5G關(guān)鍵技術(shù)：D2D通信技術(shù)應(yīng)用

文/黃桔林 盧旭文

現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)正從以宏基站為主的二維平面覆蓋網(wǎng)絡(luò)（2G/3G）向宏微結(jié)合、立體覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)覆蓋更加全面、精細(xì)，接入網(wǎng)絡(luò)的智能終端數(shù)量正在快速增長。智能終端（如智能手機(jī)、智能家電、可穿戴式設(shè)備，智能車載設(shè)備等）的普及，使得各種新興業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，同時移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量持續(xù)膨脹，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷越來越重。根據(jù)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年1月-4月，移動互聯(lián)網(wǎng)累計流量達(dá)351億GB，同比增長122.2%。4月DOU達(dá)到7.32GB，同比增長110.2%。2013年，3GPP在Release12協(xié)議中對D2D通信技術(shù)進(jìn)行了深入探討，定義了鄰近服務(wù)功能（Proximity-based services，ProSe），可以說ProSe技術(shù)就是D2D技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。隨著D2D通信技術(shù)的不斷發(fā)展、成熟及完善，其已被納入到第五代移動通信系統(tǒng)框架內(nèi)，成為5G關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 D2D通信系統(tǒng)簡介

1.1 D2D通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

D2D通信技術(shù)（Device-to-Device Commu nication）是指通信終端無需經(jīng)過基站轉(zhuǎn)發(fā)，可直接建立通信連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通信方式。D2D通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)新增了2個功能實體ProSe Function（鄰近服務(wù)功能實體）和ProSe Application server（鄰近服務(wù)應(yīng)用服務(wù)器），用戶側(cè)終端則需支持ProSe Application（鄰近服務(wù)應(yīng)用），其具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 D2D通信功能

蜂窩系統(tǒng)要實現(xiàn)設(shè)備間的直接通信，需具備以下功能：

（1）基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)EPC的設(shè)備發(fā)現(xiàn)，也就是終端A/B間經(jīng)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)EPC統(tǒng)一調(diào)度、控制，發(fā)現(xiàn)彼此的會話請求，從而在終端A/B間建立通信連接。

（2）設(shè)備直接發(fā)現(xiàn)，也就是終端A/B間無需蜂窩網(wǎng)絡(luò)的參與即可發(fā)現(xiàn)彼此建立連接。

（3）設(shè)備直連通信，即終端A/B間通信連接建立后，數(shù)據(jù)傳輸無需經(jīng)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，終端A/B間可以直接進(jìn)行信息交互。終端設(shè)備通過復(fù)用對應(yīng)蜂窩小區(qū)的頻率資源來達(dá)到流量分流的效果，從而提升小區(qū)吞吐量。

（4）終端到網(wǎng)絡(luò)的中繼功能，也就是多跳功能，以終端作為中繼節(jié)點(diǎn)，經(jīng)多跳接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

1.3 D2D通信技術(shù)優(yōu)勢

（1）近距離通信時可以較小的功率獲得較快的傳輸速率；

（2）數(shù)據(jù)傳輸無需依賴移動通信網(wǎng)絡(luò)，直通終端間直接建立通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，分流數(shù)據(jù)流量，降低基站負(fù)荷，緩解核心網(wǎng)壓力；

（3）D2D通信可通過復(fù)用移動通信網(wǎng)絡(luò)小區(qū)頻譜資源，提高頻譜資源利用率，從而增加系統(tǒng)吞吐量；

（4）具備完整的端到端QoS機(jī)制，用戶服務(wù)質(zhì)量有保障，可以滿足不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求；

（5）具備多跳中繼功能，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍外的終端設(shè)備可借助小區(qū)邊緣終端，通過多跳的方式接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，間接擴(kuò)展了蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍；

（6）相較其他近距離通信技術(shù)（藍(lán)牙、Wi-Fi Direct等），D2D通信更靈活，即可工作于授權(quán)頻譜，也可工作于非授權(quán)頻譜。另外相比藍(lán)牙技術(shù)，D2D通信無需進(jìn)行繁瑣的匹配，時延更小，傳輸速率更快。

圖1：基于LTE-A的D2D網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2 應(yīng)用場景分析

根據(jù)D2D通信技術(shù)的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢，其主要應(yīng)用場景有以下幾方面。

2.1 車聯(lián)網(wǎng)

