5G網(wǎng)絡(luò)中的D2D技術(shù)分析

楊海博

（遼寧省廣播電視技術(shù)保障中心 遼寧省沈陽市 110016）

4G 通信技術(shù)早已大規(guī)模普及，但是隨著社會發(fā)展，4G 通信的速度已經(jīng)很難滿足人們的需求。5G 通信相比于4G 通信，其通信速度、通信質(zhì)量和穩(wěn)定性大大提升，5G 通信技術(shù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一D2D 技術(shù)，則大大提高了對頻譜的利用率。D2D 技術(shù)其實就是用戶設(shè)備之間不經(jīng)過基站而是直接通信的一種通信方式，這種通信方式可以大大提高用戶的使用體驗和使用質(zhì)量。由于D2D 技術(shù)使用的是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻段，具有很高的通信穩(wěn)定性，即使通信距離增加也不會影響通信質(zhì)量，而且這種通信方式的傳輸速率明顯高于其他傳輸設(shè)備，時延也較其他傳輸設(shè)備更低，使用D2D 通信所損耗的電量也比較少。D2D 通信技術(shù)由于使用了蜂窩系統(tǒng)的頻段，在通信距離相對較短時，用戶設(shè)備間可以不用通過基站而可以直接連接。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中可以同時存在UE-BS 連接（即近鄰用戶設(shè)備和基站間的連接）和D2D 連接。D2D 涵蓋范圍十分廣泛，本文主要對D2D 中關(guān)鍵技術(shù)進行一些初步研究。

1 D2D的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和鏈路性能

在D2D 通信中，設(shè)備間互相發(fā)現(xiàn)然后建立連接是D2D 通信技術(shù)的基礎(chǔ)。對于設(shè)備發(fā)現(xiàn)和通話建立，本文主要討論D2D 的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和鏈路性能這兩點。

1.1 設(shè)備發(fā)現(xiàn)和通話建立

D2D 設(shè)備主要分為兩個階段即掃描階段和查找階段。在掃描階段，D2D設(shè)備會掃描所有可以使用的信道來發(fā)現(xiàn)周圍的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，掃描到合適的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)后，掃描并不會停止，掃描到的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)信息會被儲存下來以進行下一階段操作。

查找階段有兩種狀態(tài)：監(jiān)聽狀態(tài)和搜索狀態(tài)。監(jiān)聽狀態(tài)下，D2D 會從一個在查找階段開始就被確定的信道上監(jiān)聽其他設(shè)備的尋求連接信息，這個信道又被稱為監(jiān)聽信道。監(jiān)聽狀態(tài)會持續(xù)一定時間，這個時間是隨機的。搜索狀態(tài)則是D2D 設(shè)備主動發(fā)送尋求連接的信息，當(dāng)其他D2D 設(shè)備監(jiān)聽到信號就可以發(fā)現(xiàn)這個設(shè)備了。由于監(jiān)聽狀態(tài)持續(xù)時間的隨機性，可以最大程度的避免兩個設(shè)備處于相同階段而不能互相發(fā)現(xiàn)的問題。

發(fā)現(xiàn)階段結(jié)束后，互相發(fā)現(xiàn)的兩個D2D 設(shè)備之間就該進行連接了。由于D2D 通信是相對短距離間的通信，而在生活中不可能確保兩個D2D 設(shè)備間一直處于滿足要求的情況，理論中提出了一種在移動情況下的D2D 連接方式，即通過基站（BS，base station）對兩個D2D 設(shè)備間相對速度進行檢測，只有在滿足條件時才能進行連接；當(dāng)BS 與設(shè)備間有障礙物時，通過D2D 設(shè)備與BS間路徑損耗或BS 接收到的信號強度來進一步確定是否可以建立連接。

文獻[1]提出IP 檢測和D2D 專用信令兩種方法：

（1）IP 檢測是在互相發(fā)現(xiàn)的兩個D2D 設(shè)備之間的鏈路滿足更高的能量有效性和更低的電量要求時建立連接，這種方式下，建立連接的過程是由BS 控制處理的，整個過程對用戶是透明的；

