D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 課件 第一章

D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用主編：王義君1緒論1.1D2D技術(shù)概況1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)1.5本章小結(jié)1.1D2D技術(shù)概況D2D（devicetodevice）技術(shù)是指通信網(wǎng)絡(luò)中近鄰設(shè)備之間直接交換信息的技術(shù)。什么是D2D技術(shù)？為什么要引進(jìn)D2D技術(shù)？D2D通信鏈路建立后，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程無(wú)需核心設(shè)備或中間設(shè)備干預(yù)，可降低通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓力，提升頻譜利用率和吞吐量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，保證通信網(wǎng)絡(luò)能更為靈活、智能、高效地運(yùn)行。1.1D2D技術(shù)概況D2D通信通常對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是不透明的，它可以發(fā)生在蜂窩移動(dòng)通信頻段或未經(jīng)許可的頻段上。在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，即使通信雙方在基于鄰近性的D2D通信范圍內(nèi)，終端設(shè)備間都必須通過(guò)基站實(shí)現(xiàn)信息傳輸。{通信基站的通信適合傳統(tǒng)的低數(shù)據(jù)速率移動(dòng)服務(wù)如語(yǔ)音通話和短信當(dāng)今蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)用戶絕大多數(shù)需要高數(shù)據(jù)速率服務(wù)（如視頻共享、游戲、鄰近感知社交網(wǎng)絡(luò)）在這些服務(wù)中，D2D通信在頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和公平性等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)1.1D2D技術(shù)概況什么是蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信技術(shù)？隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，為了提高蜂窩通信系統(tǒng)的各方面性能指標(biāo)，工程技術(shù)人員和科研學(xué)者將蜂窩移動(dòng)通信與短距離設(shè)備間相互通信相結(jié)合，形成了現(xiàn)階段研究較為廣泛的蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信技術(shù)。為什么說(shuō)D2D通信是5G系統(tǒng)的重要組成部分？D2D通信在執(zhí)行過(guò)程中允許將本地流量與蜂窩網(wǎng)絡(luò)分離，通過(guò)此方式，它不僅可以消除數(shù)據(jù)傳輸和相關(guān)信令對(duì)回程和核心網(wǎng)絡(luò)造成的負(fù)載負(fù)擔(dān)，還可以減少在中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理流量所需的額外工作。1.1.1D2D通信的5G應(yīng)用場(chǎng)景1.1D2D技術(shù)概況場(chǎng)景1：本地?cái)?shù)據(jù)信息交互場(chǎng)景2：超密集網(wǎng)絡(luò)情形下的多用戶內(nèi)容分發(fā)及管理場(chǎng)景3：協(xié)作通信中的中繼選擇傳輸。場(chǎng)景4：蜂窩數(shù)據(jù)卸載緩存場(chǎng)景5：蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用擴(kuò)展1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)D2D通信帶外D2D通信(非許可頻段D2D通信)OverlayD2D-L模式UnderlayD2D-L模式ControlledD2D-U模式AutonomousD2D-U模式帶內(nèi)D2D通信(許可頻段D2D通信)1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)帶內(nèi)D2D通信：在D2D-L通信中，D2D用戶和蜂窩用戶（CellularUser，CU）共享許可頻譜，因此對(duì)蜂窩頻譜控制能力較強(qiáng)。系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）由基站控制和保障，其負(fù)責(zé)處理資源分配和干擾管理等問(wèn)題。帶外D2D通信：D2D-U通信發(fā)生在未經(jīng)許可的頻譜資源中（如ISM頻段），也稱為帶外D2D通信。使用未經(jīng)許可的頻譜可以緩解D2D通信鏈路和蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信鏈路之間的干擾，D2D-U與其他無(wú)線通信系統(tǒng)共享未經(jīng)許可的頻段。1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)OverlayD2D-L模式：D2D用戶被分配專用頻譜資源，可降低D2D通信傳輸過(guò)程中對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的干擾，但與此同時(shí)降低了蜂窩通信可利用的資源量。如何確定具有更大信息相關(guān)性的D2D用戶，并賦予其ProximityService的優(yōu)先級(jí)是OverlayD2D-L模式的研究重點(diǎn)。