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蜂窝网络控制的设备间直接通信，即Device-to-Device(D2D)通信，是一种在蜂窝系统控制下使用授权频谱资源的移动终端间直接通信技术。在传统的蜂窝网络中应用D2D通信技术，一方面可以使短距离的D2D通信受益于蜂窝系统的集中式控制管理机制;另一方面，蜂窝系统的频谱效率也因为对高性能D2D链路的充分利用而得以大幅提高。目前，D2D通信已经成为未来无线通信系统中一项极具前景的关键候选技术。为了进一步提高D2D通信的频谱效率、促进D2D通信与蜂窝网络的融合，本论文对D2D通信中的关键技术进行深入研究，主要工作如下:
1.旨在增强蜂窝系统中多播传输的D2D簇内协作重传算法研究。分析了传统方案无法充分D2D信道容量上差异以实现频谱效率最大化的缺陷;推导了D2D重传的资源消耗量与重传发射者数目之间的函数关系，并给出最大化频谱效率意义上的最优重传发射者数目及其概率分布的闭合表达式;以此为依据，提出了两种自适应选择重传发射者数目和最优重传路由的D2D协作转发方案，即“最大化频谱效率的D2D簇内协作重传”和“有限信道反馈的D2D簇内协作重传”。前者包括最优子集划分算法和最优重传发射者选择策略两个部分，能使D2D重传的资源消耗量达到理论最小值;后者通过簇内信息交互、有限信息反馈和集中式最优化三个步骤，利用有限的D2D信道反馈信息使重传的频谱利用率逼近了理论最优值。所提方案均能充分利用重传中的多播增益和多信道分集增益，达到大幅提高D2D重传频谱效率之目的，且算法性能增益随着簇内终端数目或基站多播速率的上升而显著提高。
2.旨在提高蜂窝网络中的数据分发效率D2D协作转发算法研究。阐述了现有方案中D2D转发速率严重受限于协作簇内质量最差的若干条D2D链路的问题，提出了一种高效的基于多跳中继的D2D协作转发方案，其中包括“多跳多播”和“多跳单播”两种算法。通过自适应地选择最优的中继、路由、接收对象和传输跳数，所提算法能有效地避开协作簇内“容量瓶颈”，充分利用D2D多信道分集增益，提高终端间数据转发的资源利用率，进而大幅提升数据分发业务的吞吐量。此外，该算法的性能优势随D2D协作簇的增大而愈加明显。
3.蜂窝系统中D2D放大转发中继技术研究。推导了确保“OFDM多跳无符号间干扰传输”的最小循环前缀长度的表达式，阐述了现有D2D中继方案中循环前缀过长的局限性，提出了一种更新循环前缀的D2D放大转发方案。通过中继节点对循环前缀的删除及更新，该方案在不给目的节点的接收性能带来额外损失的前提下，显著地减少了循环前缀长度，从而获得了比现有方案更高的端到端吞吐量和频谱利用率。理论分析和仿真实验证明了所提算法的有效性。由于在基于OFDMA的中继增强型蜂窝网络中一跳和多跳传输共用一个循环前缀，因此该算法同样可提高一跳传输的效率。
4.D2D通信在ISM频段的共存机制和资源竞争策略研究。为了将D2D通信工作频段从蜂窝系统授权频段扩展到免费频段，讨论了D2D通信使用ISM频段所面临的若干问题，提出了一种基于CSMA/CA的D2D通信与WLAN系统共存机制;以此为基础，为进一步提高ISM频段上资源利用率和竞争公平性，提出了一种应用于D2D通信的分组信道监听和资源预调度方案。通过“D2D通信对分组”、“资源预调度”以及基于“正交信道监听序列”的资源竞争，该方案能够在确保竞争公平性的前提下有效提高D2D通信在ISM频段的频谱利用率，达到扩展现有D2D通信技术应用范围之目的。