Cette thèse porte sur plusieurs technologies de déchargement cellulaire pour les futurs réseaux sans fil avec l’amélioration envisagée sur la efficacité spatiale du spectre et l’efficacité énergétique. Notre recherche concerne deux directions principales, y compris la communication D2D underlaid dans les réseaux cellulaires et le caching proactif au bord de réseau.La première partie de cette thèse contient deux chapitres qui présentent nos résultats de recherche sur les réseaux cellulaire avec D2D underlaid. Notre recherche se focalise sur l’accès opportuniste distribué, dont la performance en termes du débit D2D est optimisé dans deux scénarios: 1) en supposant que l’utilisateur cellulaire avec un trafic saturé peut avoir une probabilité de couverture minimale; 2) en supposant que le trafic discontinu à l’utilisateur cellulaire, dont le délai moyen doit être maintenue au-dessous d’un certain seuil. La deuxième partie de cette thèse se focalise sur les méthodes de caching proactif au bord de réseau, y compris le caching aux petites cellules et aux appareils des utilisateurs. Tout d’abord, nous étudions le placement de contenu probabiliste dans différents types de réseaux et avec différents objectifs d’optimisation. Deuxièmement, pour le caching aux petites cellules, nous proposons un schéma coopérative parmi les petites stations de base, qui exploite le gain combiné du caching coopérative et les techniques de multipoint coordonnée. Les modèles de processus ponctuel nous permet de créer la connexion entre la diversité de transmission en couche PHY et la diversité de contenus stockés. / This thesis focuses on several emerging technologies towards future wireless networks with envisaged improvement on the area spectral efficiency and energy efficiency. The related research involves two major directions, including deviceto- device (D2D) communication underlaid cellular networks and proactive caching at network edge. The first part of this thesis starts with introducing D2D underlaid cellular network model and distributed access control methods for D2D users that reuse licensed cellular uplink spectrum. We aim at optimize the throughput of D2D network in the following two scenarios: 1) assuming always backlogged cellular users with coverage probability constraint, 2) assuming bursty packet arrivals at the cellular user, whose average delay must be kept below a certain threshold. The second part of this thesis focuses on proactive caching methods at network edge, including at small base stations (SBSs) and user devices. First, we study and compare the performance of probabilistic content placement in different types of wireless caching networks and with different optimization objectives. Second, we propose a cooperative caching and transmission strategy in a cluster-centric small cell networks (SCNs), which exploits the combined gain of cache-level cooperation and CoMP technique. Using spatial models from stochastic geometry, we build the connection between PHY transmission diversity and the content diversity in local caches.