终端直通（Device-to-Device,D2D）通信技术作为下一代无线网络中的新兴技术,将流量从传统的网络中心实体转移到D2D网络,开辟了以设备为中心的通信新领域。D2D通信技术除了可以增加网络容量外,还可以降低基站（Base Station,BS）的计算复杂度。然而,异构蜂窝网络（Heterogeneous Cellular Networks,Het CNets）当中相互干扰的存在严重影响了系统性能。此外,海量数据的传输也给容量有限的回程链路带来了巨大的时延及能耗问题。启用内容缓存技术被认为是减少回程链路上文件传输的高延迟压力的有效方法。然而,文件传输对服务质量（Quality-of-Service,Qo S）有不同的要求,小型基站（Small Base Stations,SBSs）的密集化会消耗更多的能量。因此,如何实现不同小区间的干扰管理,如何解决大量用户重复请求相同内容所带来的时延及能源消耗,是目前Het CNets亟需解决的关键技术问题。基于上述考虑,论文研究的主要内容如下:第一,概述Het CNets中的基础理论,包括Het CNets架构、D2D通信技术、随机几何基础以及内容缓存基础。第二,针对D2D用户与不同类型的蜂窝用户共用同一频谱资源带来的同频干扰问题,提出了联合模式选择和功率控制的干扰管理方案。所提出的方案能够利用功率控制对干扰限制区域（Interference Limited Area,ILA）进行动态调整。此外,根据不同的ILA,用户可以选择不同的通信方式,解决单一通信方式造成的频谱资源浪费问题。数值分析结果表明:与其他方案相比,该方案能够显著提高不同通信链路的覆盖概率性能,特别是在高信干噪比情况下,说明该方案能够有效解决用户通信之间的干扰问题。所提出的模式选择方法在高负载系统中,和数据速率明显优于以往的模式选择方法。第三,针对文件传输在回程链路带来的高时延压力,以及由于文件传输有不同的Qo S要求,密集部署SBSs将消耗更多能量的问题,建立了时延-能耗折衷的模型并对其进行优化,采用基于能量消耗和时延加权和的效用函数,将时延-能耗优化问题定义为一类多目标优化问题,并提出了一种由功率控制、用户关联和内容缓存联合执行的机制。利用广义Benders分解方法进一步分解优化问题,其中,首问题利用功率感知的用户关联来动态地连接到不同BS,主问题则采用最优内容缓存策略,根据用户请求的文件内容流行度,将文件分别放置在不同的SBSs上。此外,为了得到优化问题的最优解,提出了一种迭代功率感知的用户关联和内容缓存算法（Power-Aware User Association and Content Caching,PAUA-CC）。数值模拟结果表明:所提出的方法可以在文件传输时延和能耗之间实现最佳权衡。