無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用

1、重慶郵電大學(xué)工程碩士研究生堂下考試答卷2016學(xué)年第 二 學(xué)期考試科目 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用姓 名 年 級 專 業(yè) 2016年 6月28日D2D終端直通技術(shù)研究摘 要：D2D(device-to-device)通信是一種在蜂窩系統(tǒng)的控制下，允許終端用戶通過共享小區(qū)資源進行直接通信的新技術(shù)，通過提高空間利用率從而提高頻譜利用率 ，在某些場景下使移動通信變得更加直接和高效，緩解基站壓力，提高用戶體驗。本文首先給出了D2D通信系統(tǒng)的基本概念、技術(shù)特點，重點關(guān)注干擾管理、模式選擇、資源分配和功率控制。最后對D2D通信技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提出了一些構(gòu)想。關(guān)鍵詞：D2D通信技術(shù)；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；資源分配；下一

2、代網(wǎng)絡(luò)一、D2D的概念及技術(shù)特點D2D（Device-to-Device）通信，也稱為鄰近服務(wù)（Proximity Service，Pro Se），是由3GPP組織提出的一種點到點的無線通信技術(shù)，它可以在蜂窩通信系統(tǒng)的控制下允許LTE終端之間利用小區(qū)無線資源直接進行通信，而不經(jīng)過蜂窩網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)。作為面向5G的關(guān)鍵候選技術(shù)，D2D技術(shù)能夠提升通信系統(tǒng)的頻譜效率，減輕系統(tǒng)負荷，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題。同時，由于降低了通信距離，D2D技術(shù)還可以降低移動終端發(fā)射功率，減少電池消耗，提高終端續(xù)航時間。LTE-D2D有以下幾個技術(shù)特點。(1) 工作在許可頻段 基于LTE技術(shù)的D2D工

3、作在許可頻段，作為LTE通信技術(shù)的一種補充，它使用的是蜂窩系統(tǒng)的頻段，通過基站對無線資源的控制使得對小區(qū)其他用戶的干擾控制在可接受范圍，因此可以給用戶提供干擾可控的環(huán)境和較高質(zhì)量的通信服務(wù)。并且利用網(wǎng)絡(luò)中廣泛分布的用戶終端以及D2D通信鏈路短距離的特點，可以實現(xiàn)頻譜資源的有效利用，獲得資源空分復(fù)用增益。而藍牙、Wi-Fi Direct、Flash Lin Q等技術(shù)，工作在免許可頻段，存在嚴(yán)重干擾，通信QoS無法得到保障。(2)網(wǎng)絡(luò)參與D2D通信流程 D2D通信和傳統(tǒng)蜂窩通信使用相同的無線資源，由網(wǎng)絡(luò)控制并優(yōu)化無線資源的使用，以獲得最優(yōu)QoS。蜂窩網(wǎng)絡(luò)對D2D通信的控制程度有不同等級：一方面，蜂

4、窩網(wǎng)絡(luò)可以對D2D設(shè)備的鄰近發(fā)現(xiàn)、連接建立和資源分配進行全面控制；另一方面，蜂窩網(wǎng)絡(luò)也可以輔助D2D設(shè)備完成鄰近發(fā)現(xiàn)和連接建立，并提供認(rèn)證等功能，蜂窩網(wǎng)絡(luò)不干涉D2D連接的資源分配，并且D2D連接也可以采用其他非蜂窩的無線接入技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，如使用Wi-Fi等進行數(shù)據(jù)傳輸。(3)應(yīng)急通信 當(dāng)極端的自然災(zāi)害如地震、臺風(fēng)發(fā)生時，傳統(tǒng)的蜂窩基站等基礎(chǔ)設(shè)施往往會受到損壞，甚至發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓，通信服務(wù)無法得到保障。D2D技術(shù)的引入有可能解決這個問題，如通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，終端之間仍然能夠基于D2D連接建立無線通信，保證終端之間無線通信的暢通，為災(zāi)后救援提供保障。另外，受地形、建筑物遮擋等因素的影響，

