D2D技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中的應(yīng)用

D2D技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：Device-to-Devicc（D2D）是一種在LTE-A系統(tǒng)中通過重用小區(qū)內(nèi)宏蜂窩用戶的資源來實(shí)現(xiàn)端到端通信的新型技術(shù)。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，首先對(duì)D2D技術(shù)的原理和應(yīng)用進(jìn)行了分析，然后討論D2D技術(shù)應(yīng)用于LTE-A系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)，接著通過仿真驗(yàn)證了D2D技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中的優(yōu)勢。最后闡述了D2D技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中應(yīng)用可研究的方向及技術(shù)展望。關(guān)鍵詞：D2D，LTE-A，資源分配，頻譜效率隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，第三代移動(dòng)通信已經(jīng)走向商用。業(yè)界正投入更多的努力到下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，例如3GPP長期演進(jìn)（LTE）或者IEEE802.16m。另外，3GPP還定義了對(duì)LTE-A[1]系統(tǒng)的深入研究。這些系統(tǒng)的演進(jìn)及發(fā)展都是在未來移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（IMT-A）的范濤下進(jìn)行的。移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)帶來帶寬需求的不斷加大，帶寬的分配變得越來越擁擠，由于可用于移動(dòng)通信的頻譜資源十分有限，所以可分配到的帶寬滿足不了實(shí)際系統(tǒng)的需求。為減小帶寬提供和帶寬需求之間的差異，更有效的利用分配的帶寬就變得十分重要。與此同時(shí)，這些未來的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特征包括：移動(dòng)高速、網(wǎng)絡(luò)大容量和優(yōu)質(zhì)的QoS等。這些系統(tǒng)在能達(dá)到高吞吐量的情況下，移動(dòng)終端的功率有效性是寬帶無線接入的一個(gè)重要指標(biāo)。這些IMT-A系統(tǒng)在小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)下允許支持Device-to-Device（D2D）通信[2-3]來提高頻譜利用率。D2D通信在小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的控制下與小區(qū)用戶共享資源，因此頻譜的利用率將得到提升。此外，它還能帶來的好處包括：減輕蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)、減少移動(dòng)終端的電池功耗、增加比特速率、提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施故障的魯棒性等，還能支持新型的小范圍點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)。1D2D通信的原理及應(yīng)用1.1D2D模型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正向著更高的數(shù)據(jù)傳輸率、更大的資源利用率和更高的網(wǎng)絡(luò)容量發(fā)展，這對(duì)未來的無線頻譜資源提出更高的要求。然而，可用于移動(dòng)通信的無線頻率資源十分有限，因此，如何在有限的帶寬資源中實(shí)現(xiàn)高速率和大容量成為了業(yè)界研究的重點(diǎn)。D2D技術(shù)可以應(yīng)用于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以提高資源利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。每一個(gè)D2D通信鏈路占用的資源與一個(gè)蜂窩通信鏈路占用的相等。D2D通信將在宏蜂窩基站的控制下獲得通信所需的頻率資源和傳輸功率。它與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享無線資源的同時(shí)，也會(huì)帶來一定的干擾。在研究小區(qū)內(nèi)D2D通信方案時(shí)，我們考慮只有一個(gè)獨(dú)立小區(qū)的場景，D2D通信在蜂窩通信中的模型如圖1所示。BS為小區(qū)中心基站，UEi是小區(qū)內(nèi)的用戶，其中UEl是與蜂窩基站通信的用戶，UE2和UE3組成一條D2D鏈路，它們可以在基站的協(xié)調(diào)下直接進(jìn)行通信。D2D通信與宏蜂窩通信共享網(wǎng)絡(luò)資源。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于基站無法獲知小區(qū)內(nèi)不同用戶之間通信鏈路的信道信息，所以基站不能直接基于用戶之間信道信息來進(jìn)行資源調(diào)度。D2D通信在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中將分享小區(qū)內(nèi)的所有資源，因此，D2D通信用戶對(duì)將有可能被分配到兩種情況的信道資源：與正在通信的蜂窩用戶相互正交的信道；勺正在通信的蜂窩用戶相同的信道。