Σκοπός της διατριβής είναι να μελετηθούν και να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις που προκύπτουν από την εισαγωγή φεμτοκυψελών και την υιοθέτηση επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή σε κυψελωτά Long Term Evolution - LTE και LTE-Advanced - LTE-A δίκτυα με φεμτοκυψέλες και με επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή. Αρχικά μελετήθηκαν τα LTE/LTE-A κυψελωτά δίκτυα ως προς το φυσικό επίπεδο, την αρχιτεκτονική και τις παρεμβολές, αποτυπώνοντας και την τρέχουσα κατάσταση στο τομέα της προτυποποίησης των φεμτοκυψελών και των επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή. Ακολούθησε μια συγκριτική μελέτη μηχανισμών διαχείρισης παρεμβολών σε κανάλια ελέγχου ενός LTE/LTE-A δικτύου με φεμτοκυψέλες και ένας καινοτόμος μηχανισμός ελέγχου ισχύος για μεταδόσεις φεμτοκυψελών, βασισμένος στην ποιότητα εμπειρίας στο τελικό χρήστη. Η δουλειά αυτή άνοιξε νέους ερευνητικούς ορίζοντες, όπου το επίπεδο ικανοποίησης του τελικού χρήστη παίζει ενεργό ρόλο στη διαχείριση του δικτύου. Στην συνέχεια, το κύριο βάρος της μελέτης μεταφέρθηκε στο πρόβλημα της διαχείρισης του φάσματος και των παρεμβολών στο πολύ πιο δυναμικό περιβάλλον ενός κυψελωτού δικτύου όπου επιτρέπονται οι επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή. Σε πρώτη φάση, θεωρήθηκε ένα σύνολο από ζεύγη συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους με επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή και προτάθηκε ένας μηχανισμός συλλογής πληροφορίας παρεμβολών και ένα σχήμα ανάθεσης πόρων βασισμένο στη θεωρία γράφων. Το κύριο αποτέλεσμα της μελέτης αυτής ήταν πως αν και υψηλά επίπεδα χωρικής επαναχρησιμοποίησης μπορούν να επιτευχθούν, η συλλογή και η επεξεργασία πληροφορίας παρεμβολών είναι ένα πολύπλοκο πρόβλημα το οποίο απαιτεί και επιπλέον πόρους σηματοδοσίας. Έτσι, προτάθηκε και αναλύθηκε μίας λύση βασισμένη στον ανταγωνισμό. Μαθηματική ανάλυση του σχήματος έδειξε ισχυρή εξάρτηση των επιδόσεων από το πλήθος των χρηστών που ανταγωνίζονται για το φάσμα. Σε μια προσπάθεια περιορισμού του πλήθους των ανταγωνιζόμενων χρηστών μόνο σε αυτούς που βρίσκονται σε γειτνίαση, μελετήθηκε το πρόβλημα της ανίχνευσης γειτονικής συσκευής. Προτάθηκαν βελτιώσεις στο LTE/LTE-A δίκτυο πρόσβασης ώστε να επιτρέπεται η ανάθεση φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης γειτονικών συσκευών. Παράλληλα, δεδομένου ότι και για τις μεταδόσεις αυτές απαιτείται η κατανάλωση φάσματος, σχεδιάστηκε και αξιολογήθηκε λύση βασισμένη στη χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος. Το βασικό συμπέρασμα ήταν ότι λόγω των χαμηλών απαιτήσεων ποιότητας των μηνυμάτων ανίχνευσης, μπορεί να επιτραπεί η χωρική επαναχρησιμοποίηση του κυψελωτού φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης συσκευής.