随着局域应用和智能终端的不断涌现,近距离移动数据业务迅速增多,随之而来的是移动设备消耗网络流量的骤增,这迫使运营商们面临着移动通信网络终端能耗、小区覆盖率、频谱和能量效率等性能方面的大幅度提升。此时对设备直通通信(Device-to-Device Communication, D2D)的重视迅速升温,因为大量研究表明D2D通信作为5G系统的一项关键技术,具有充分解决这些问题的潜在优势。D2D通信能够充分利用近距离通信设备对之间良好的信道环境,允许邻近用户终端之间通过复用传统蜂窝网络频带资源直接进行数据传输和信息交换,而不需要使用中心节点基站的中继。这不但可以减少基站的负荷、提高频带利用率,而且可以增大网络容量、扩大小区覆盖范围,同时降低终端能耗和通信时延进而提升用户体验。然而,D2D通信复用传统蜂窝通信的网络资源却可能给现存的蜂窝链路带来严重的同频干扰,因此,需要设计合理的无线资源分配方案来使这种干扰可控以便充分发掘D2D通信的优势。针对上述问题,本文主要设计了两种不同场景下D2D链路复用蜂窝网络上行链路的无线资源分配方案进行多个系统目标性能的优化。具体工作分为两部分：第一部分,在单信道对应单链路场景下提出联合功率控制和信道分配的资源分配方案来完整的考虑系统各整体性能指标,所涉及的优化目标包括：终端总能耗、系统频带利用率、终端总能效、接入链路数目和最差接入链路性能这5个系统核心性能指标,与此同时保证所有接入链路的服务质量(Quality of Service, QoS)需求。该方案分两步实现：第一步,在对单条D2D链路进行可行性检测的基础上,通过功率控制得出能耗、吞吐量和能效的最优值以及对应两类链路各自的最优发射功率；第二步基于功率优化的反馈信息进行信道资源的优化,对前四个优化目标的优化可以等价于二分图最大权值匹配问题,借助匈牙利算法解出最优解；对目标最大化最差接入链路速率的优化问题,借助瓶颈分配问题进行建模,并联合门限调整和增广路径搜索算法得到最终信道分配最优解。第二部分,继续研究基于单条D2D链路可以复用多条连续的LTE-Advanced上行链路场景,采用联合功率控制和信道分配的资源分配机制来优化D2D链路的多个性能目标,主要包括总吞吐量、能耗和接入链路数目,并保证传统蜂窝链路的最低QoS需求。该方案仍然分为两步：底层功率控制部分考虑给定信道组合下三个优化目标的最优解,证明了原问题属于凸优化,继而利用Karush-Kuhn-Tucker条件分析得到最优解；基于功率优化的结果,上层的信道分配部分等价于整数线性规划问题,一般意义下属于NP-hard难题,因此我们提出基于组合拍卖的分配机制来实现性能与复杂度之间的折中。最后,通过仿真对比观察和分析了各个优化目标之间的折中关系,验证了所提联合资源分配机制的有效性,并充分展示了联合无线资源分配的优势。