到最大网络能量效率。根据仿真结果显示,通过在基站侧部署大规模天线以及在用户之间共享流行度更高的业务,网络能量效率可以得到进一步提升。