D2D技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

焦巖，高月紅，楊鴻文，楊大成

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

2013年12月4日，工業(yè)和信息化部正式向全國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商頒發(fā)了TD-LTE牌照，這也預(yù)示著中國(guó)4G時(shí)代的到來(lái)。隨著各種移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)，如LTEAdvanced及WiMAX（802.16）等，帶寬需求逐漸增加，無(wú)線頻譜資源日趨緊缺，商用移動(dòng)通信的頻段逐步向高頻發(fā)展，可用帶寬雖然變多，但是高頻同樣帶來(lái)許多問(wèn)題，空間損耗及路徑損耗變大，繞射能力較低，覆蓋范圍相對(duì)較小。據(jù)工信部相關(guān)資料顯示，共有162 MHz的頻譜用于2G系統(tǒng)，335 MHz的頻譜用于3G系統(tǒng)，而TD-LTE系統(tǒng)則占用了210 MHz，到2020年，中國(guó)城區(qū)國(guó)際移動(dòng)通信（IMT，International Mobile Telecommunication）的頻譜需求為1 864 MHz，而用于IMT的頻譜缺口為1 177 MHz。分配的頻帶資源已經(jīng)滿足不了無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求，如何充分利用有限的資源成了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，進(jìn)一步提高資源利用率，3GPP組織啟動(dòng)了一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作，如構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)分簇等，運(yùn)營(yíng)商也不斷加大對(duì)Small Cell的投資，相對(duì)于投入大量資金鋪設(shè)小型基站，運(yùn)營(yíng)商更傾向于系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，D2D技術(shù)可直接在現(xiàn)網(wǎng)中升級(jí)而來(lái)。

如今，隨著4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，5G技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了人們的視線，D2D技術(shù)與大規(guī)模MIMO、超密集部署、靈活雙工等一并確定為IMT-2020研究的關(guān)鍵技術(shù)。

D2D技術(shù)可以通過(guò)復(fù)用小區(qū)頻譜資源的方式提高頻譜利用率，有效降低基站負(fù)荷，由于其可以在無(wú)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下通信，無(wú)疑保證了網(wǎng)絡(luò)的QoS及魯棒性。

1 D2D技術(shù)發(fā)展歷程

D2D通信作為4G技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一直備受關(guān)注，3GPP組織從2013年4月的RAN1 #72BIS會(huì)議開(kāi)始，著重對(duì)D2D技術(shù)進(jìn)行研討，D2D技術(shù)日趨成熟。

與物聯(lián)網(wǎng)中的M2M（Machine to Machine）概念類似，D2D旨在使一定距離范圍內(nèi)的用戶通信設(shè)備直接通信，以降低對(duì)服務(wù)基站的負(fù)荷。在D2D技術(shù)出現(xiàn)之前，已有類似通信技術(shù)出現(xiàn)，如10幾年前的藍(lán)牙（短距離時(shí)分雙工通信），Wi-Fi Direct（更快的傳輸速度和更遠(yuǎn)的傳輸距離）和高通提出的FlashLinQ技術(shù)（極大地提高了Wi-Fi的傳輸距離）。后面兩種技術(shù)由于各種原因都沒(méi)能大范圍商用，而3GPP組織致力研究的D2D技術(shù)會(huì)在一定程度上彌補(bǔ)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的短板。

相對(duì)于其它不依靠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的直通技術(shù)而言，D2D更加靈活，既可以在基站控制下進(jìn)行連接及資源分配，也可以在無(wú)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)候進(jìn)行信息交互，最近又提出一種中繼情況，處于無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況下的用戶可以把處在網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的用戶設(shè)備作為跳板，從而接入網(wǎng)絡(luò)。

3GPP組織制定的Release 12版本中，將D2D定義為L(zhǎng)TE Device to Device Proximity Services，并通過(guò)TR36.843技術(shù)報(bào)告不斷完善D2D的標(biāo)準(zhǔn)。

2 D2D技術(shù)特點(diǎn)及通信場(chǎng)景

2.1 D2D技術(shù)特點(diǎn)

D2D通信在不斷發(fā)展的同時(shí)，已經(jīng)超越了初期定義時(shí)的局限性，可以滿足多種新興業(yè)務(wù)需求，如廣告推送，大型活動(dòng)資料共享，朋友間的信息共享等。

D2D具有明顯的技術(shù)特征，相比于類似技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于工作于許可頻段，作為L(zhǎng)TE通信技術(shù)的一種補(bǔ)充，它使用的是蜂窩系統(tǒng)的頻段，通信雙方即使增加了通信距離之后，還能保證用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE），反而，Wi-Fi Direct等技術(shù)在增大通信距離之后，勢(shì)必會(huì)存在一定的干擾。

由于D2D通信距離相對(duì)較短，信道質(zhì)量較高，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的傳輸速率、較低的時(shí)延和較低的功耗，增加手機(jī)續(xù)航時(shí)間。