（2）D2D 專用信令是開發(fā)的一種專用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變信令SAE（Size Alteration Event)，定義了一個專用地址格式用來將D2D 傳輸?shù)某跏紖f(xié)議SIP（Session Initiation Protocol)和普通SIP 請求分離。只要檢測到專用D2D 地址，連接就會被建立，這種連接建立方式對用戶是不透明的。

對于D2D 設(shè)備發(fā)現(xiàn)與通話建立的研究目前主要在單蜂窩網(wǎng)絡(luò)情況下，多蜂窩網(wǎng)絡(luò)方面的研究較少。單蜂窩網(wǎng)絡(luò)情況下，設(shè)備發(fā)現(xiàn)與通話建立方案的研究也基本都是從用戶或網(wǎng)絡(luò)角度進行的，很少兼顧兩個角度。希望未來能有更多兼顧兩個角度同時滿足QoS(Quality of Service)需求的研究成果。

1.2 鏈路性能

D2D 鏈路連接完成后，鏈路性能是影響網(wǎng)絡(luò)通暢的一個重要因素。通過隨機幾何研究了D2D 通信在平均用戶率上的增強條件，對于實際的高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)，給出了以最大D2D 連接距離，或者用戶密度參量為變量的函數(shù)閉合表達式與條件邊界的閉合表達式，并由此得出D2D 通信的最佳范圍。通過研究發(fā)現(xiàn)，D2D 通信在近距離通信中有較大優(yōu)勢，在D2D 鏈路長度接近蜂窩接入點的時候，以及大量用戶密集使用的情況下，都表現(xiàn)出良好的性能。當(dāng)確定了即將連接的兩個D2D 設(shè)備之后，所有可以運行的鏈路的傳輸順序也會影響系統(tǒng)性能，這是一個NP 完全問題。

文獻[2]討論了三時隙兩路放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼下D2D 用戶幫助下的通信中斷概率，并通過最佳功率分配方法最小化中斷概率。算法如下：

如圖1 所示，通過雙向放大器和前向繼電器中繼進行的信息交換是在三個時隙中進行的，在第一個時隙中，D_A 向繼電器傳輸信號a，與此同時，CUE 將信號c 發(fā)送到BS，因此，受來自CUE 和噪聲的干擾信號可以表示為：

其中Pa和Pc分別是D_A 和CUE 的發(fā)射功率，nrl則代表相應(yīng)的加性高斯白噪聲，har是D_A 和D_R 之間的復(fù)用信道，har由路徑損耗、陰影衰落和頻率非選擇性瑞利衰落組成，表示為：

其中dar表示源D_A 與中繼D_R 之間的距離，α 是路徑損耗系數(shù)，hcr和har類似。在第二個時隙中，D_B 向中繼節(jié)點發(fā)送信號b。當(dāng)D2D 鏈路受到蜂窩用戶造成的干擾時，我們可以將接收到的信號表示為：

與之前公式類似。到了第三個時隙，中繼節(jié)點將接收到的信號通過增益G 放大，然后把處理后的信號轉(zhuǎn)發(fā)給兩個源節(jié)點。繼電器的組合信號可以表示為：

其中n1，n2是功率分配系數(shù)，滿足和D_B 在第三個時隙中接收到的信號表示為：

和

Pr是終端發(fā)射功率，增益：

圖1：三時隙雙向放大器和前向繼電器協(xié)議輔助下的D2D 通信

將D_A、D_B 自身干擾去掉之后可以得到D_A、D_B 的輸出信噪比：

以及

在這兩個公式中，i，j 代表來自中繼節(jié)點的D_A 和D_B 的接收信號，k,l,m 分別指三個D2D 終端的CUE 干擾，它們是具有概率分布函數(shù)的瑞利分布。中斷概率是衡量通信質(zhì)量的一個重要的指標(biāo)，在雙向放大器和前向繼電器系統(tǒng)中，當(dāng)終端輸出信噪比低于某一個閾值的時候就會產(chǎn)生中斷。由此，可以將中斷概率表示為：

