LTE系統(tǒng)下的D2D通信技術(shù)分析研究

王鈺 李翀

摘要：D2D通信是一種新型通信技術(shù)，它受控于LTE系統(tǒng)，終端之間允許通過(guò)對(duì)小區(qū)頻譜資源進(jìn)行復(fù)用進(jìn)而可以直接進(jìn)行通信，它可以使終端發(fā)射功率有效減少，使蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率得到有效提高，對(duì)于當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)缺乏足夠的頻譜資源的問(wèn)題該技術(shù)也在一定程度上給予了解決。

關(guān)鍵詞：LTE系統(tǒng)；D2D通信技術(shù)；無(wú)線通信系統(tǒng)；頻譜資源；終端發(fā)射功率 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN929 文章編號(hào)：1009-2374（2016）10-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.011

1 概述

在我國(guó)，移動(dòng)通信系統(tǒng)如今隨著移動(dòng)通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展已逐漸進(jìn)入4G時(shí)代并向前進(jìn)一步發(fā)展。LTE系統(tǒng)作為當(dāng)前的主流無(wú)線通信協(xié)議，已經(jīng)在民用和工業(yè)上廣泛應(yīng)用。隨著用戶需求的不斷增加，通信帶寬的壓力也越來(lái)越大，無(wú)線信道資源變得緊缺起來(lái)，并且現(xiàn)今能夠利用到移動(dòng)通信的頻譜資源又無(wú)法完全滿足需求，所以使系統(tǒng)的吞吐量得到提高，對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)有的頻譜資源進(jìn)行最大化的使用成為未來(lái)必然的發(fā)展方向。D2D（Device-to-Device）通信技術(shù)就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生的。

D2D通信是一種新型通信技術(shù)。它受控于LTE系統(tǒng)，終端之間允許通過(guò)對(duì)小區(qū)頻譜資源進(jìn)行復(fù)用進(jìn)而可以直接進(jìn)行通信，它可以使終端發(fā)射功率有效的減少，使蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率得到有效的提高，對(duì)于當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)缺乏足夠的頻譜資源的問(wèn)題該技術(shù)也在一定程度上給予了解決。通過(guò)對(duì)小區(qū)內(nèi)的資源反復(fù)利用，D2D通信技術(shù)提高了頻譜資源利用率。但小區(qū)內(nèi)的用戶會(huì)和重復(fù)利用小區(qū)內(nèi)資源產(chǎn)生一定的干擾，為了使系統(tǒng)頻譜的利用率得到提高，應(yīng)采取措施將這種干擾降低。

2 D2D技術(shù)原理

D2D通信是一種端到端通信技術(shù)，它受控于小區(qū)的基站。采用該技術(shù)可以使蜂窩通信系統(tǒng)的系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用效率得到有效的提升，對(duì)于當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)中有關(guān)頻譜資源缺乏的問(wèn)題D2D通信也可以提供一定的解決辦法。用戶向BS（基站）提出建立D2D通信的請(qǐng)求，根據(jù)用戶發(fā)出的相關(guān)通信請(qǐng)求基站給D2D用戶分配相應(yīng)合適的信道資源，信道根據(jù)用戶所獲取的信道資源就直接可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)使系統(tǒng)吞吐量得到提高與使基站的負(fù)載減輕的目的。接下來(lái)從數(shù)據(jù)鏈路和控制鏈路建立的步驟和對(duì)D2D通信資源進(jìn)行劃分的形式來(lái)對(duì)D2D通信技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)析。

對(duì)D2D通信用戶資源的劃分有兩種方式：一種是將小區(qū)內(nèi)的頻譜資源讓蜂窩用戶與D2D通信用戶共同使用；另一種是專門給D2D通信用戶劃分一定的并且和蜂窩通信用戶所使用的資源相互正交的頻譜資源。蜂窩模式資源和D2D模式資源這兩個(gè)部分相互正交的頻譜資源被專用資源分配方式嚴(yán)格給區(qū)分開來(lái)。專用資源分配方式對(duì)資源這種嚴(yán)格的劃分方式將D2D通信用戶與蜂窩通信用戶之間形成的干擾給有效地消除了，但是這種情況也只是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不大的時(shí)候適用，分配給對(duì)應(yīng)兩種模式下用戶的資源不能被它們充分高效地利用，這種方案不僅不會(huì)提高頻譜資源的利用效率，反而會(huì)使其效率降低。