除了以上方面，D2D還可以滿足人與人之間大量的信息交互，相比于藍(lán)牙，D2D無(wú)需繁瑣的匹配，且傳輸速度更快，相比于免費(fèi)的Wi-Fi Direct卻有更好的QoS保證。

2.2 D2D通信場(chǎng)景

在業(yè)務(wù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面上，3GPP組織把D2D場(chǎng)景分為公共安全（Public Safety Scenarios）和非公共安全（Non Public Safety Scenarios）場(chǎng)景，非公共安全也稱為商業(yè)應(yīng)用。公共安全場(chǎng)景是指在發(fā)生自然災(zāi)害、設(shè)備故障、停電及人為破壞后蜂窩系統(tǒng)癱瘓，或在網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差及用戶密度較高的地區(qū)，此時(shí)使用D2D技術(shù)，使用戶終端之間直接進(jìn)行通信以達(dá)到保持正常通信或擴(kuò)容等目的。該場(chǎng)景具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，并得到若干國(guó)家運(yùn)營(yíng)商的支持，如美國(guó)準(zhǔn)備分配700 MHz頻帶上的部分頻譜專門作為D2D應(yīng)急通信資源。

D2D同樣具有廣闊的商用模式，首先體現(xiàn)在廣播方面，如在大型活動(dòng)中的資料共享，購(gòu)物中心促銷、打折等信息的推送，政府部門重要信息廣播等。

在無(wú)線接入層面，按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍區(qū)分，可以把D2D通信分成如下3種場(chǎng)景。

（1）蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信（蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制下的D2D通信）。

（2）部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信（蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助控制下的D2D通信）。

（3）無(wú)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信（不受蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制的D2D通信）。

對(duì)于第1種情況，如圖1所示，LTE基站首先需要發(fā)現(xiàn)D2D通信的設(shè)備，建立邏輯連接，然后控制D2D設(shè)備的資源分配，進(jìn)行資源調(diào)度和干擾管理，用戶可以獲得高質(zhì)量通信。

對(duì)于第2種情況，如圖2所示，基站只需引導(dǎo)設(shè)備雙方建立連接，而不再進(jìn)行資源調(diào)度，其網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度比第一類D2D通信有大幅降低，可對(duì)應(yīng)于下文提到的中繼模式。

圖1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景

圖2 部分網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景

第3種場(chǎng)景是在完全沒(méi)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的時(shí)候，如圖3所示，用戶設(shè)備（UE）進(jìn)行直接通信，該場(chǎng)景對(duì)應(yīng)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)癱瘓的時(shí)候，用戶可以經(jīng)過(guò)多跳，相互通信或者接入網(wǎng)絡(luò)。

按照接收端和發(fā)送端所處位置區(qū)分，可以把D2D通信分成如下3種場(chǎng)景。

（1）發(fā)送端和接收端都在室內(nèi)。

（2）發(fā)送端和接收端都在室外。

（3）發(fā)送端和接收端一個(gè)在室內(nèi)一個(gè)在室外。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以大量采用前兩種場(chǎng)景，比如將室內(nèi)蜂窩用戶的資源復(fù)用給室外的D2D用戶，或者室內(nèi)D2D用戶復(fù)用室外蜂窩用戶資源，這樣勢(shì)必會(huì)減少因復(fù)用資源而產(chǎn)生的干擾。

圖3 無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景

D2D技術(shù)主要分為如下兩個(gè)重要的研究方向：D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)（D2D Discovery）和D2D通信（D2D Communication）。設(shè)備發(fā)現(xiàn)主要用于商業(yè)場(chǎng)景中的廣播通信（廣告），而D2D通信主要用于公共安全場(chǎng)景。表1是3GPP組織給出的D2D重點(diǎn)研究場(chǎng)景，從表中可以看出，D2D的商業(yè)應(yīng)用主要是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下發(fā)現(xiàn)用戶，從而達(dá)到某種目的。

表1 LTE-D2D研究方向

最近，3GPP組織又提出了一種中繼模式的D2D通信。該技術(shù)主要目的是使無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋或者處在小區(qū)邊緣的用戶通過(guò)單跳或者多跳連接信號(hào)質(zhì)量好的用戶，然后接入網(wǎng)絡(luò)，這可以提升小區(qū)吞吐量，提高小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

其實(shí)，D2D的中繼方式早有前身，在周圍沒(méi)有Wi-Fi信號(hào)的場(chǎng)景下，用戶使用某種沒(méi)有蜂窩能力設(shè)備上網(wǎng)時(shí)，可以通過(guò)共享手機(jī)的上網(wǎng)流量，如圖4左所示，無(wú)法直接接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶設(shè)備可以通過(guò)接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的智能終端作為訪問(wèn)接入點(diǎn)（AP）從而實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能，但是當(dāng)用戶移動(dòng)速度較快或者超出Wi-Fi信號(hào)覆蓋范圍時(shí)，該鏈接就會(huì)中斷，不能保證用戶的服務(wù)質(zhì)量。為了保證會(huì)話連續(xù)性，可以采用圖4右所示的LTE-D2D接入方式，使用戶在移動(dòng)過(guò)程中可以隨時(shí)切換并連接到任意其它蜂窩UE，保持其通信連續(xù)性。

