D2D通信關鍵技術與應用 課件 第5、6章 D2D同步技術、D2D緩存與卸載

5D2D同步技術5.1概述5.3LTE同步與D2D同步5.2同步的分類5.4分布式同步策略5.5本章小結5.1概述同步的方式：頻率同步、相位同步、時間同步。頻率同步：指設備A和設備B以相同的速度接收到信號前沿，但不是在同一時刻。相位同步：即設備A和設備B在同一時刻但不同時間間隔接收到信號的前沿。時間同步：設備A和設備B在同一時刻、同一時間間隔接收到信號前沿。5.2同步的分類

從場景上看，D2D同步分為基站覆蓋、異構網(wǎng)絡和分布式網(wǎng)絡下的同步。5.2同步的分類

從分布角度看，在D2D網(wǎng)絡中有兩種主要的定時同步方法：集中式和分布式。集中式方法：啟用D2D通信的終端在終端集群中扮演協(xié)調(diào)者的角色，以便將其傳輸范圍內(nèi)的參考計時器交付給其他啟用D2D的終端。分布式方法：支持D2D通信的UE要為其傳輸范圍內(nèi)的其他UE提供計時參考，因無固定AP可用，加上移動AP帶來的不確定性，若AP失去與網(wǎng)絡的連接，則其它UE要重新選擇AP5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點及改進：提供時間參考時嚴重依賴簇頭（CH）在選擇一個新的CH之后，由于傳輸范圍的限制，可能很難保證整個集群都能搜索到新的CH。簇間通信變得更加困難。需要重新選擇一個新的同步源引入一種機制來中繼或傳輸CH的傳輸范圍之外的參考計時器在附近獨立創(chuàng)建的集群提供一種機制5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點及改進圖示5.3LTE同步與D2D同步D2D同步是以LTE同步技術為基礎，沿用LTE的幀結構、同步信號生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術。并對同步信號進行了改造，以此適應D2D通信中的應用場景。

在LTE同步技術中，初始同步和新小區(qū)識別過程采用3GPP規(guī)定的兩種物理信號，分別是主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）。5.3LTE同步與D2D同步

在D2D通信中，D2D同步信號在6個物理資源塊（PRB）中間填充4個單載波頻分多址（SC-FDMA)符號。

UE通過對其進行解碼獲取物理層小區(qū)標識和每個傳輸符號的循環(huán)前綴長度，從而得到小區(qū)使用的是頻分雙工（FDD）還是時分雙工（TDD）。這兩種雙工模式所對應的是兩種不同的無線幀結構。FDD無線幀結構5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步TDD無線幀結構5.3LTE同步與D2D同步TDD相對于FDD的優(yōu)勢有:（1）靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；（2）可以通過調(diào)整上下行時隙轉(zhuǎn)換點，靈活支持非對稱業(yè)務；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低設備成本；（4）接收上下行數(shù)據(jù)時，無需收發(fā)隔離器，只需一個開關，可降低了設備的復雜度。5.3LTE同步與D2D同步TDD相對于FDD的缺點有:（1）TDD系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射功率的時間比FDD短；（2）TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進行干擾隔離；（3）為避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率；（4）因為高速運動下信道變化快，TDD分時系統(tǒng)導致UE報告的信道消息有延遲。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書P83的例子及5.2小結中的三種同步場景可知，自適應分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：

（1）部分覆蓋同步場景中，如何快速可靠地傳播SL的時鐘值，特別是當存在多個SL時，顯得尤為重要，此時的冗余的SL也會成為傳播的優(yōu)勢。（2）對于覆蓋外同步場景，如何設計分布式操作來實現(xiàn)全局時鐘的一致性。（3）在覆蓋外同步場景中，當一個新設備加入一個幾乎同步的組時，如何保證新設備不會對該組產(chǎn)生較大的影響。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書P83的例子及5.2小結中的三種同步場景可知，自適應分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：（4）即使使用MAC層時間戳，仍然會存在延遲，時間戳過程本身也存在不確定性。因此，如何處理不正確的時間戳來實現(xiàn)高精度的同步？（5）在這兩個不同的場景以及它們各自的同步挑戰(zhàn)中，SF最初并不知道它們所處的覆蓋場景。其次，對于SF來說，如何確定要遵循哪種類型的同步方法仍是需要解決的重點。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)在挑戰(zhàn)4中，有兩種消除時間戳的不準確性從而得到精確估計的方法:遞歸估計和和分層結構。設備必須收集足夠數(shù)量的有效時間戳，來估計回歸系數(shù)。

