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技术总是在变革中发展，移动通信系统在过去的几十年里迅速地由第一代移动通信技术(1G)发展到已经展开大规模商业部署的第五代移动通信技术(5G)，再到目前许多国家都在启动的第六代移动通信技术(6G)研究，移动通信技术已成为世界各国开展科技竞争的制高点。技术发展规律决定了每一代通信技术的标准都需要较长的时间才能够走向成熟，5G虽然已经开始商用，但从非独立组网到全面独立组网的持续演进仍需要时间，针对高带宽、低时延和广连接三大场景的不同应用仍在不断完善中，因此，5G相关技术仍将是学者和业界持续关注的热点。
目前，无线通信正在迅速地塑造着由数十亿设备连接扩展的未来，未来的智能城市主要由无线设备的无缝连接来驱动，智能终端设备的数量将持续迅速增加，移动通信承载的数据业务呈指数级别爆炸性增长，而无线频谱资源却日益短缺。因此，如何有效提升网络容量和无线频谱利用率仍是通信技术研究中的关键问题。设备到设备(D2D)终端直通技术作为5G的关键技术之一，具有其独特的结构和拓扑，通过在彼此靠近的设备之间以对等的方式重用频谱资源进行通信而无需经过基站或核心网络。由于D2D技术允许工作在授权频段来重用蜂窝网络的频率，能够在提高系统频谱效率的同时为用户提供较高质量的通信服务。并且D2D通信距离相对较短，信道质量较高，能够实现较高的传输速率和较低的时延与功耗，在提高能量效率的同时也提升了设备的续航能力。此外，D2D支持更灵活的网络架构和连接方法，能够提升链路灵活性和网络可靠性，提高系统吞吐量和公平性，提升用户体验和网络业务拓展能力。
然而，单纯依赖某一项技术已经无法满足5G以及下一代移动通信网络对于系统性能日益提高的要求。越来越多的研究者将D2D技术与大规模多输入多输出(MIMO)、非正交多址接入(NOMA)、毫米波(mmWave)和全双工等技术相结合，发挥各自的优势，以满足不同场景下的业务需求。
论文针对智能设备和数据中心的快速发展所带来的频谱资源紧张和网络安全问题，研究了蜂窝网中D2D通信的资源管理和安全策略。首先，设计了一种基于NOMA的D2D自适应中继辅助蜂窝下行通信的传输方案，有效提升了整个系统的吞吐量。然后，针对不完美串行干扰消除(SIC)情况，对基于NOMA的D2D通信中的功率分配进行优化以最大化D2D通信系统的可达速率，并分析了不同程度SIC对系统性能的影响。此外，在同一系统模型基础上，研究被动窃听场景下D2D通信的物理层安全，提出了一种满足系统保密速率最大化的最优功率分配策略。最后，考虑实际通信中的社交安全因素，研究了大规模蜂窝网中基于社交网络的安全中继选择问题。
论文的主要研究工作分为以下四个方面:
1.提出了一种基于NOMA的D2D自适应中继辅助蜂窝下行通信传输方案。考虑网络中的所有用户都具备SIC能力，蜂窝和D2D通信都采用NOMA方式进行传输，设计了一种两阶段的D2D用户以中继方式辅助蜂窝通信的传输方案。该方案在第一个时隙，基站采用NOMA技术向近端蜂窝用户和D2D对传输数据，在第二个时隙，D2D对的其中一个用户将被自适应地选择作为中继来转发基站给远端蜂窝用户的数据。与此同时，D2D发送端能够将其自身要发送的数据传输到D2D接收端，而蜂窝近端用户在接收到D2D用户的中继信号后可以再次执行SIC解码，从而提高系统的频谱效率。D2D发送端和接收端在每个时隙的操作会根据解码状态的不同而分别处理。通过对系统吞吐量的分析，进行了详细的仿真实验以揭示关键参数对其影响，同时，设计了一种蜂窝通信采用正交多址接入(OMA)而D2D通信采用NOMA方式的传输方案作为基准，通过仿真对比，所提方案显著的提升了系统的总吞吐量。