圖4 Wi-Fi接入和LTE-D2D方式接入

在中繼模式下，如何保證用戶通信安全及中繼用戶的通信質(zhì)量是今后的研究重點(diǎn)。

3 D2D關(guān)鍵問(wèn)題

D2D不僅影響eNB（evolved NodeB）的工作方式及復(fù)雜程度，而且影響UE的硬件設(shè)計(jì)。由于傳統(tǒng)的蜂窩用戶設(shè)備只需在上行具備發(fā)送能力及在下行具備接收能力，但基于D2D通信的技術(shù)要求，D2D用戶設(shè)備需要具備雙向收發(fā)能力，即在上、下行都能發(fā)送和接收信號(hào)，那么需要升級(jí)用戶設(shè)備的收發(fā)機(jī)，從這方面出發(fā)，TDD系統(tǒng)無(wú)疑比FDD系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镕DD用戶設(shè)備在接收、解調(diào)上行信號(hào)時(shí)，需要升級(jí)射頻濾波器，并相應(yīng)升級(jí)基帶濾波器等，TDD用戶設(shè)備在接收上行信號(hào)時(shí)，需要升級(jí)其在上行時(shí)隙上的解調(diào)能力，但其接收頻段沒(méi)有改變，這樣只需要升級(jí)基帶系統(tǒng)，所以TDD系統(tǒng)用戶設(shè)備的改變較小。

當(dāng)D2D在未來(lái)大范圍應(yīng)用時(shí)，D2D設(shè)備勢(shì)必會(huì)復(fù)用蜂窩頻譜資源，按照D2D使用的信道區(qū)分，可以把D2D通信分成如下3種模式。

（1）D2D設(shè)備與宏基站共享信道。

（2）D2D設(shè)備與小型基站共享信道。

（3）D2D設(shè)備使用自己的專有信道。

當(dāng)D2D設(shè)備使用專有信道時(shí)，不會(huì)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信造成干擾。但當(dāng)小區(qū)中用戶密度較高時(shí)，D2D設(shè)備通信時(shí)需復(fù)用蜂窩用戶的頻率資源，當(dāng)復(fù)用上行鏈路資源時(shí)，eNB會(huì)受到同頻干擾，這時(shí)基站可以根據(jù)上行鏈路SINR適當(dāng)調(diào)整D2D通信的發(fā)送功率以控制干擾。

當(dāng)復(fù)用下行鏈路資源時(shí)，下行鏈路上的用戶會(huì)受到D2D信號(hào)的干擾，被干擾的用戶位置取決于蜂窩系統(tǒng)的當(dāng)前調(diào)度情況，所以受干擾的下行鏈路用戶可能位于小區(qū)中的任意位置，如果受干擾用戶和D2D用戶的距離較近時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重干擾，所以3GPP組織優(yōu)先研究D2D復(fù)用上行鏈路資源，同時(shí)，對(duì)于TDD系統(tǒng)，優(yōu)先復(fù)用上行子幀。

為了避免同頻干擾，可以將被干擾的用戶和D2D用戶在空間上分離，基站可以將相同的頻譜資源分別分配給室內(nèi)和室外的用戶。

同步是D2D通信的前提，UE需要接收同步源發(fā)射的同步信號(hào)達(dá)到定時(shí)及頻率同步的目的。D2D同步信號(hào)（D2DSS）的原理與結(jié)構(gòu)同LTE中的PSS/SSS類似，是D2D通信中非常重要的組成部分。在UE發(fā)送信號(hào)之前，首先需要偵測(cè)同步源，當(dāng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)同步源時(shí)候，以基站發(fā)射的同步信號(hào)為最高優(yōu)先級(jí)。

4 D2D發(fā)展前景及應(yīng)用

D2D作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)直通、中繼模式，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提高小區(qū)邊緣用戶吞吐量；通過(guò)復(fù)用蜂窩小區(qū)頻率資源，提高頻譜資源利用率。目前，D2D可采用廣播、多播、單播模式，未來(lái)將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)（Advanced D2D），如多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。

面對(duì)OTT對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的沖擊，D2D技術(shù)勢(shì)必作為運(yùn)營(yíng)商著力發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)。隨著視頻等多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，以基站為中心的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)提供模式已經(jīng)不能適應(yīng)如今海量數(shù)據(jù)傳輸需求，D2D技術(shù)的誕生拓展了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并革新了接入方式，將為用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)。

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