3 D2D通信流程分析

3.1 D2D通信建立方法

建立D2D通信的方法一共有兩種，依據(jù)D2D通信控制方式的差異可分為分布式控制和集中式控制。通過(guò)D2D設(shè)備依靠自身完成D2D通信連接的形成和維護(hù)的方式為分布式控制。集中式控制則是D2D通信連接完全受控于基站，基站基于來(lái)自終端的有關(guān)測(cè)量的信息由此來(lái)獲得關(guān)于通信用戶在信道質(zhì)量與位置等方面的信息，并根據(jù)這些信息的具體將資源進(jìn)行合理的分配，然而系統(tǒng)信令負(fù)荷同時(shí)也會(huì)由此方案而相應(yīng)增加。分布式控制與集中式控制相比，對(duì)于D2D設(shè)備之間的鏈路質(zhì)量信息，前者更加容易獲得，但是同時(shí)前者也會(huì)使D2D設(shè)備的復(fù)雜程度相應(yīng)地增大。建立D2D通信需要相應(yīng)的步驟和一定的約束條件，D2D終端間由于有距離的約束，所以兩D2D終端間的距離一般要在50米的范圍內(nèi)，否則會(huì)使終端間的信號(hào)受到很大的影響，同時(shí)使手機(jī)電量的耗損增加，可能產(chǎn)生額外的干擾或影響。在此文中，所有的D2D用戶都假定處在同一個(gè)小區(qū)，以下為具體實(shí)現(xiàn)的步驟：（1）用戶給基站發(fā)起有關(guān)會(huì)話建立的請(qǐng)求信號(hào)；（2）該請(qǐng)求信號(hào)被基站接收，同時(shí)基站對(duì)請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的判斷其是否符合條件，同時(shí)給所要反復(fù)利用資源的蜂窩用戶和D2D通信的目的端發(fā)送有關(guān)測(cè)量的信息指令及預(yù)先要分配的資源信息；（3）依據(jù)來(lái)自基站的指示信號(hào)，D2D通信源端給蜂窩用戶端和D2D通信目的端發(fā)送相對(duì)應(yīng)的測(cè)量命令并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定；（4）每個(gè)通信終端把包含獲得測(cè)定數(shù)據(jù)的測(cè)量報(bào)告?zhèn)魉徒o基站，基站依據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)分配給D2D用戶相應(yīng)的最終信道資源；（5）D2D通信開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 D2D通信模式的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于許多通信業(yè)務(wù)尤其是在同一個(gè)地域內(nèi)或是距離很近的可靠通信中，如在某些公共場(chǎng)所內(nèi)，例如機(jī)場(chǎng)、車站、商場(chǎng)等，都可以將D2D通信應(yīng)用到其中。通信用戶間利用此模式可以直接開展視頻會(huì)議、發(fā)布信息、語(yǔ)音通信、共享資料等業(yè)務(wù)，而不必要使用接入點(diǎn)或者基站作為中轉(zhuǎn)，由此可以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)和縮短傳輸?shù)臅r(shí)間。與在通信中將基站或接入點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)的蜂窩通信相比，D2D通信不但可以給蜂窩用戶提供有保證的服務(wù)需求，還可以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。小區(qū)基站可以在為D2D通信提供所需服務(wù)的同時(shí)將話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分享給更多的蜂窩用戶。在一些蜂窩系統(tǒng)還未全面覆蓋無(wú)線服務(wù)的基礎(chǔ)或者相關(guān)設(shè)施建設(shè)并不完善的地區(qū)，一部分本地通信服務(wù)也可由D2D通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如在室內(nèi)環(huán)境中應(yīng)用D2D技術(shù)，多個(gè)用戶之間就無(wú)需通過(guò)固定網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)而是可直接采用D2D通信技術(shù)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

目前已經(jīng)研究出許多與近距離范圍內(nèi)的無(wú)線通信相關(guān)的通信協(xié)議和技術(shù)。這其中使用最為廣泛也最為流行的技術(shù)是Wi-Fi（無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)）和Bluetooth（藍(lán)牙技術(shù)），但是這兩種技術(shù)并不是完美的，也都存在著一些不足：Wi-Fi技術(shù)容易對(duì)監(jiān)聽(tīng)產(chǎn)生影響，不能確保通信質(zhì)量；藍(lán)牙技術(shù)在進(jìn)行通信之前必須通過(guò)配對(duì)，不僅適用距離非常短，而且操作步驟比較繁瑣。通過(guò)對(duì)比Wi-Fi技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)本身所存在的技術(shù)缺陷，D2D技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)如下：（1）小區(qū)系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率通過(guò)對(duì)小區(qū)內(nèi)的頻譜資源反復(fù)利用能夠得到提升；（2）小區(qū)內(nèi)的頻譜資源通過(guò)D2D通信來(lái)進(jìn)行劃分，因此其能確保提供的通信服務(wù)安全可靠且完全可控；（3）該技術(shù)可以使移動(dòng)通信設(shè)備發(fā)射信號(hào)的功率得到減小，由此可以使終端設(shè)備的電池消耗得到下降，從而使設(shè)備使用時(shí)間得到增長(zhǎng)；（4）由于小區(qū)頻譜資源是由基站控制D2D通信來(lái)進(jìn)行劃分的，因此可以有效地減小來(lái)自所在小區(qū)用戶的影響，同時(shí)基站承受的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)也因不再需要其中繼而得到減小。

