YÖK Tez No: 673092, Evolving technology has triggered the widespread use of online devices and results in an excessive increase in mobile data demand. While meeting this demand service providers must also fulfill users' essential Quality of Service (QoS) requirements such as always-on connectivity, high data rate, and low latency. This exigency conduces to the born of new technologies in the next generation communication systems particularly for 5G and beyond. Device-to-device (D2D) communication is a recent and promising technology that allows edge caching and content delivery between nearby devices. D2D communication exploits the cache capacity of mobile devices and promises content delivery with very low latency and without occupying the cellular network capacity. In this dissertation study, edge caching, content delivery, and device discovery problems in D2D enabled wireless networks are investigated comprehensively in three parts. First, we have derived and solved a Mixed Integer Programming (MIP) model that aims to minimize the Base Station's (BS) total cost with the contribution of data offloading via D2D links. Then we have adopted a distributively implementable Stackelberg Leader-Follower Game algorithm to the corresponding problem and provided the sub-optimal solution. Secondly, the problem of optimal cache placement in a D2D enabled cellular network is considered. The goal of cache placement is to maximize the offloaded traffic. For this purpose, we have derived and solved Mixed Integer Linear Programming (MILP) model with an objective function of maximizing data offloading and burden the load of BS. Optimization-based approaches are not practical in D2D since they provide centralized solutions and bring computational overhead along especially for dense networks. Accordingly, we have proposed two distributively implementable heuristic algorithms. One of them clusters helpers and provides content diversity and cooperation between cache enabled Helper Users (HU). The other alg, Teknolojik gelişmelerle birlikte çevrimiçi cihazların kullanımı daha da yaygınlaşmıştır. Bu durum, mobil veriye olan talepte aşırı artışa neden olmuştur. Servis sağlayıcılar talebi karşılarken kullanıcıların kesintisiz bağlantı, yüksek veri hızı ve düşük gecikme gibi temel servis kalitesi gereksinimlerini de gözetmek durumundadır. Bu gereklilik gelecek nesil haberleşme sistemlerinde, özellikle 5G ötesi için, yeni teknolojilerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Cihazdan Cihaza Haberleşme (CCH), kenar önbelleklemeye ve yakın cihazlar arasında içerik iletimine imkân veren yeni ve gelecek vadeden teknolojilerden biridir. CCH ile mobil cihazların önbellekleri kullanılarak diğer kullanıcıların içerik ihtiyacının düşük gecikme ve yüksek veri hızıyla hücresel şebekede yük oluşturmadan iletilmesi mümkündür. Tez çalışması kapsamında, CCH kabiliyeti bulunan cihazların yer aldığı kablosuz bir ağda; kenar önbellekleme, içerik iletimi ve cihaz keşfi problemleri kapsamlı bir biçimde incelenmiştir. İlk olarak, Baz İstasyonu'nun toplam maliyetini CCH'nin sağladığı yük boşaltmanın katkısıyla minimize etmeyi amaçlayan Karma Tamsayılı Programlama (KTP) modeli oluşturulmuştur ve en iyi çözüm sağlanmıştır. Daha sonra bu model dağıtık olarak uygulanan Stackelberg Lider-Takipçi Oyunu algoritması ile çözülerek en iyiye yakın çözüm sunulmuştur. İkinci olarak, yine CCH'nin kullanıldığı kablosuz bir ağda en iyi önbellekleme problemi ele alınmıştır. Modelin amacı toplam yük boşaltma miktarının eniyilemesidir. Bu problem de Karma Tamsayılı Doğrusal Programlama (KTDP) ile modellenmiş ve en iyi çözüm sunulmuştur. Optimizasyon tabanlı çözümlerin özellikle kullanıcı yoğunluğunun fazla olduğu durumlarda pratiklikten uzaklaşmasından ötürü iki tane sezgisel algoritma önerilmiş ve uygulanmıştır. Algoritmalardan bir tanesi öbekleme kabiliyeti bulunan Yardımcı Kullanıcıların (YK) öbekler oluşturarak işbirliği yapmasını ve içerik çeşitliliği sağlamaktadır. Diğeri ise öbek içinde içerik popülerliğine