UnderlayD2D-L模式：D2D用戶和CU共享相同的頻譜資源，與OverlayD2D-L模式相比，其提高了頻譜利用效率。然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的復(fù)用，將產(chǎn)生D2D用戶對(duì)通信和CU之間通信的相互干擾問(wèn)題。UnderlayD2D-L模式下，D2D通信的有效干擾管理和資源分配是亟待解決的重中之重。1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)ControlledD2D-U模式：在ControlledD2D-U模式中，基站提供控制平面信令，設(shè)備進(jìn)行未授權(quán)頻譜中的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏?。通過(guò)基站管理信標(biāo)信道并幫助D2D用戶發(fā)現(xiàn)和接入，使通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，同時(shí)該模式下的基站輔助還可改進(jìn)資源管理和系統(tǒng)干擾等問(wèn)題。AutonomousD2D-U模式：基站不提供傳輸?shù)目刂破矫嫘帕?，信令控制由D2D-U網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供。在集群通信中，控制信令有時(shí)也通過(guò)集群簇頭節(jié)點(diǎn)提供。由于不需要基站的干預(yù)實(shí)現(xiàn)通信，AutonomousD2D-U模式可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信的低延遲。1.2.2D2D技術(shù)特點(diǎn)1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)010305020406增強(qiáng)增益收益提高頻譜效率保證能效優(yōu)化降低用戶時(shí)延控制干擾管理擴(kuò)展覆蓋范圍1.2.2D2D技術(shù)特點(diǎn)1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)雖然D2D通信具有上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但隨著爆炸式增長(zhǎng)的智能接入終端和數(shù)據(jù)與緊缺的頻譜資源矛盾日益顯現(xiàn)，D2D通信也帶來(lái)了一系列新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：用戶體驗(yàn)方面的挑戰(zhàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面的挑戰(zhàn)對(duì)等發(fā)現(xiàn)；資源分配；功率控制；干擾管理；緩存卸載安全性；同步性1.3.1D2D-U通信架構(gòu)1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)D2D-U用戶發(fā)起D2D通信時(shí)，無(wú)論何種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式，用戶端通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器提供的服務(wù)內(nèi)容開(kāi)始鏈接，并且該內(nèi)容鏈接與具有D2D功能的用戶終端關(guān)聯(lián)時(shí)，D2D通信可以執(zhí)行，該過(guò)程可以通過(guò)下圖所示的D2D-U通信架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)—Prose1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)3GPP組織定義的D2D-L標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議為L(zhǎng)TE終端直通近距離服務(wù)協(xié)議（ProSe），其架構(gòu)模型如圖所示。ProSe用于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)動(dòng)作的邏輯功能表述，為用戶設(shè)備提供PLMN特定的參數(shù)，同時(shí)其功能還包括生成和維護(hù)受限的ProSe用戶ID，并分配和處理用于直接發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用程序ID和應(yīng)用程序代碼的映射。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SIDELINK傳輸1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)蜂窩通信中，gNB或eNB通過(guò)上行鏈路（Uplink，UL）和下行鏈路（Downlink，DL）與UE進(jìn)行通信，包括信令和數(shù)據(jù)，這一概念在ProSe通信中通過(guò)引入Sidelink（SL）得到了擴(kuò)展，如圖所示：ProSe描述的是端到端的應(yīng)用，即設(shè)備與設(shè)備之間的通信；而SL描述的是信道結(jié)構(gòu)，即邏輯信道、傳輸信道和物理信道，它們被用于空中接口以實(shí)現(xiàn)ProSe應(yīng)用。ProSe和sidelink之間的區(qū)別是什么？1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SL通信1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)定義的SL邏輯信道用于通信，即SL流量信道（STCH）和SL廣播控制信道（SBCCH），如圖所示，藍(lán)色的是數(shù)據(jù)路徑，而控制信號(hào)的路徑則用紅色表示。