3.3 D2D通信與蜂窩通信之間的干擾

當(dāng)D2D通信用于傳統(tǒng)的蜂窩通信中，二者就會(huì)出現(xiàn)對(duì)信道資源的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。如果二者之間的通信信道資源處于正交狀態(tài)，就不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。但當(dāng)它們使用的資源不正交時(shí)，相互之間就會(huì)有干擾產(chǎn)生。通常情況下，干擾主要通過(guò)功率控制和優(yōu)化資源分配方案來(lái)解決。在D2D通信中，可以通過(guò)限制D2D的最大發(fā)射功率來(lái)達(dá)到控制D2D通信對(duì)蜂窩通信干擾的目的。在蜂窩通信中則可以優(yōu)化資源分配方案來(lái)減小對(duì)D2D通信造成的干擾。

當(dāng)用戶的D2D鏈路建立起來(lái)以后，其上行鏈路何以和蜂窩共用，而當(dāng)二者共用下行鏈路時(shí)，由于不同的通信環(huán)境和通信需求，復(fù)用上行或者下行鏈路的頻譜資源對(duì)D2D通信與蜂窩通信之間產(chǎn)生的干擾是有所不同的。當(dāng)D2D和蜂窩共用下行鏈路時(shí)，D2D用戶無(wú)論在小區(qū)中所處的位置如何，其發(fā)射功率都變化不大。但是當(dāng)二者共用上行鏈路時(shí)，位置對(duì)于發(fā)射功率的影響就會(huì)變得十分明顯，所以D2D用戶和基站的位置比較接近時(shí)，可以和蜂窩用戶共用下行鏈路資源，當(dāng)D2D用戶和基站的位置比較遠(yuǎn)時(shí)，二者共享上行鏈路的頻譜資源比較合理。

由于蜂窩系統(tǒng)很多控制信息都是由下行鏈路發(fā)送，而上行鏈路并沒(méi)有被充分利用起來(lái)。當(dāng)蜂窩用戶和D2D用戶共用下行鏈路時(shí)，往往蜂窩用戶更容易受到干擾，而且蜂窩用戶通常位置不固定，分布也沒(méi)有規(guī)律，因此減小干擾難度較大。但如果復(fù)用上行鏈路資源，受到干擾的是基站，而基站的位置是固定不變的，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好控制干擾。鑒于以上原因，本文分析的是D2D通信與蜂窩通信中，D2D用戶復(fù)用蜂窩上行的鏈路頻譜資源產(chǎn)生的干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

作為即將成為對(duì)目前蜂窩通信的一種完善，D2D通信技術(shù)在將來(lái)被用于提供一些未來(lái)通信服務(wù)的特別要求，如發(fā)布信息的業(yè)務(wù)、無(wú)線通信的業(yè)務(wù)和在近距離傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)等，同時(shí)為未來(lái)由于頻譜資源的緊張而引發(fā)的問(wèn)題提供解決方案。D2D通信技術(shù)作為一種新興技術(shù)，它不但能確保服務(wù)安全可靠，而且能夠使短距離的通信非常快捷。D2D通信與WLAN、藍(lán)牙等技術(shù)相比，在允許的頻段范圍內(nèi)，前者對(duì)小區(qū)用戶的影響能夠通過(guò)D2D通信控制基站對(duì)頻譜資源的劃分和基站的發(fā)射功率，從而使得其范圍能夠得到有效的控制，同時(shí)也使頻譜的利用率和小區(qū)的系統(tǒng)吞吐量得到有效提升。與在小區(qū)內(nèi)應(yīng)用D2D通信相比，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在一些基站的負(fù)載比較高、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施比較少的地方，更能得到體現(xiàn)。但是蜂窩通信和D2D通信之間的相互影響由于兩者之間對(duì)頻譜資源共同使用因而就無(wú)法消除，D2D通信技術(shù)對(duì)小區(qū)用戶的影響能夠通過(guò)基站控制對(duì)D2D通信的資源的劃分而得到有效的控制，這種方式也顯得非常的重要，因此關(guān)于D2D技術(shù)的研究對(duì)于移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 易睿德，趙治.LTE系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 崔鵬，陳力.D2D技術(shù)在LTE-A系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信技術(shù)，2011，（1）.

[3] 王彬，陳力，張欣，楊大成.在LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)下的Device-to-Device通信[J].現(xiàn)代電信技術(shù)，2010，（7）.

[4] 李玉兵.未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中D2D關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2012.

[5] 李玉.蜂窩控制下D2D通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].安徽大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：王鈺（1982-），男，吉林松原人，卡斯柯信號(hào)有限公司工程師，博士，研究方向：鐵路信號(hào)系統(tǒng)、無(wú)線通信等。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）