有效時間戳--接收設備用于SL設備時鐘的時間戳。在快速傳播中引入了兩種策略：Pseudo-syncleader（PSL）和合作同步。當一個設備開始充當PSL時，傳輸?shù)母怕蕰虼颂岣摺?.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步

在D2D系統(tǒng)中，自組網(wǎng)系統(tǒng)研究的許多同步協(xié)議存在一定的結構局限性。本章節(jié)介紹一種新的D2D系統(tǒng)定時同步方法。當蜂窩基站的存在時：考慮了蜂窩上行過程中基于隨機訪問過程的蜂窩輔助(CA)同步方法。

當蜂窩基站不可用時：用戶設備執(zhí)行獨立(SA)同步方式。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步

基于上述提出的CA同步方法和SA同步方法。圖示如下：D2D通信類型5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步下圖為SA-D2D通信的框架結構：

在傳輸間隔內(nèi)，終端只以參考時鐘的速度向其他終端發(fā)送自己的全局同步信號(GSS)。在整個系統(tǒng)過程中，終端將參考時鐘作為自身的時鐘；在傳輸間隔中，終端只以參考時鐘的速度向其它終端發(fā)送自己的GSS；在接收間隔中，終端只偵聽鄰UE的GSS一幀。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步下圖為LTE系統(tǒng)中eNB與終端上行同步的隨機接入過程：

適合于D2D通信的隨機訪問過程如下：在蜂窩通信的隨機接入過程中，終端直接應用TA信息；而對于D2D通信的同步，UE在定時調(diào)整過程中使用TA值的一半,該值等于eNB和UE之間的時間差。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步下面介紹CA-D2D通信類型:CA-D2D同步方法示例如下:假設eNB和UE之間的距離為30個樣本，然后，在原始隨機訪問過程中，UE在30個樣本的位置發(fā)送信號，eNB在第0個樣本的位置接收信號。UE在15個樣本的位置發(fā)射信號。通過提出的基于TA信息使用不同的流程，可以實現(xiàn)所有終端具有相同的參考時鐘，而不需要額外的流程。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步

在初始觀測區(qū)間中，確定Tx-Rx區(qū)間的順序。由于Tx-Rx的重復結構，Tx-Rx的順序在GSS交換過程中非常重要。下表為Tx-Rx順序規(guī)則：最大GSS位置Tx-Rx命令第一幀第二幀無GSS檢測Rx-TxTx-Rx(Tx-Rx)或者(Rx-Tx)5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步功率加權是參考時鐘由GSS到達時間的接收功率加權平均決定的決策規(guī)則之一，如下式所示：

5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步同時，通過下述公式所述的等增益平均，對所有接收到的功率大于檢測閾值的GSS的到達時間進行等平均。

5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步在廣域網(wǎng)環(huán)境下，同步所有終端的時間過長。因此，使用一個只考慮最大功率的GSS的決策規(guī)則來進行群同步。首先，在決策規(guī)則中不考慮距離較遠的UE，可通過分組過程來切斷傳播問題。同步鎖（SynchronizationLock，SL）--是參考時鐘在一定間隔內(nèi)不斷保持的一種狀態(tài)，是指在某一幀間隔內(nèi)參考時鐘的平均值與下一幀間隔內(nèi)參考時鐘的平均值之差在某一樣本內(nèi)。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步檢測終端是否進入SL狀態(tài)，可以通過下式判斷：因此，SL條件通過這種方法，可以使兩個SL組同步，并且可以應用于所有SL組。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步綜上所述，UE在D2D系統(tǒng)中的同步流程如圖下所示。首先，UE嘗試在幾秒鐘內(nèi)檢測下行信號，以使用CA方法。如果沒有下行信號，則采用SA方式。5.4分布式同步策略5.4.3結果分析

根據(jù)前面所提出的D2D同步的幀結構，假設信道特性在一個同步周期內(nèi)不發(fā)生變化，采用的仿真參數(shù)如下:UE數(shù)量50，UE均勻隨機分布在300m×300m的區(qū)域內(nèi)。鏈路范圍閾值設置為70m。注意：所有UE都可以通過多跳連接。

