随着移动互联网的快速发展和智能终端设备的普及,移动业务呈现爆炸式增长。为了满足人们持续增长的高数据速率需求,移动通信系统从传统的宏蜂窝架构向包含多种密集布设的微蜂窝基站且支持终端直通技术(D2D,Device-to-Device)的异构网络架构演进。一方面,密集布设微蜂窝基站可以有效增强网络信号盲区和热点地区的覆盖情况;另一方面,作为第五代移动通信系统(5G,The 5th Generation Mobile Communication)的备选方案,D2D技术允许距离较近的移动终端复用蜂窝资源直接进行通信,从而达到提升频谱效率、减小基站负载的目的。与此同时,各种新型移动应用的涌现使得网络中不同小区的业务量呈现出突发性和时变特性,造成网络中业务分布的不对称性。时分双工技术(TDD,Time Division Duplex)通过灵活调整上下行子帧的配置来匹配不对称业务,可有效提升网络资源的利用率。为了更好地适应移动业务的动态变化特性,动态TDD技术允许基站根据当前小区的瞬时业务变化来动态调整上下行子帧配置。因此,基于TDD的异构网络将是未来网络的重要形态。基于TDD的异构网络中存在多种类型的干扰,包括宏蜂窝与微蜂窝之间的层间干扰、宏蜂窝/微蜂窝的层内干扰、D2D终端与宏蜂窝/微蜂窝之间的层内干扰、以及复用相同蜂窝资源的D2D终端之间的层内干扰。同时,动态TDD技术的引入会带来交叉子帧干扰问题(即下行基站对上行基站的干扰和上行终端对下行终端的干扰),加重了网络中的干扰。这些复杂的干扰问题成为制约网络性能提升的主要因素。因此,在基于TDD的异构网络中,如何设计高效的动态资源管控机制来有效克服干扰的影响成为一个重要研究方向。本文的主要研究内容简述如下:1、提出了一种基于动态TDD的匹配网络业务分布的最优资源分配方法,该方法可最小化小区的服务时间并最大化网络的能效。在基于TDD的大规模微蜂窝系统中,本文第二章首先根据网络中小区的业务需求将小区进行分类,研究了不同业务负载对蜂窝链路成功传输概率的影响。然后在给定微蜂窝基站和终端业务需求分布的情况下,以最小化每类小区的服务时间为目标,求解出了与每类小区上下行业务需求最优匹配的上下行子帧配置因子,并利用动态TDD技术配置上下行子帧,实现了网络业务与资源的最优匹配。与传统的半静态TDD方式相比,我们发现在小区间业务需求差异较大时,利用动态TDD技术可以极大地减小网络的平均服务时间。进一步,我们又研究了网络的能效与资源分配的关系。结果表明提出的上下行子帧配置方案不仅可以最小化小区服务时间,还可以最大化网络能效。2、提出了一种适用于动态TDD的异构蜂窝和D2D共存的混合网络干扰建模方法,并设计了一种D2D终端的信道接入机制,该机制可有效缓解D2D终端与蜂窝终端之间的相互干扰,提升链路的成功传输概率和网络的吞吐量性能。本文第三章首先利用随机几何理论对上述网络的干扰进行建模,并求解出蜂窝链路和D2D链路的成功传输概率及网络的平均吞吐量表达式。其次,研究了上下行子帧配置因子、基站密度和偏置因子等网络重要性能参数对蜂窝链路的上下行成功传输概率的影响,以及D2D终端的接入机制对网络吞吐量的影响。同时,还对链路成功传输概率和D2D终端活动性的折衷关系进行了深入研究,得到了最大化网络吞吐量的D2D终端信道接入参数。3、在基于TDD方式的蜂窝网络中设计了一种分布式D2D协作传输机制来有效提升网络的吞吐量和能效。本文第四章在单小区TDD蜂窝网络中,考虑D2D终端复用蜂窝上行信道资源的场景,D2D终端通过与蜂窝用户并传来接入信道,并帮助蜂窝用户重传来弥补并传时造成的蜂窝吞吐量损失。在所设计的D2D协作传输机制中,挖掘了D2D用户与蜂窝用户之间、以及D2D用户之间的协作增益,使得在保证蜂窝用户服务质量(QoS,Quality of Service)的前提下,有效提升混合系统的频谱效率和能效。当信道服从瑞利衰落时,我们求得了蜂窝终端和D2D终端的归一化吞吐量表达式,并分析了网络的能效。仿真结果说明了所提协作D2D传输机制在提升网络吞吐量和能效上的优越性。