若D2D通信分配到正交的信道資源時(shí)，它不會(huì)對(duì)原來的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信造成影響。若D2D通信被分配到非正交的信道資源時(shí)，D2D通信將會(huì)對(duì)蜂窩鏈路中的接收端造成干擾。所以，在通信負(fù)載較小的網(wǎng)絡(luò)中，可以為D2D通信分配多余的正交的資源，這樣顯然可以取得更好的網(wǎng)絡(luò)總體性能。但是，由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的資源有限，考慮到通信業(yè)務(wù)對(duì)頻率帶寬的要求越來越高，而采用非正交資源共享的方式可以使網(wǎng)絡(luò)有更高的資源利用效率。這也是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D通信的主要目的。在非正交資源共享模式下，基站可以有多種資源分配方式，它們最后能得到不同的性能增益和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。其中實(shí)現(xiàn)最為簡單的方式，基站可以隨機(jī)選擇小區(qū)內(nèi)的資源，這樣D2D通信與蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的干擾也是隨機(jī)的；此外，基站還可以盡量選擇距離D2D用戶對(duì)較遠(yuǎn)的蜂窩用戶的資源來進(jìn)行資源共享，這樣保證它們之間干擾盡可能地小。1.2D2D的應(yīng)用當(dāng)用戶向基站提出D2D通信的請(qǐng)求，基站根據(jù)請(qǐng)求將用戶的通信方式切換到D2D連接模式。D2D通信可應(yīng)用于多種通信業(yè)務(wù)，特別是近距離的或同一區(qū)域內(nèi)的通信。如某個(gè)熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶可以不經(jīng)過基站而直接共享資料。相比于通過蜂窩小區(qū)基站來提供下載業(yè)務(wù)，這樣既保證了用戶的服務(wù)需求，又減輕了基站的負(fù)載壓力。在進(jìn)行D2D通信的同時(shí)，蜂窩基站還可以提供話音和數(shù)據(jù)服務(wù)。D2D還能應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)一些本地通信，如將D2D應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，在系統(tǒng)覆蓋不充分的一些室內(nèi)場景，多個(gè)用戶之間可以通過D2D通信傳輸數(shù)據(jù)。不需要通過固定網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)。而由于穿透損耗的原因，使得D2D通信與宏蜂窩通信之間的干擾很小。2D2D的優(yōu)缺點(diǎn)D2D通信方式是一種不經(jīng)過基站轉(zhuǎn)接而直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或服務(wù)提供的技術(shù)。在這種架構(gòu)下，每個(gè)目的用戶的地位都是對(duì)等的，這種模式能大大減輕基站端的負(fù)載。此外，它還有利于推進(jìn)LTE-A框架下提出的網(wǎng)絡(luò)扁平化。當(dāng)D2D在小范圍實(shí)現(xiàn)本地通信或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，不用接入核心網(wǎng)絡(luò)，所以它也不會(huì)增加核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。D2D通信通過復(fù)用小區(qū)資源來實(shí)現(xiàn)高效的頻譜利用率，從而提高整個(gè)小區(qū)的通信速率和通信質(zhì)量。它對(duì)蜂窩小區(qū)產(chǎn)生的干擾可以通過基站對(duì)D2D通信的資源[4]和發(fā)射功率[5]的調(diào)整來控制。此外，使用D2D通信的用戶還可以減小發(fā)射功率，降低電池功耗，延長移動(dòng)終端電池的使用時(shí)間。D2D通信在蜂窩網(wǎng)中是工作在許可頻段，它相對(duì)于工作在非許可頻帶的其它技術(shù)（如藍(lán)牙、WLAN等）具有很多優(yōu)點(diǎn)。只有許可頻段能夠保證提供干擾可控、穩(wěn)定的通信環(huán)境，而非許可頻段提供的服務(wù)不穩(wěn)定，這對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求高的業(yè)務(wù)或特定用戶是很重要的。因此，本地服務(wù)提供者更愿意支付一定費(fèi)用采用許可頻段來提供可靠、可控的本地服務(wù)。相對(duì)于同樣是復(fù)用小區(qū)內(nèi)頻譜資源的技術(shù)——認(rèn)知無線電技術(shù)，D2D在某些方面仍然具有優(yōu)勢。感知無線電能夠利用系統(tǒng)中的空閑頻譜，但感知空閑頻譜需要監(jiān)測主服務(wù)系統(tǒng)的接收機(jī)，這在廣播系統(tǒng)中是比較困難的。并且當(dāng)蜂窩小區(qū)負(fù)載較大時(shí)，系統(tǒng)資源都分配給用戶時(shí)很難感知到空閑頻譜。而D2D通信的實(shí)現(xiàn)比監(jiān)測空閑頻譜簡單很多，因?yàn)镈2D通信是在小區(qū)基站控制下進(jìn)行的，D2D通信的干擾能夠通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制。