Cette thèse étudie les communications directes entre les mobiles, appelées communications D2D, en tant que technique prometteuse pour améliorer les futurs réseaux cellulaires. Cette technologie permet une communication directe entre deux terminaux mobiles sans passer par la station de base. La modélisation, l'évaluation et l'optimisation des différents aspects des communications D2D constituent les objectifs fondamentaux de cette thèse et sont réalisés principalement à l'aide des outils mathématiques suivants: la théorie des files d'attente, l'optimisation de Lyapunov et les processus de décision markovien partiellement observable POMDP. Les résultats de cette étude sont présentés en trois parties. Dans la première partie, nous étudions un schéma de sélection entre mode cellulaire et mode D2D. Nous dérivons les régions de stabilité des scénarios suivants: réseaux cellulaires purs et réseaux cellulaires où les communications D2D sont activées. Une comparaison entre ces deux scénarios conduit à l'élaboration d'un algorithme de sélection entre le mode cellulaire et le mode D2D qui permet d'améliorer la capacité du réseau. Dans la deuxième partie, nous développons un algorithme d'allocation de ressources des communications D2D. Les utilisateurs D2D sont en mesure d'estimer leur propre qualité de canal, cependant la station de base a besoin de recevoir des messages de signalisation pour acquérir cette information. Sur la base de cette connaissance disponibles au niveau des utilisateurs D2D, une approche d'allocation des ressources est proposée afin d'améliorer l'efficacité énergétique des communications D2D. La version distribuée de cet algorithme s'avère plus performante que celle centralisée. Dans le schéma distribué des collisions peuvent se produire durant la transmission de l'état des canaux D2D ; ainsi un algorithme de réduction des collisions est élaboré. En outre, la mise en œuvre des algorithmes centralisé et distribué dans un réseau cellulaire, type LTE, est décrite en détails. Dans la troisième partie, nous étudions une politique de sélection des relais D2D mobiles. La mobilité des relais représente un des principaux défis que rencontre toute stratégie de sélection de relais. Le problème est modélisé par un processus contraint de décision markovien partiellement observable qui prend en compte le dynamisme des relais et vise à trouver la politique de sélection de relais qui optimise la performance du réseau cellulaire sous des contraintes de coût. / This thesis considers Device-to-Device (D2D) communications as a promising technique for enhancing future cellular networks. Modeling, evaluating and optimizing D2D features are the fundamental goals of this thesis and are mainly achieved using the following mathematical tools: queuing theory, Lyapunov optimization and Partially Observed Markov Decision Process (POMDP). The findings of this study are presented in three parts. In the first part, we investigate a D2D mode selection scheme. We derive the queuing stability regions of both scenarios: pure cellular networks and D2D-enabled cellular networks. Comparing both scenarios leads us to elaborate a D2D vs cellular mode selection design that improves the capacity of the network. In the second part, we develop a D2D resource allocation algorithm. We observe that D2D users are able to estimate their local Channel State Information (CSI), however the base station needs some signaling exchange to acquire this information. Based on the D2D users' knowledge of their local CSI, we provide an energy efficient resource allocation framework that shows how distributed scheduling outperforms centralized one. In the distributed approach, collisions may occur between the different CSI reporting; thus, we propose a collision reduction algorithm. Moreover, we give a detailed description on how both centralized and distributed algorithms can be implemented in practice. In the third part, we propose a mobile relay selection policy in a D2D relay-aided network. Relays' mobility appears as a crucial challenge for defining the strategy of selecting the optimal D2D relays. The problem is formulated as a constrained POMDP which captures the dynamism of the relays and aims to find the optimal relay selection policy that maximizes the performance of the network under cost constraints.