随着无线通信技术的迅速发展,无线网络架构及其关键技术也在不断进行更新换代。目前,基于传统的宏蜂窝移动通信系统架构下,移动运营商通常覆盖一层低功耗的微蜂窝、同时支持终端直通(Device-to-Device,D2D)等新的无线接入方式,从而构建高效的无线异构蜂窝网络。无线异构网络不仅能够为移动用户提供实时高效的无缝泛在无线接入、极大地提升网络频谱效率,同时能够为宏蜂窝边缘(即"盲区")以及热点地区(即"忙区")等特殊区域中的移动用户提供稳定可靠的服务质量,并最终解决现有移动网络中广泛存在的"确定性的网络服务能力与时空动态性、不均匀性的用户通信需求"二者之间的矛盾。然而,构建高效的无线异构网络并实现对D2D模式的有力支持仍然面临巨大挑战。首先,异构网络中存在的严重层间干扰问题限制了网络频谱效率的有效提升;其次,移动业务量潮汐效应的存在严重降低了异构网络的能量效率;再次,D2D链路与蜂窝链路之间存在的负载不均衡问题导致整个网络资源(包括频谱资源和能量资源)利用率的严重下降。针对上述难题,本论文紧密围绕无线异构网络中的资源优化问题开展研究,采取包括功率控制、频谱共享、基站休眠、干扰管理等在内的多种技术手段,对无线异构网络的频谱效率与能量效率进行优化,最终实现整个网络系统容量以及数据吞吐量的有效提升。论文的主要创新点体现在以下三个方面:(1)改进了现有无线网络通常采用的"随机用户配对"模式,构建了"基于用户配对调度的非合作功率博弈"模型,相比传统的"基于随机配对模式"的功率博弈算法,所提出的模型充分考虑了用户空间分集增益对系统容量的影响,分析宏蜂窝用户与微蜂窝用户二者之间地理位置的差异性,并借助于上述差异性所造成的用户路径损耗差异来求解一种最优的用户配对调度方式。在此基础上,提出基于用户配对调度的上行非合作功率控制博弈算法,有效地降低了异构网络的层间干扰。(2)拓展了现有的无线网络能量效率优化算法中通常采用的"单一维度优化",深入分析"部分频谱复用与基站休眠技术"的本质特征,围绕频谱和基站密度这两个维度进行优化,推导出"部分频谱复用因子"和"宏/微蜂窝密度比"二者之间的闭式关联属性,并基于此提出了"联合优化基站休眠与部分频谱复用"机制。该机制能够保证在不损害异构网络数据速率的前提下显著降低网络整体能耗,从而有效地提升无线异构网络的能量效率。(3)增强了D2D通信中的双工模式,充分考虑全双工D2D通信带来的技术优势,构建了全双工D2D通信中的非均匀泊松点分布干扰分析模型,推导出基于全双工D2D的衬底式蜂窝网络吞吐量上/下极限的闭式解。此外,提出了一种"动态蜂窝链路质量保护"机制,有效地解决了传统蜂窝用户与D2D用户之间的负载不均衡问题,显著提升了异构网络用户的服务质量。综上所述,本论文围绕无线异构网络资源优化技术展开深入研究,论文的主要贡献包括:①提出了基于用户配对调度的上行非合作功率控制博弈算法,实现异构网络频谱效率提升30%;②提出了基于部分频谱复用和基站休眠的联合优化机制,实现异构网络能量效率提升50%;③提出了动态蜂窝链路质量保护机制,有效地解决了D2D衬底式蜂窝网络中传统蜂窝用户与D2D用户之间广泛存在的负载不均衡问题。上述研究成果为进一步提升未来无线异构网络资源利用率与系统容量提供重要的理论依据和技术支撑。