D2D通信技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景分析

徐操喜 楊小英 甘金海 魏鵬耀

摘要：文章在分析D2D通信系統(tǒng)基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了如何建立D2D通信的會(huì)話流程，從而建立D2D通信接連；在簡(jiǎn)要闡述D2D通信所涉及的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了D2D通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；對(duì)D2D通信在5G時(shí)代的典型基本應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后對(duì)D2D通信在未來5G時(shí)代所扮演的重要角色做了展望。

關(guān)鍵詞：LTE； D2D通信；技術(shù)優(yōu)勢(shì)；應(yīng)用場(chǎng)景

近年來，隨著多媒體業(yè)務(wù)急劇暴增，移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展，4G長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）系統(tǒng)已全面鋪設(shè)完成，5G系統(tǒng)已然向我們揮手，未來移動(dòng)通信技術(shù)將進(jìn)一步快速發(fā)展。通信帶寬資源隨著用戶需求的增加越來越緊缺，可以利用的無線信道頻譜道資源，又存在無法滿足業(yè)務(wù)需求的問題。如何提高LTE系統(tǒng)吞吐量、最大化利用現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜資源必將成為未來移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展研究方向，設(shè)備到設(shè)備（Device-to-Device，D2D）通信技術(shù)正是為解決這一問題應(yīng)運(yùn)而生。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

D2D技術(shù)即終端直連傳輸技術(shù)，又稱為鄰近服務(wù)（Proximity Service），是指在LET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制下，允許處在相近位置的終端用戶可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而不需要通過基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳輸?shù)男滦图夹g(shù)[1]。

按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍區(qū)分，可以把D2D通信分成3種場(chǎng)景：（1）蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信，LTE基站首先需要發(fā)現(xiàn)D2D通信設(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)量的通信。（2）部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信，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。（3）完全沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信，用戶設(shè)備直接進(jìn)行D2D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)過多跳，相互通信或者接入網(wǎng)絡(luò)。

2 會(huì)話建立

在LTE網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信，用戶需滿足諸如距離、對(duì)主網(wǎng)絡(luò)的限制干擾等相應(yīng)的條件才能建立D2D通信鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。具體會(huì)話建立過程：首先，LTE網(wǎng)絡(luò)需要通過設(shè)備發(fā)現(xiàn)機(jī)制識(shí)別出能夠進(jìn)行D2D通信的用戶終端設(shè)備，目前主要有先驗(yàn)機(jī)制和后驗(yàn)機(jī)制兩種發(fā)現(xiàn)機(jī)制，分別對(duì)應(yīng)LTE網(wǎng)絡(luò)控制下的D2D通信與LTE網(wǎng)絡(luò)輔助控制下的D2D通信[2-4]。

對(duì)于LTE網(wǎng)絡(luò)控制下的D2D通信，終端A向移動(dòng)管理節(jié)點(diǎn)（Mobility Management Entity，MME）主動(dòng)發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求，MME接收并處理該請(qǐng)求，并分配一個(gè)專用IP地址給終端A；同時(shí)，MME檢測(cè)終端A、終端B是否在相同或相鄰小區(qū)，如果在相同或相鄰小區(qū)，則MME要求基站為這兩個(gè)D2D用戶終端設(shè)備建立承載?；痉謩e向終端A和終端B發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求，檢測(cè)通信環(huán)境，并發(fā)回檢測(cè)結(jié)果報(bào)告?；靖鶕?jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是否建立D2D連接，如果可以建立D2D通信鏈路，那么基站就會(huì)給終端A、終端B分配無線資源和設(shè)置相應(yīng)的發(fā)送功率，從而建立D2D通信連接。

LTE網(wǎng)絡(luò)輔助控制下的D2D通信，兩個(gè)終端通信時(shí)由網(wǎng)關(guān)處理每個(gè)發(fā)送包的IP頭，通過分析它們所在小區(qū)，便可判斷雙方是否在同一個(gè)小區(qū)或相鄰小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，如果是，則就將其標(biāo)識(shí)為可能的D2D通信，然后交給基站檢測(cè)能否進(jìn)行D2D通信[2]。具體過程如下所示：（1）用戶終端A發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求。（2）媒體網(wǎng)關(guān)檢測(cè)用戶IP數(shù)據(jù)包，判斷通信雙方是否在相同或相鄰小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)。（3）媒體網(wǎng)關(guān)根據(jù)距離等標(biāo)準(zhǔn)，將該終端標(biāo)記為可能的D2D通信。（4）基站向可能的D2D通信終端請(qǐng)求上傳信道測(cè)量報(bào)告，決定是否建立D2D連接。（5）如果兩個(gè)終端都具備D2D通信功能且其性能比蜂窩移動(dòng)通信更好，基站則為其建立D2D承載。

而對(duì)于兩個(gè)終端用戶都不在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí)，分兩種類型：（1）當(dāng)兩個(gè)用戶終端距離較近時(shí)，則可直接利用D2D技術(shù)來進(jìn)行通信。（2）兩個(gè)終端用戶距離較遠(yuǎn)時(shí)，則必須尋找一個(gè)或多個(gè)用戶作為中繼終端，通過中繼節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)用戶終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（通過兩段D2D通信實(shí)現(xiàn)）或者接入LTE網(wǎng)絡(luò)，在LTE基站的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)D2D通信[5-7]。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：實(shí)現(xiàn)鄰近D2D終端的檢測(cè)及識(shí)別的D2D發(fā)現(xiàn)技術(shù)、同步技術(shù)、無線資源管理、功率控制和干擾協(xié)調(diào)、通信模式切換等[8-9]。