5、無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋往往會存在盲點。通過一跳或多跳D2D，位于覆蓋盲區(qū)的用戶可以連接到位于網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)的用戶終端，借助該終端連接到無線通信網(wǎng)絡(luò)。3GPP SA1于2011年9月成立近距離服務(wù)研究項目（Proximity Service Study Item），把D2D的應(yīng)用場景分成公共安全和商業(yè)應(yīng)用兩大類，并于2012年5月引入使用Wi-Fi進行數(shù)據(jù)通信的方案。在3GPP RAN工作組，高通公司一直在推動立項，并將研究分成設(shè)備發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)通信兩個階段分步推進。D2D技術(shù)能在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的框架下發(fā)現(xiàn)周圍具備相同功能的設(shè)備或用戶，提升電信運營商基于位置的業(yè)務(wù)能力，帶來潛在新商機，提供更好的用戶體驗。但是，由于

6、面臨與其他NFC、Wi-Fi Direct等傳統(tǒng)直連通信技術(shù)的競爭，商業(yè)模式有待進一步明晰。另外，作為面向未來5G的關(guān)鍵候選技術(shù)，其在很多其他領(lǐng)域諸如室內(nèi)定位、車聯(lián)網(wǎng)（LTE-based V2X）等也會有重要應(yīng)用。二、D2D通信的分類假設(shè)兩層次的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中包含宏蜂窩層和終端層、宏蜂窩層是傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中基站( Base Station , BS )到終端的通信，終端層是D2D通信。如果某個終端通過BS連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就認(rèn)為該終端工作在宏蜂窩層。如果某個終端直接與另一終端相連接或者通過其他終端中繼后相連接，就認(rèn)為這些終端工作在終端層。為了實現(xiàn)終端層，運營商可以有不同級別的控制權(quán)。運營商可以完全或者

7、部分控制資源分配和中繼節(jié)點，或者不進行任何控制。因此，可以將D2D通信劃分為以下四類:1. 運營商控制的終端中繼:如圖1所示，在覆蓋范圍比較差的區(qū)域，終端能夠利用BS與中繼終端進行數(shù)據(jù)傳輸，進而獲得較高的QoS。運營商與中繼終端進行通信，完全或部分控制會話的建立。 2.運營商控制的D2D直接通信(Direct D2D communication with operator controlled , DC-OC )：如圖2所示，通信終端不需要BS轉(zhuǎn)發(fā)就能夠進行數(shù)據(jù)交換，但是仍需要運營商負責(zé)建立會話。 圖1：運營商控制的終端 圖2：運營商控制的D2D直接通信3. 終端控制的終端中繼(Direct

8、relaying, with device controlled , DR-DC )：如圖3所示，運營商不負責(zé)會話的建立，通信終端以分布式的方式利用中繼進行通信。 4.終端控制的D2D直接通信(Direct D2D communication with device controlled , DC-DC )：如圖4所示，通信終端不需要運營商就可以相互協(xié)商建立直接通信，但是必須避免對蜂窩網(wǎng)絡(luò)中其他用戶的干擾。 根據(jù)D2D通信工作的頻段還可以將D2D通信劃分為以下兩類，如圖5所示: (1)帶內(nèi)D2D:終端占用蜂窩頻段進行D2D通信，這樣有利于控制干擾。根據(jù)D2D通信和蜂窩通信是否同時占用同一頻段，

9、帶內(nèi)D2D通信又可以分為Underlay和Overlay兩種。在Underlay方式中，D2D通信和蜂窩通信享頻段，兩者復(fù)用蜂窩頻段，可以提高該頻段的利用率。在Overlay方式中，將蜂窩資源的一部分劃分給D2D通信。 圖3：終端控制的終端中繼 圖4：終端控制的D2D直接通信 (2)帶外D2D:終端占用ISM非授權(quán)頻段進行D2D通信，這樣可以避免D2D鏈路和蜂窩鏈路間的干擾，但是D2D通信的QoS可能會受到非授權(quán)頻段開放性特征帶來的影響，并且還要求終端具有兩種無線接口，從而增加終端硬件的復(fù)雜度。圖5：D2D通信分類三、資源分配有效的資源分配是D2D通信中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。終端可以通過D2D鏈路