2.针对NOMA系统不完美SIC情况下的功率分配问题，提出了一种蜂窝网中D2D组通信的功率分配优化策略。针对蜂窝网上行通信中基于NOMA的D2D组通信模型，考虑不完美SIC的情况，建立了联合蜂窝用户的服务质量(QoS)保障和D2D用户发送功率约束条件下的D2D通信系统可达速率最大化问题。为获得有效的解决方案，利用KKT条件，并使用次梯度方法迭代更新拉格朗日乘子，实现了系统功率分配的优化。仿真结果表明，与采用平均功率分配的NOMA方案和OMA方案两种基准方案相比，所提出的功率分配方案明显提高了D2D系统的可达速率。同时，通过仿真对比不完美SIC参数对所提策略的D2D通信系统可达速率的影响，验证了SIC解码在NOMA技术中的重要性。
3.针对基于NOMA的D2D蜂窝网络中的物理层安全问题，提出了一种满足D2D组通信系统保密速率最大化的最优功率分配方案。基于第2项研究工作中的网络模型，考虑D2D组通信在被动窃听下的物理层安全，在保证每个D2D用户QoS和D2D发射总功率约束的条件下，通过优化D2D组通信的NOMA功率分配，建立D2D通信系统的保密速率最大化问题。根据KKT条件，推导出两种情况下最优功率分配的闭式解，进而通过对比两种情况下D2D通信系统的保密速率，得出最终的最优功率分配方案。与采用分数阶功率分配的NOMA方案和OMA方案两种基准方案对比，所提出的最优功率分配方案具有最高的系统保密速率和能量效率。
4.针对大规模蜂窝网络的实际通信场景，提出了一种基于社交网络的D2D通信的安全中继选择策略。定义了基于D2D最大通信距离的中继候选区域，考虑大规模蜂窝网络中基站和全部用户都服从泊松分布的场景，利用泊松点过程(PPP)方法分别推导了无中继D2D链路和中继辅助D2D链路的中断概率的闭合表达式。然后，建立了社交网络的系统模型，并基于用户间的社交关系设计了一种安全评价系数，在定义的中继候选区域内，提出了一种基于社交网络的D2D通信系统中的安全中继选择策略。与基于距离的中继选择方法对比，基于社交网络的中继选择方案的安全性能显著提升。
目前，无线通信正在迅速地塑造着由数十亿设备连接扩展的未来，未来的智能城市主要由无线设备的无缝连接来驱动，智能终端设备的数量将持续迅速增加，移动通信承载的数据业务呈指数级别爆炸性增长，而无线频谱资源却日益短缺。因此，如何有效提升网络容量和无线频谱利用率仍是通信技术研究中的关键问题。设备到设备(D2D)终端直通技术作为5G的关键技术之一，具有其独特的结构和拓扑，通过在彼此靠近的设备之间以对等的方式重用频谱资源进行通信而无需经过基站或核心网络。由于D2D技术允许工作在授权频段来重用蜂窝网络的频率，能够在提高系统频谱效率的同时为用户提供较高质量的通信服务。并且D2D通信距离相对较短，信道质量较高，能够实现较高的传输速率和较低的时延与功耗，在提高能量效率的同时也提升了设备的续航能力。此外，D2D支持更灵活的网络架构和连接方法，能够提升链路灵活性和网络可靠性，提高系统吞吐量和公平性，提升用户体验和网络业务拓展能力。
然而，单纯依赖某一项技术已经无法满足5G以及下一代移动通信网络对于系统性能日益提高的要求。越来越多的研究者将D2D技术与大规模多输入多输出(MIMO)、非正交多址接入(NOMA)、毫米波(mmWave)和全双工等技术相结合，发挥各自的优势，以满足不同场景下的业务需求。
