随着无线通信技术的飞速发展以及移动用户对高速率数据业务需求的不断提升,移动通信系统经历了由模拟系统到第4代移动通信系统的多次变革与演进。LTE-Advanced系统作为准4G系统—LTE的进一步演进,通过引入协作多点(CoMP)传输、终端直通(D2D)通信等多种关键技术,达到提高系统频谱效率、增强网络覆盖能力、降低小区基站负载的目标。另一方面,LTE-Advanced系统中伴随着多媒体业务的急剧增长和网络规模的不断扩容,所产生的能源紧缺和环境污染问题也愈加严重,在未来无线通信系统中,频谱效率的提升不再是衡量网络性能的唯一标准,非可再生能源供给下的能量效率以及绿色能源供给下的网络可持续性,已成为新一代移动通信网络的设计准则。然而由于移动通信系统中无线资源的稀缺性与无线信道的不稳定性,如何对有限的资源进行合理配置以满足用户的业务需求和网络的各类性能指标,是LTE-Advanced系统需要研究的核心问题。本论文对LTE-Advanced系统中的无线资源分配技术进行了深入的研究,针对CoMP网络和D2D辅助通信的蜂窝网络,采用智能群体优化、凸优化、分数规划以及排队论等技术手段,提出了关于能量资源、时频资源和空域资源的优化分配策略。本文将性能指标的演进作为贯穿全文的线索,按照由频谱效率到能量效率再到能量供给可持续性的顺序逐层展开,形成了以下几个方面的研究内容和创新：1.针对CoMP JT网络场景,分别从启发式和最优化两个角度出发研究了基于容量最优的频谱资源分配策略。对于启发式的频谱资源分配策略,首先提出了种半动态协作集合选择方法,解决了协作节点选取问题中性能与复杂度开销之间的矛盾,然后在此基础上设计了适用于协作集重叠的频谱资源分配算法,该算法为中心用户和边缘用户提供平等的机会去使用频谱资源,在保证用户公平性的同时提升了小区用户的平均吞吐量。接下来从最优化的角度出发,提出了基于改进粒子群优化的频谱资源分配策略,该策略重点分析了边缘用户性能与系统整体性能之间的关系,通过引入边缘用户权重因子控制目标函数中边缘用户吞吐量所占比例,构建了CoMPJT下频谱分配的有约束非线性0一1规划模型,并根据问题模型对二进制变量优化、约束处理和加速收敛等方面进行改进,进一步形成了适用于CoMP JT频谱资源分配的二进制约束型粒子群优化算法,该算法通过调整权重因子的取值有效地均衡了边缘用户和系统整体的性能,在权重因子设置合理的情况下相比于现有方法对边缘用户吞吐量和系统整体吞吐量均有较大的提升。2.针对蜂窝与D2D混合网络,提出了一种基于容量最优的频谱与功率分配策略。该策略通过对D2D用户复用蜂窝上行链路资源时的干扰场景进行分析,以最大化系统总容量为目标对蜂窝用户与D2D用户的资源分配进行全局统一建模,该模型不再限制使用相同频谱资源的D2D用户数以及D2D用户可复用的资源数,从而提升了D2D资源复用的自由度。为了降低求解复杂度将容量优化问题分解为两个子问题,并进一步设计了两阶段资源分配策略。首先基于增量贪婪的思想,提出了改进的贪婪频谱分配算法,算法中通过引入用户交换和剔除操作避免分配结果陷入局部最优；在频谱分配结果确定后,采用拉格朗日对偶理论将功率优化问题转化到相应的对偶域求解,并提出了基于两层迭代的最优功率分配算法。以上资源分配策略根据信道状态信息动态调整蜂窝用户与D2D设备所使用的RB以及在各RB上的传输功率,在保证蜂窝用户性能的基础上提升了D2D用户的传输速率和网络的总容量。3.针对CoMP CS/CB下行多天线场景,分别提出了基于能量效率最大化和基于能量效率一频谱效率折中的协调用户调度、波束赋形和功率分配策略。为了有效地度量网络的能量效率,首先综合考虑数据传输、信号处理、回程链路损耗等各方面的能量消耗,对多小区协作系统的总功耗进行数学抽象,进而结合系统总容量分析获得能效优化目标。基于该目标针对第一类能效最大化问题构建了关于波束赋形向量与用户调度策略的分数规划模型,然后基于丁克尔巴赫定理将原问题转化为含参量的非分数形式等价问题并采用牛顿迭代算法对最优能效进行求解。对于牛顿迭代算法中内嵌的子优化问题,分别设计了基于一阶最优条件的迭代波束赋形向量优化算法和改进的贪婪用户调度算法。所提算法能够快速收敛到能效最优解,并且对系统能量效率有较大的提升。对于第二类基于能量效率-频谱效率折中的无线资源优化问题,通过引入最低速率约束使得每个用户的传输质量得到有效保证。在问题的求解过程中,首先综合牛顿迭代算法和二分法的优势,采用基于改进二分搜索的资源分配算法进行能效寻优,随后进一步提出了基于一阶凸近似的子问题求解方法和基于比特加载的速率约束优化算法。仿真结果表明,所提算法通过调整最低速率限制实现了用户速率与能量效率的有效均衡。4.针对可再生能源供给的CoMP网络和蜂窝与D2D混合网络,分别设计了基于能量可持续性的无线资源分配策略。由于可再生能源的供给能力具有高动态时变特性,因此基站中储能的变化过程是一个随机过程,首先借助排队理论,对能量变化过程的统计特性进行分析,将该过程建模为G/G/1排队模型,并进一步推导出了关于能量可持续时长的条件概率密度函数和均值表达式。接下来对可再生能源供给CoMP网络中的无线资源分配问题进行抽象建模,在建模过程中为了保证网络整体的不间断通信和各基站之间的公平性,将最大化最小能量可持续时长作为资源分配的优化目标,并综合考虑了用户的QoS需求。对于问题的求解,结合能量可持续时长的统计特性分析获得了关于基站传输功率的两个等价约束,并提出了一种低复杂度的半分布式迭代资源分配算法,该算法在保证用户传输性能的基础上提升了CoMP网络整体的可持续性。最后研究了可再生能源供电下D2D通信网络的功率分配问题,通过变量代换克服了原问题的非凸特性并获得了全局最优功率的闭式解,进一步提出了基于拉格朗日对偶理论的迭代功率分配算法。该算法以D2D用户传输总速率为优化准则,综合考虑了网络的可持续工作时长、蜂窝用户的QoS需求、基站与用户的发射功率限制等约束条件。仿真结果表明,所提出的算法在保证基站正常能量供给的同时,有效地提升了D2D通信所带来的性能增益。