随着移动互联网技术的发展,位置相邻用户之间的数据通信业务也在逐渐增多,所以,用户设备之间的直接通信(D2D)技术正在受到越来越多的关注。本文通过对移动蜂窝网中的D2D通信进行流级性能分析,分析了overlay和underlay两种频谱复用方式下,系统的平均时延和平均吞吐量等性能指标,并进一步研究了最优性能下相关系统参数的优化设置问题。在overlay方式下的D2D与蜂窝混合网络中,频谱分配系数和模式选择门限是两个十分重要的系统参数。在现有的研究中,通常假设系统中用户数量是固定的,用户的业务队列为无限积压模型,从而对系统进行分组级性能分析。但是在本文的研究中,我们将进行流级性能分析,在流级模型中,系统中的用户数量随数据流的到达和离开而动态随机变化,更符合实际网络情形。在研究中,本文使用队列模型来分析系统的流级性能,在队列模型中有一个调度器,将到达系统的业务分发给两个相互独立的处理器共享服务器。通过推导,可以得到平均用户数量、平均时延和平均吞吐量等性能指标的闭合表达式,并进一步可以求得最优频谱分配系数和最优模式选择门限,为overlay方式下系统设计时的参数设置提供了有效的参考意见。最后,仿真与理论分析结果的对比证明了该分析模型的正确性。在underlay方式下的D2D与蜂窝混合网络中,D2D通信与蜂窝通信共用相同的频谱。本文建立一个具有两类队列的双处理器队列系统模型来对系统进行流级性能分析。并假设用户位置分布服从随机点过程,从而得到系统的服务速率。由于队列模型的状态空间随着D2D用户和蜂窝用户数量的增加呈指数增长趋势,所以本文使用模型分解和循环迭代的方法来求解稳态概率分布,并得到平均时延和流传输的平均能量消耗等性能指标的计算结果。最后,通过仿真与理论结果的对比证明理论分析的正确性。本文建立的该流级性能模型在进行underlay方式下的实际网络搭建时也是具有应用价值的,可以为系统中D2D通信相关参数的设置提供参考意见。