论文针对智能设备和数据中心的快速发展所带来的频谱资源紧张和网络安全问题，研究了蜂窝网中D2D通信的资源管理和安全策略。首先，设计了一种基于NOMA的D2D自适应中继辅助蜂窝下行通信的传输方案，有效提升了整个系统的吞吐量。然后，针对不完美串行干扰消除(SIC)情况，对基于NOMA的D2D通信中的功率分配进行优化以最大化D2D通信系统的可达速率，并分析了不同程度SIC对系统性能的影响。此外，在同一系统模型基础上，研究被动窃听场景下D2D通信的物理层安全，提出了一种满足系统保密速率最大化的最优功率分配策略。最后，考虑实际通信中的社交安全因素，研究了大规模蜂窝网中基于社交网络的安全中继选择问题。
论文的主要研究工作分为以下四个方面:
1.提出了一种基于NOMA的D2D自适应中继辅助蜂窝下行通信传输方案。考虑网络中的所有用户都具备SIC能力，蜂窝和D2D通信都采用NOMA方式进行传输，设计了一种两阶段的D2D用户以中继方式辅助蜂窝通信的传输方案。该方案在第一个时隙，基站采用NOMA技术向近端蜂窝用户和D2D对传输数据，在第二个时隙，D2D对的其中一个用户将被自适应地选择作为中继来转发基站给远端蜂窝用户的数据。与此同时，D2D发送端能够将其自身要发送的数据传输到D2D接收端，而蜂窝近端用户在接收到D2D用户的中继信号后可以再次执行SIC解码，从而提高系统的频谱效率。D2D发送端和接收端在每个时隙的操作会根据解码状态的不同而分别处理。通过对系统吞吐量的分析，进行了详细的仿真实验以揭示关键参数对其影响，同时，设计了一种蜂窝通信采用正交多址接入(OMA)而D2D通信采用NOMA方式的传输方案作为基准，通过仿真对比，所提方案显著的提升了系统的总吞吐量。
2.针对NOMA系统不完美SIC情况下的功率分配问题，提出了一种蜂窝网中D2D组通信的功率分配优化策略。针对蜂窝网上行通信中基于NOMA的D2D组通信模型，考虑不完美SIC的情况，建立了联合蜂窝用户的服务质量(QoS)保障和D2D用户发送功率约束条件下的D2D通信系统可达速率最大化问题。为获得有效的解决方案，利用KKT条件，并使用次梯度方法迭代更新拉格朗日乘子，实现了系统功率分配的优化。仿真结果表明，与采用平均功率分配的NOMA方案和OMA方案两种基准方案相比，所提出的功率分配方案明显提高了D2D系统的可达速率。同时，通过仿真对比不完美SIC参数对所提策略的D2D通信系统可达速率的影响，验证了SIC解码在NOMA技术中的重要性。
3.针对基于NOMA的D2D蜂窝网络中的物理层安全问题，提出了一种满足D2D组通信系统保密速率最大化的最优功率分配方案。基于第2项研究工作中的网络模型，考虑D2D组通信在被动窃听下的物理层安全，在保证每个D2D用户QoS和D2D发射总功率约束的条件下，通过优化D2D组通信的NOMA功率分配，建立D2D通信系统的保密速率最大化问题。根据KKT条件，推导出两种情况下最优功率分配的闭式解，进而通过对比两种情况下D2D通信系统的保密速率，得出最终的最优功率分配方案。与采用分数阶功率分配的NOMA方案和OMA方案两种基准方案对比，所提出的最优功率分配方案具有最高的系统保密速率和能量效率。
4.针对大规模蜂窝网络的实际通信场景，提出了一种基于社交网络的D2D通信的安全中继选择策略。定义了基于D2D最大通信距离的中继候选区域，考虑大规模蜂窝网络中基站和全部用户都服从泊松分布的场景，利用泊松点过程(PPP)方法分别推导了无中继D2D链路和中继辅助D2D链路的中断概率的闭合表达式。然后，建立了社交网络的系统模型，并基于用户间的社交关系设计了一种安全评价系数，在定义的中继候选区域内，提出了一种基于社交网络的D2D通信系统中的安全中继选择策略。与基于距离的中继选择方法对比，基于社交网络的中继选择方案的安全性能显著提升。