而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為密集LTE-A網(wǎng)絡(luò)，并且有很高的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)，同樣可以給D2D通信分配復(fù)用資源進(jìn)行D2D通信。當(dāng)然，D2D通信也存在一些問題，如端對(duì)端通信建立機(jī)制，即如何在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中建立起D2D通信；干擾協(xié)調(diào)，即如何有效地協(xié)調(diào)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與D2D通信對(duì)之間的干擾[6]；接力傳輸，及如何在D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換等。3仿真結(jié)果為了進(jìn)一步說明在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用D2D技術(shù)的必要性，本節(jié)我們通過對(duì)LTE-A系統(tǒng)的仿真來評(píng)估使用D2D技術(shù)與不使用D2D技術(shù)的性能比較。仿真場景及具體參數(shù)配置參見文獻(xiàn)[7]，主要仿真參數(shù)如表1所示。每個(gè)D2D用戶對(duì)在通信時(shí)復(fù)用蜂窩小區(qū)內(nèi)的一個(gè)用戶的資源，即采用的是非正交資源分配模式。

圖2展示了在LTE-A系統(tǒng)中使用和不使用D2D技術(shù)系統(tǒng)用戶平均吞吐量和邊緣用戶的平均吞吐量的對(duì)比。從仿真結(jié)果可以看出，在使用D2D技術(shù)后，除了小區(qū)平均用戶吞吐量有明顯提升外』、區(qū)邊緣用戶的平均吞吐量得到了很大的改善。這部分小區(qū)邊緣用戶的性能增益對(duì)LTE-A這種小區(qū)間干擾嚴(yán)重的系統(tǒng)來說是非常寶貴的。隨著小區(qū)邊緣用戶的性能改善，系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)用戶的公平性也能得到顯著的提高。所以從系統(tǒng)仿真的角度來看，在LTE-A系統(tǒng)中采用D2D通信是可行的，并對(duì)系統(tǒng)性能有顯著的增益。

4D2D可研究方向及展望D2D通信在LTE-A系統(tǒng)中的應(yīng)用還處在研究階段，所以D2D通信可研究的內(nèi)容比較豐富。下面我們從幾個(gè)方面來闡述：D2D在LTE-A系統(tǒng)中的方案。如何在LTE-A系統(tǒng)中選擇D2D通信方案，包括是否使用D2D通信，以及如何選擇D2D通信方案。D2D通信與蜂窩通信的資源復(fù)用模式[6]。如何選擇D2D通信與蜂窩通信的資源復(fù)用方式，包括正交資源共享、非正交資源共享或通過基站轉(zhuǎn)接等方式。D2D通信的功率控制方案[8]。如何在基站控制D2D終端的發(fā)射功率使得D2D通信與蜂窩通信之間干擾控制在可接受的水平。D2D通信對(duì)的建立。如何選擇用戶對(duì)用于建立D2D通信，包括選擇策略及性能分析的研究。D2D使某些特定場景下的通信變得更高效、更直接。D2D通信將成為未來網(wǎng)絡(luò)的一部分來滿足一些未來通信的特殊需求，這些需求將逐漸增大，如小范圍的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。隨著D2D研究的進(jìn)一步深入，D2D技術(shù)將進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期。它為蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來的性能改善將有利于未來的寬帶高速數(shù)據(jù)的傳輸，所以D2D通信在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景將是一片光明。參考文獻(xiàn)[1]3GPPTR36.913v8.0.0.RequirementsforfurtheradvancementsforE-UTRA.2008.[2]K.Doppler，M.Rinne，P.J？nis，C.Ribeiro，andK.Hugl.Device-to-DeviceCommunications：FunctionalProspectsforLTE-AdvancedNetworks.IEEEICC，Dresden，Germany，Jun.2009.[3]K.Doppler，M.Rinne，C.Wijting，C.Ribeiro，andK.Hugl.Device-to-devicecommunicationasanunderlaytoLTE-advancednetworks.IEEECommunicationsMagazine，2009，47（12）：42-49.[4]A.Gjendemsjo，D.Gesbert，G.E.Oien，andS.G.Kiani.Optimalpowerallocationandschedulingfortwo-cellcapacitymaximization.WiOpt，April2006：1-6.[5]C.Yu，O.Tirkkonen，K.Doppler，andC.Ribeiro.OntheperformanceofDevice-to-Deviceunderlaycommunicationwithsimplepowercontrol.IEEEVTC，Barcelona，Spain，Apr.2009.[6]P.Janis，V.Koivunen，C.Ribeiro，J.Korhonen，K.Doppler，andK.Hugl.Interference-AwareResourceAllocationforDevice-to-DeviceRadioUnderlayingCellularNetworks.IEEEVTC，Barcelona，Spain，Apr.2009.[7]3GPPTR36.814v9.0.0.Furtheradva