車聯(lián)網(wǎng)，其實就是車對萬物的互聯(lián)，是D2D通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。車聯(lián)網(wǎng)需滿足多方面的技術(shù)需求。首先車輛在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)、調(diào)度下，能夠與周邊支持直通技術(shù)的終端進(jìn)行信息交互，即便是在極端條件下（蜂窩網(wǎng)絡(luò)故障或損毀），車輛與周邊終端仍可進(jìn)行直通通信；其次由于車輛行駛速度較快，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儞Q頻繁，對移動性管理要求較高；另外由于城市內(nèi)車輛行駛環(huán)境復(fù)雜、多變，為應(yīng)對突發(fā)情況，對于傳輸時延的要求也很苛刻。

針對車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)需求，車聯(lián)網(wǎng)主要有以下四大應(yīng)用類型，如圖2所示。

（1）V2V（車輛對車輛）：鄰近車輛間直接進(jìn)行通信。

（2）V2P（車輛對行人）：車輛與附近行人攜帶的終端（如可穿戴設(shè)備）直接進(jìn)行通信。

（3）V2I（車輛對基礎(chǔ)設(shè)施）：車輛與路邊單位（各類基礎(chǔ)設(shè)施如燈桿，交通信號桿，監(jiān)控桿等）直接進(jìn)行通信。

（4）V2N（車輛對網(wǎng)絡(luò)）：支持V2N應(yīng)用的終端借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接與V2N應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。

為搭建一張安全、高效、可靠的車聯(lián)網(wǎng)，車輛與車輛之間，車輛與行人之間，車輛與燈桿、廣告牌、監(jiān)控桿等基礎(chǔ)設(shè)施之間，乃至車輛與萬物都可以直接建立通信鏈路進(jìn)行信息交互。通過它們之間的通信，車輛得到了更詳細(xì)、全面的路況信息，從而能夠更精準(zhǔn)的預(yù)判路況變化，更靈活高效的規(guī)劃路線，更安全可靠的行駛。

依托5G網(wǎng)絡(luò)更快的傳輸速率、更低的端到端時延，基于D2D的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將得到進(jìn)一步的完善，諸如車輛編隊行駛、自動駕駛、遠(yuǎn)程駕駛等應(yīng)用都將得以實現(xiàn)。

2.2 大型活動現(xiàn)場本地數(shù)據(jù)共享

對于大型活動現(xiàn)場現(xiàn)場，人員密集，數(shù)據(jù)流量巨大，會對附近的蜂窩網(wǎng)絡(luò)造成很大壓力，可以通過在現(xiàn)場設(shè)置服務(wù)器的方式，將熱門數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器，服務(wù)器以D2D的模式向有需要的用戶提供服務(wù)。例如在大型商場或超市舉辦促銷活動，可以通過現(xiàn)場服務(wù)器將實時促銷信息投放到顯示屏和客戶的終端上；又如在大型演唱會或晚會現(xiàn)場，用戶可以D2D形式從服務(wù)器或者已獲得所需多媒體內(nèi)容的鄰近終端處獲取表演嘉賓或節(jié)目的資料，可以服務(wù)器位置為參考精確定位在室內(nèi)現(xiàn)場的位置，與他人共享位置信息等。再如大型展覽活動，展覽者可以突破場地的限制，想游客展示更多的產(chǎn)品或者技術(shù)細(xì)節(jié)，游客也可以D2D模式直接對展覽者提供建議。

D2D通信模式將數(shù)據(jù)傳輸控制在本地范圍，蜂窩網(wǎng)絡(luò)無需為大量重復(fù)并發(fā)的業(yè)務(wù)需求配置無線資源，很好的緩解了無線空口及核心層的壓力。

2.3 災(zāi)難應(yīng)急通信

D2D通信技術(shù)還有一大應(yīng)用場景就是災(zāi)后應(yīng)急通信。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)以保障救援、緊急救助的基本通信為主，確保災(zāi)區(qū)與外界良好的通信，可以有效地引導(dǎo)救援工作，提高救援效率。這對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)健壯性有更高的要求。

D2D技術(shù)可以在由極端自然災(zāi)害導(dǎo)致的蜂窩網(wǎng)絡(luò)完全損毀的情況下，通過預(yù)置在公共災(zāi)害服務(wù)單元或者終端內(nèi)的配置信息，在鄰近用戶終端間建立直通鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足災(zāi)后救援通信需求。

3 結(jié)束語

本文總結(jié)了D2D通信技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，詳細(xì)介紹了D2D技術(shù)的應(yīng)用場景。D2D技術(shù)通過復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，能有效的提升頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量。D2D技術(shù)是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)V2X的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，另外在本地數(shù)據(jù)共享、災(zāi)難應(yīng)急等方面也有廣闊應(yīng)用前景。D2D通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在不斷補(bǔ)充完善，但尚有多方面問題需解決，例如普通蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶與D2D用戶間的干擾協(xié)調(diào)問題以及D2D通信隱私安全保障問題，這也將是本文下一步的探討方向。

圖2：車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類型示意