10、進行通信，但是同時也會帶來不必要的干擾：包括蜂窩用戶和D2D用戶間的干擾，D2D用戶間的干擾。D2D終端發(fā)現(xiàn)階段可以使用靜態(tài)的分配策略，如果動態(tài)地分配頻譜資源，終端必須一直保持開機狀態(tài)，從而帶來更高的能耗；通信階段可以采用動態(tài)地分配策略，在時間和空間上高效地利用頻譜資源。目前很多研究主要集中于模式選擇、干擾管理和功率控制。1模式選擇。D2D用戶可以工作在四種模式：靜默模式、復(fù)用模式、專用模式和蜂窩模式。(1)靜默模式：當(dāng)缺少頻譜資源或是對附近蜂窩用戶干擾太強，無法實現(xiàn)D2D通信時要求終端保持靜默。(2 )復(fù)用模式：D2D用戶與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享相同頻譜資源，在同一頻段內(nèi)可能會存在多個D2D通信對

11、，顯然會大大增加消除干擾的復(fù)雜度。(3)專用模式：D2D用戶占用專門的蜂窩頻段，由于頻譜資源相互正交，D2D用戶不會對蜂窩用戶造成干擾。(4)蜂窩模式：D2D用戶通過BS進行通信，即采用傳統(tǒng)的蜂窩通信。 合適的模式選擇可以提高頻譜利用率、消除干擾。在保證蜂窩用戶和D2D用戶QoS的前提下，采用模式選擇最大化網(wǎng)絡(luò)的吞葉量。結(jié)果表明，當(dāng)蜂窩用戶和D2D用戶距離相近時，專用模式最佳；當(dāng)蜂窩用戶和D2D用戶距離較遠或D2D用戶對距離較近時，復(fù)用模式最佳。2.干擾管理。通信系統(tǒng)的干擾問題是在實際部署前就必須考慮的，干擾會影響蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量和有效性。在DR-OC中，由于BS參與通信，可以采用現(xiàn)有的方法來解

12、決干擾問題。BS可以對中繼節(jié)點進行鑒權(quán)，合理分配中繼節(jié)點的頻譜資源。在DC-OC中，終端在BS的控制下建立D2D通信鏈路。運營商負責(zé)接入鑒權(quán)、資源分配和計費。在DR-DC和DC-DC中，沒有BS或其他實體來控制D2D通信。這兩種類型比前兩種要復(fù)雜得多，必須采用分布式的方式來解決鏈接建立、干擾管理和資源分配等問題。3.功率控制。在兩層次的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，一般把蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶作為通信的主用戶，D2D用戶在工作時必須避免對蜂窩用戶的影響，功率控制是最常見、最直接的方法之一。而BS的下行鏈路也必須考慮D2D用戶的存在，選擇合適的功率進行傳輸，激勵滿足條件的用戶采用D2D方式進行通信，緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負荷。此外

13、，功率控制還可以聯(lián)合模式選擇和干擾管理來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。四、D2D在下一代網(wǎng)絡(luò)中的一些構(gòu)想 隨著科技的發(fā)展，智能終端設(shè)備的種類日趨繁多，如手機、平板、可穿戴設(shè)備、智能電表、車輛等，這些設(shè)備可支持的無線通信能力也越來越強，除了傳統(tǒng)的蜂窩通信(2G、3G、4G)之外，還可以借助于Wi-Fi、bluetooth、LTE-D2D等技術(shù)實現(xiàn)終端設(shè)備間的直接通信。而將兩者協(xié)同融合，可以衍生出更多新的應(yīng)用場景，并提升用戶體驗，如快速D2D應(yīng)用于ITS (Intelligent Transportation System，智能交通)的V2V/V2I(車車、車路)通信、多用戶協(xié)作通信、數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)

14、終端的低成本D2D等等。 VDC(Vehicle Direct Communication，車直接通信)：未來車聯(lián)網(wǎng)不僅包括車與網(wǎng)絡(luò)之間的遠程通信，還包括車車、車路、車人(V2V、V2I、V2P，統(tǒng)稱V2X)的頻繁交互的短程通信?？衫脧V域蜂窩網(wǎng)提供車-網(wǎng)通信的遠程通信服務(wù)；通過D2D增強的VDC方案提供短時延、短距離、高可靠的V2X通信，從而提供全面的車聯(lián)網(wǎng)通信解決方案，VDC方案通過D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的緊耦合，實現(xiàn)中心調(diào)度與分布式通信的完美結(jié)合，以滿足V2X通信的苛刻需求。 終端協(xié)作通信：未來通信系統(tǒng)中，不僅網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以相互協(xié)作，終端之間也可以相互協(xié)作。通過臨近終端之間的短距離技術(shù)連接，終端之