3.1 頻譜利用率顯著提高

通信鏈路和資源復(fù)用產(chǎn)生的增益都可以將無線頻譜資源的效率大大提高，網(wǎng)絡(luò)吞吐量得到顯著改善。在D2D通信模式下，兩個(gè)終端用戶之間的數(shù)據(jù)無需經(jīng)過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)，直接進(jìn)行傳輸，通信鏈路進(jìn)而產(chǎn)生增益；另外，網(wǎng)絡(luò)存在資源復(fù)用增益，在D2D用戶、D2D與蜂窩間的資源都可以復(fù)用。

3.2 提升用戶體驗(yàn)

引入基于鄰近用戶感知的D2D技術(shù)，用戶體驗(yàn)大大提升。隨著通信技術(shù)和服務(wù)的發(fā)展，小范圍的社交和商業(yè)活動(dòng)、面向本地特定用戶的特定業(yè)務(wù)以及具有鄰近特性的用戶間近距離的數(shù)據(jù)共享，都成為當(dāng)前及未來無線平臺(tái)效益來源中一個(gè)不可忽視的增長點(diǎn)。

3.3 擴(kuò)展應(yīng)用范圍

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信設(shè)備要求較高，核心網(wǎng)或接入網(wǎng)設(shè)備的損壞都可能使得通信系統(tǒng)癱瘓。引入D2D通信，使得在蜂窩通信終端建立Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)成為可能，終端可實(shí)現(xiàn)端到端的通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，即使通信基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障或者存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)時(shí)，其應(yīng)用場(chǎng)景得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。

4 5G D2D通信主要應(yīng)用場(chǎng)景

作為面向5G的關(guān)鍵候選技術(shù)，D2D通信固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。下面對(duì)D2D通信在未來5G時(shí)代的潛在應(yīng)用場(chǎng)景作初步分析[10-11]。

4.1 本地業(yè)務(wù)

4.1.1社交應(yīng)用

D2D通信技術(shù)最基本的應(yīng)用場(chǎng)景就是基于鄰近特性的社交應(yīng)用。通過D2D通信功能，可以進(jìn)行如內(nèi)容分享、互動(dòng)游戲等鄰近用戶之間數(shù)據(jù)的傳輸，用戶通過D2D的發(fā)現(xiàn)功能尋找鄰近區(qū)域的感興趣用戶。

4.1.2 本地?cái)?shù)據(jù)傳輸

利用D2D的鄰近特性及數(shù)據(jù)直通特性實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)傳輸，在節(jié)省頻譜資源的同時(shí)擴(kuò)展移動(dòng)通信應(yīng)用場(chǎng)景。如基于鄰近特性的本地廣告服務(wù)可向用戶推送商品打折促銷、影院新片預(yù)告等信息，通過精確定位目標(biāo)用戶使得效益最大化。

4.1.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量卸載

隨著高清視頻等大流量特性的多媒體業(yè)務(wù)日益增長，給網(wǎng)絡(luò)的核心層和頻譜資源帶來巨大挑戰(zhàn)。利用D2D通信的本地特性開展的本地多媒體業(yè)務(wù)，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)核心層及頻譜的資源。例如，運(yùn)營商或內(nèi)容提供商可以在熱點(diǎn)區(qū)域設(shè)置服務(wù)器，將當(dāng)前熱門的媒體業(yè)務(wù)存儲(chǔ)在服務(wù)器中，服務(wù)器以D2D模式向有業(yè)務(wù)需求的用戶提供業(yè)務(wù)；用戶也可從鄰近的已獲得該媒體業(yè)務(wù)的用戶終端處獲得所需的媒體內(nèi)容，從而緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下行傳輸壓力。另外，近距離用戶之間的蜂窩通信可切換到D2D通信模式以實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量的卸載。

4.2 應(yīng)急通信

D2D通信可以解決極端自然災(zāi)害引起通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞導(dǎo)致通信中斷而給救援帶來障礙的問題。在D2D通信模式下，兩個(gè)鄰近的移動(dòng)終端之間仍然能夠建立無線通信，為災(zāi)難救援提供保障。另外，在無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，用戶通過一跳或多跳D2D通信可以連接到無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶終端，借助該用戶終端連接到無線通信網(wǎng)絡(luò)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)

根據(jù)業(yè)界預(yù)測(cè)，在2020年時(shí)全球范圍內(nèi)將會(huì)存在大約500億部蜂窩接入終端，而其中大部分將是具有物聯(lián)網(wǎng)特征的機(jī)器通信終端。如果D2D通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，則有可能產(chǎn)生真正意義上的互聯(lián)互通無線通信網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信就是典型的物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)的D2D通信應(yīng)用場(chǎng)景?；诮K端直通的D2D由于在通信時(shí)延、鄰近發(fā)現(xiàn)等方面的特性，使得其應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)車輛安全領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢(shì)。

4.4 其他場(chǎng)景

LTE系統(tǒng)D2D應(yīng)用場(chǎng)景還包括多用戶多輸入多輸出系統(tǒng)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）增強(qiáng)、協(xié)作中繼、虛擬MIMO等。另外還可協(xié)助解決新的無線通信場(chǎng)景的問題及需求。如室內(nèi)定位，基于傳統(tǒng)衛(wèi)星定位方式的室內(nèi)終端將無法正常工作，通過預(yù)部署的已知位置信息的終端或者位于室外的普通已定位終端，基于D2D的室內(nèi)定位可以準(zhǔn)確確定待定位終端的位置，實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)中對(duì)室內(nèi)定位的支持。

5 結(jié)語

本文對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)中D2D通信技術(shù)的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究分析，隨著多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷多樣化，終端數(shù)量的日益增長，5G時(shí)代的到來，D2D技術(shù)將會(huì)扮演越來越重要的角色，為實(shí)現(xiàn)真正意義上廣泛互聯(lián)互通移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無線通信發(fā)展愿景提供重要支撐。

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