為了正確反映同步所需的時間，模擬時間被歸一化為幀的數(shù)量。5.4分布式同步策略5.4.3結果分析

5.4分布式同步策略5.4.3結果分析下圖為UE數(shù)量為50時的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結果分析下圖為UE數(shù)量為200時的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結果分析論證結果：可以看出自適應分布式同步方法可以實現(xiàn)100%的同步率，但前提是不良同步包比例的閾值要設定得極低。當同步達到穩(wěn)定狀態(tài)時，STD-15.8僅為50個UE和200個UE實現(xiàn)了大約75%和68%的同步率。圖2中的高密度UE數(shù)量比圖1中的低密度UE數(shù)量更快地實現(xiàn)同步，特別是對于所提出的方法。5.5本章小結本章針對D2D同步中的同步分類進行了綜述，大體分為集中式與分布式兩種，其中重點闡述了分類中的分布式策略，并探討了LTE同步技術發(fā)展對D2D同步的影響。D2D同步沿用了LTE的幀結構、同步信號生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術，但是對同步信號進行了改造，以適應D2D通信中的三種覆蓋場景。在分布式策略中，分析了目前存在的困難與挑戰(zhàn)，針對自組網(wǎng)系統(tǒng)中同步協(xié)議的結構局限性，討論了蜂窩輔助同步與D2D獨立同步，以在短時間內(nèi)實現(xiàn)高精度同步。仿真測試了與STD-15.8的性能對比，實驗結果表明，分布式D2D同步技術的同步性能優(yōu)于STD-15.8。5.5本章小結第五章思考題QUESTION:對于部分覆蓋同步場景，如何快速可靠地傳播同步領導者的時鐘值？在整個D2D同步流程中，蜂窩輔助同步和獨立同步流程是什么？PSS和SSS序列共同組成PCI,請問LTE系統(tǒng)的PCI個數(shù)為多少？6D2D緩存與卸載6.1概述6.3緩存策略6.2D2D緩存6.4計算卸載6.5本章小節(jié)6.1概述移動互聯(lián)網(wǎng)流量趨勢：（1）在過去五年中，移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量增長了40倍，其中視頻流量超過一半。（2）移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增長速率遠超基站增長速率6.1概述龐大的數(shù)據(jù)與計算任務給通信網(wǎng)絡帶來的影響有哪些？存儲空間－－請求次數(shù)與日俱增給基站和服務器帶來巨大負荷。回程鏈路－－用戶發(fā)送請求到服務器，要先經(jīng)過基站，然后將需要的資源傳送到核心網(wǎng)，大量流行度較高的重復內(nèi)容經(jīng)過回程鏈路會造成核心網(wǎng)絡擁堵。服務質(zhì)量－－當大量請求在隊列中時，不僅會造成排隊等候的時延，還會造成用戶被迫降低分辨率和碼率，以減少請求時間。D2D緩存的概念6.2D2D緩存D2D緩存是指用戶設備不直接使用BS數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，與本地緩存、微基站緩存和宏基站緩存不同的是，D2D緩存是通過直連鏈路的形式向附近UE請求已經(jīng)緩存好的內(nèi)容，而自身也會緩存相關數(shù)據(jù)以滿足自身以后的數(shù)據(jù)請求，或者滿足鄰近用戶的數(shù)據(jù)請求。圖6-2本地緩存、微基站緩存、宏基站緩存和D2D緩存D2D緩存的優(yōu)點6.2D2D緩存提升通信系統(tǒng)整體容量－－UE無論是從數(shù)量還是分布密度上，都遠大于宏基站和微基站，雖然單個UE的收發(fā)功率、能量效率、存儲能力都落后于BS和邊緣服務器，但是數(shù)量和分布上的優(yōu)勢足以彌補這些缺陷。服務時延－－這里的時延是指發(fā)起請求到結束任務的全過程時延，考慮到用戶可能在發(fā)起請求后由于時延較長、不可抗因素等原因產(chǎn)生放棄行為，距離發(fā)送端較近的設備時延更低。緩存策略分類6.3緩存策略