15、間可以協(xié)作互助，互相中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，這樣就使得任一終端設(shè)備與基站間可有多條信道，當(dāng)某一信道狀況不好時，總可以選擇其它更優(yōu)的信道通信，從而進一步提升系統(tǒng)吞吐量，提高用戶通信可靠性，帶來更好的用戶體驗。 數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)：在基站的控制/協(xié)助下，終端可自發(fā)組織建立起互相之間可直接進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡(luò)，來進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的共享。通過終端間的直接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減輕網(wǎng)絡(luò)側(cè)負載，提升系統(tǒng)整體吞吐量。 低成本D2D：針對時延不敏感、成本敏感的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以采用分級接人的方式。這種系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)終端通過中繼系統(tǒng)接入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過物聯(lián)網(wǎng)終端和中繼終端之間的低成本D2D通信，降低物聯(lián)網(wǎng)終端的成本，使得物聯(lián)網(wǎng)更容易大規(guī)模普及應(yīng)

16、用。 關(guān)鍵問題及解決思路: (1)VDC場景中，車車、車路、車人要頻繁進行短距離廣播通信，不斷交互位置和速度等關(guān)鍵安全消息，以提升道路安全和交通效率。V2X安全消息對于時延和可靠性均有較高的要求，通常而言，安全消息的傳播時延需要控制在100ms以下，可靠性方面需要確保較高的包遞交率和包接收率。通過增強的D2D通信、基站統(tǒng)一協(xié)調(diào)和資源集中分配，可以減輕V2X消息在資源上的碰撞，進而提高消息傳輸?shù)目煽啃?。另一方面，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程的時延要求，需要優(yōu)化調(diào)度交互過程，減少終端與網(wǎng)絡(luò)的交互復(fù)雜性。 (2）多用戶協(xié)作通信場景中，終端在網(wǎng)絡(luò)的控制下，進行配對、建立協(xié)作關(guān)系等控制面操作。在通信過程中，任何一

17、個終端對網(wǎng)絡(luò)都是可管可控可清晰計費的。這需要在終端與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧設(shè)計上，加人新的分流合并協(xié)議層，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同終端的信道質(zhì)量，總是選擇最佳信道，將數(shù)據(jù)傳遞給當(dāng)時信道質(zhì)量最佳的終端，該終端再根據(jù)數(shù)據(jù)歸屬，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端。 (3)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)場景中，在功率受限的前提下，終端間通信的傳輸距離較短，可利用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，通過合并多個鏈路的信息來提高等效信噪比。另外，考慮到終端可能一直處于移動中，與其它終端間的鏈路情況總是處于變動之中，一旦拓撲發(fā)生變化，終端需及時上報基站，在發(fā)生業(yè)務(wù)時，基站根據(jù)掌握的拓撲信息進行路徑選擇，以保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。 (4)低成本D2D場景中，進行低成本、低功耗的物聯(lián)

18、網(wǎng)終端和中繼終端設(shè)計，通過低成本D2D連接模式，代替物聯(lián)網(wǎng)終端直連蜂窩網(wǎng)絡(luò)的模式，同時滿足網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)終端的可管可控可計費及安全需求，以滿足物聯(lián)網(wǎng)抄表、可穿戴等應(yīng)用的普及推廣。參考文獻：1 張愛清，葉新榮，謝小娟，等 蜂窩網(wǎng)絡(luò)下終端直通安全通信關(guān)鍵技術(shù)研究J 無線電通信技術(shù)，2015，41(3):06112 5G無線技術(shù)架構(gòu)白皮書3 M. Grech. Metro Cells: A Cost Effective Option to Meeting Growing Capacity Demand, Alcatel Lucent, Bell Labs Business Modelling, Mar. 20124 http: //Release-125 K. Doppler et al. Device-to-Device Communications as an Underlay to LTE-Advanced Netw