蜂窝网络中的设备间(Device-to-Device, D2D)通信可以使用户在基站的协助下直接在授权频段或其他频段上传输数据,能够有效提升频谱效率。但是,现有研究D2D通信的大部分工作并未考虑实际的应用场景及业务类型。针对此问题,本文根据具体的应用场景和业务类型,深入研究了面向不同业务的D2D通信的网络框架以及最优化传输调度策略。本文的主要研究内容包括：研究了面向非实时数据传输的D2D通信辅助协作通信问题。针对蜂窝网络的下行非实时数据传输,提出了一种D2D通信辅助协作框架,通过认知无线电获取小区频段之外的白区频段,构成频带外D2D通信以实现全双工协作通信,突破传统协作通信的性能瓶颈。我们在所提框架下给出最优化传输调度策略,综合考虑传输模式选择、中继选择、子信道分配及发射功率控制,以实现网络效用的最大化。我们采用对偶分解法获取最优传输调度方案,能够有效地提升网络效用、网络吞吐量和公平性。研究了面向实时视频传输的D2D通信辅助缓存共享问题。针对移动视频组播,提出了一种D2D通信辅助缓存框架,通过利用两种类型的社交关系,即社交信任与社交互惠,激励用户通过D2D通信进行缓存共享。所提框架考虑了独特的视频编码结构,以在进行缓存共享时尽可能恢复不完整的视频帧。我们在所提框架下给出最优化的传输调度策略,综合考虑用户分组以及频谱分配,以实现视频质量和用户观看视频体验的提升。我们基于联盟博弈分布式地获取用户分组方案,同时给出最优频谱分配方案,能够有效提升视频质量以及用户体验。研究了面向智能电网数据传输的D2D通信辅助中继通信问题。针对智能电网环境下小区中时延敏感数据的传输,我们提出了一种D2D通信辅助中继框架,利用差异化的数据速率需求,构成频带内频谱衬垫型D2D通信以强化中继通信中较弱的接入链路,突破传统中继通信的性能瓶颈。我们在所提框架下给出最优化传输调度策略,综合考虑传输模式选择D2D通信链路/小区链路配对、中继选择及发射功率控制,以实现总体信息损失率的最小化。考虑到局域网时延的不确定性,最优化传输调度问题被描述为一个两阶段的随机规划问题。我们首先给出分布式获取D2D通信链路/小区链路配对方案的方法,随后提出一种分布式实时传输调度算法,能够有效降低总体信息损失率以及带宽需求峰值。