物根據(jù)不同的應用場景和性能要求，D2D緩存策略可以分為以下六個類別。圖6-4緩存策略分類6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略

主動緩存是根據(jù)當前網(wǎng)絡流量動態(tài)，在非高峰時段，主動將熱門內(nèi)容存儲在選定的緩存節(jié)點中，從而緩解網(wǎng)絡流量壓力。被動緩存是在用戶請求內(nèi)容之后確定是否緩存內(nèi)容。圖6-5LRU（Leastrecentlyused）緩存替換算法常見的主動緩存6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略

LRU緩存的特點：（1）無法完全預測下一時刻的請求內(nèi)容，因此存在緩存污染的情況。（2）如果存儲空間小于或者稍大于文件體積，則不能完成緩存列表更新。（3）空間利用率較低。可通過文件預處理與分級緩存改進該策略6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略將請求文件分為前綴緩存與后綴緩存，后綴緩存進一步平均細分或者不規(guī)則分段一級緩存空間存儲前綴部分各級空間滿載后將末尾文件淘汰到下一級6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略用戶在請求之前會優(yōu)先考慮本地搜索，自緩存命中率為：除去少量的自我緩存外，絕大部分需要臨近UE緩存來實現(xiàn)，D2D緩存命中率：

6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-12平均時延緩存數(shù)量對緩存命中率的影響6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略集中式與分布式緩存對比：集中式緩存下數(shù)據(jù)交互需要跨越的地理距離較遠，造成數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，網(wǎng)絡鏈路不夠穩(wěn)定。當BS不屬于同一服務提供商時，集中解決方案很難實現(xiàn)。分布式解決方案可以更快地響應本地更改，并且對其他節(jié)點的緩存決策影響較小。6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略分布式緩存網(wǎng)絡構成6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略移動輔助設備能夠預測周圍的UE在接下來一段時間內(nèi)可能訪問的內(nèi)容，從而最大程度地利用分布式緩存的多設備、高密度等優(yōu)勢，克服分布式設備的移動性帶來的不穩(wěn)定性。假設單位時間內(nèi)單個UE的平均內(nèi)容請求數(shù)R表示為：

6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-17命中率性能圖6-18命中率與移動輔助設備的移動速度6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真分析：在分布緩存中，假設移動輔助設備具有恒定的速度，并且能夠準確地預測其移動路徑，對于高密度的移動輔助設備，即使有些移動輔助設備偏離了預測路徑，也可能存在其他能夠提供內(nèi)容的移動輔助設備。6.3.3編碼緩存6.3緩存策略編碼緩存是指在緩存數(shù)據(jù)之前處理掉冗余的數(shù)據(jù)或者擴充已有的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對存儲量的壓縮和擴張，然后再進行緩存。圖6-21D2D通信建立及編碼傳輸過程6.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡編碼技術可為D2D緩存帶來如下優(yōu)勢：圖6-22蝶形網(wǎng)絡（1）提高緩存吞吐量

能夠提升網(wǎng)絡吞吐量是網(wǎng)絡編碼技術最突出的優(yōu)勢。該方式通過對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行有效的線性編碼重組，可以使網(wǎng)絡用更少的傳輸次數(shù)傳輸更多的數(shù)據(jù)信息，吞吐量隨之提升。節(jié)點S1向節(jié)點S2發(fā)送數(shù)據(jù)包b1，同時，節(jié)點S2向節(jié)點S1發(fā)送數(shù)據(jù)包b26.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡編碼技術可為D2D緩存帶來如下優(yōu)勢：（2）提升網(wǎng)絡健壯性

在基于網(wǎng)絡編碼的無線網(wǎng)絡傳輸過程中，編碼操作使得每個數(shù)據(jù)包之間產(chǎn)生了相關性和聯(lián)系，即使傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，由于采用了網(wǎng)絡編碼技術，接收節(jié)點可以避免在整個傳輸網(wǎng)絡中尋找新的路由，然后進行解碼恢復。（3）節(jié)約無線資源

在使用網(wǎng)絡編碼的D2D通信系統(tǒng)之中，網(wǎng)絡系統(tǒng)容量提升，傳輸時隙減少，無線資源的需求量也隨之降低。終端數(shù)量較多的大型D2D通信網(wǎng)絡中，引入網(wǎng)絡編碼技術會使得