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SL通信1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)STCH用于承載ProSe應(yīng)用用戶信息的數(shù)據(jù)傳輸，它是一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信道，反映了ProSe通信的組呼特性。SBCCH攜帶信令信息，用于覆蓋范圍外或部分覆蓋場(chǎng)景下的同步，或用于位于不同小區(qū)的UE之間的同步，其與SL廣播信道（SLBroadcastChannel，SL-BCH）連接，是一種具有預(yù)定義傳輸格式的傳輸信道，原因在于來(lái)自SBCCH的資源塊具有相同的大小。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-通信資源池1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)SL傳輸和接收的核心概念是資源池（ResoucePools，RP）。資源池是分配給SL操作的一組資源，它由子幀和其中的資源塊組成。圖示為用于SL通信的資源，在子幀位圖中指示子幀是否可用于SL。在經(jīng)過(guò)一個(gè)可配置的周期之后，即SL控制周期，整個(gè)模式重復(fù)將重復(fù)執(zhí)行。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SL直接發(fā)現(xiàn)1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)UE和ProSe功能之間的控制平面信令D2D直接發(fā)現(xiàn)的協(xié)議棧發(fā)現(xiàn)類型：類型1：在非UE指定的基礎(chǔ)上分配用于發(fā)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)馁Y源。類型2：按UE指定基礎(chǔ)分配資源：A.為發(fā)現(xiàn)信號(hào)的每個(gè)特定傳輸實(shí)例分配資源；B.資源半持久分配用于發(fā)現(xiàn)信號(hào)傳輸。1.4.1D2D通信關(guān)鍵技術(shù)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)（1）資源分配：D2D資源分配是保證蜂窩用戶和D2D用戶通信以及D2D用戶之間通信公平、可靠和頻譜共享的關(guān)鍵因素。（2）中繼選擇：D2D中繼選擇可保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)通信系統(tǒng)性能和傳輸能力的提高。（3）緩存與卸載：D2D通信使用戶之間可以直接連接，而無(wú)需與回程通信進(jìn)行任何聯(lián)系。1.4.1D2D通信關(guān)鍵技術(shù)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)（4）功率控制：當(dāng)下D2D用戶的功率控制可分為靜態(tài)功率設(shè)置與動(dòng)態(tài)功率設(shè)置。（5）同步技術(shù)：D2D同步目前可分為基站覆蓋同步和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同步；從實(shí)現(xiàn)方法上看，D2D通信中有兩種主要的定時(shí)同步方法：集中式同步和分布式同步。（6）安全傳輸：由于數(shù)據(jù)跨通信網(wǎng)絡(luò)分布的性質(zhì)，D2D通信網(wǎng)絡(luò)安全引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在D2D網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，以使用戶信息能夠避免信息泄露十分必要。1.4.2D2D通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)D2D通信技術(shù)的主要性能指標(biāo)包括以下方面：（1）中斷概率：在通信中，當(dāng)鏈路容量不一定滿足所要求的用戶速率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷事件，該事件呈概率分布，所以中斷概率即為中斷事件發(fā)生的概率。（2）系統(tǒng)容量：指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，是衡量通信系統(tǒng)和終端設(shè)備通信能力的重要標(biāo)志，與通信線路的數(shù)量、工作效能和信息通過(guò)的時(shí)間等有關(guān)。（3）能量效率：通信中的能效定義為有效信息傳輸速率與信號(hào)發(fā)射功率的比值。（4）系統(tǒng)吞吐量：在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)吞吐量指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)成功傳遞消息包的數(shù)量，是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。（5）算法復(fù)雜度：指算法在編寫(xiě)成可執(zhí)行程序后，運(yùn)行時(shí)所需要的系統(tǒng)資源，包括時(shí)間資源和空間資源。1.5本章小結(jié)D2D通信作為5G及未來(lái)6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，可有效提升資源利用效率、豐富業(yè)務(wù)類型和降低核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。本章首先介紹了D2D通信的技術(shù)概況，并給出了D2D通信的5G應(yīng)用場(chǎng)景。隨后對(duì)D2D技術(shù)分類和技術(shù)特點(diǎn)兩個(gè)方面的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了闡述，并提出D2D通