式中γ 是終端輸出信道比閾值。

以隨機到達通信量和時變信道為條件，將D2D 能量傳輸時效性和時延折中建模為隨機優(yōu)化問題，同時考慮了平均功率、干擾控制與網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的限制。通過分式規(guī)劃以及Lyapunov 優(yōu)化方法，通過棱柱分支定界法探索這個NP 完全問題比較好的解決方法。有實驗證明，D2D 通信能夠較大程度降低蜂窩間通信中斷的可能性。在前面列出的對D2D 鏈路問題的研究中，都提到了CSI（信道狀態(tài)信息）。這表明了CSI 在鏈路中的重要作用，怎樣更精準(zhǔn)地得到這個信息對鏈路連接有重要影響。

2 D2D資源分配

D2D 通信需要解決的問題中一定包括如何提高對頻譜的利用率。以現(xiàn)有的條件為了提高頻譜利用率不得不讓D2D 用戶使用與蜂窩用戶相同的頻譜資源，這就是干擾產(chǎn)生的來源之一。D2D 通信技術(shù)中，資源分配主要是指對頻譜資源的分配以及如何控制功率。頻譜復(fù)用在頻譜資源分配復(fù)用信道方面是很重要的一個知識。

2.1 干擾管理

我國對于干擾管理已經(jīng)有了大量研究。通過文件殘片回復(fù)提取技術(shù)確定干擾是怎樣產(chǎn)生的，并分別計算出了D2D 鏈路復(fù)用蜂窩上行和下行所受到蜂窩網(wǎng)絡(luò)干擾的干擾量，并通過設(shè)計仿真平臺進行仿真，根據(jù)仿真模塊的干擾計算模塊計算出了在D2D 接收端的干擾功率。

圖2：D2D 對復(fù)用 CUE 上行資源干擾情況

圖3：D2D 對復(fù)用CUE 下行資源干擾情況

文獻[3]提出一種固定功率邊緣策略來降低D2D與RCU（regular cellular user，傳統(tǒng)蜂窩用戶）之間的干擾，D2D 設(shè)備通過獲得最大和最小功率的數(shù)值，并根據(jù)這個調(diào)整自身傳輸功率來滿足最小輸入輸出信噪比需求。該方式實現(xiàn)簡單，但是很難確定適宜的功率邊緣，高的邊緣值將會減少與D2D 共享資源的傳統(tǒng)蜂窩用戶數(shù)量，而低的邊緣值又會降低D2D 用戶滿足最小SINR 的概率。

2.2 QoS保證策略

D2D 資源配置技術(shù)一方面是為了控制設(shè)備間干擾，另一方面是于對網(wǎng)絡(luò)性能進行優(yōu)化，這么做不僅可以達到一些特定需求的通信功能要求，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)馁Y源配置，還可以使得網(wǎng)絡(luò)QoS 整體提高。闡述不同信道模式下網(wǎng)絡(luò)的時延QoS 要求和作用，然后提出具有針對性的功率分配計劃，在統(tǒng)計以及QoS 要求的基礎(chǔ)上，可以達到給定時延內(nèi)QoS 限制下獲得盡可能大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的目的。

理論中提出了D2D 通信限制區(qū)域和D2D 用戶限制復(fù)用蜂窩用戶資源區(qū)域的概念，為了保證蜂窩系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量需求并提升系統(tǒng)性能，通過非線性規(guī)劃問題中的乘子法求出了 D2D 用戶和CUE 的最佳發(fā)射功率，使系統(tǒng)吞吐量達到最大。

文獻[3]提出改進的比例公平(IPF)干擾控制方案，在保證蜂窩和D2D 用戶的服務(wù)質(zhì)量需求的前提下，幫助所有D2D 設(shè)備對選擇最合適的蜂窩用戶去共享頻譜資源，IPF 方案與之前的方案對比，能夠有效改善蜂窩系統(tǒng)的公平性和吞吐量。在基于D2D 的蜂窩網(wǎng)異構(gòu)中，可以根據(jù)應(yīng)用的QoS 需求進行資源與功率分配，在資源配置的基礎(chǔ)上也能達到安全性的需要。

現(xiàn)實生活中，無線網(wǎng)絡(luò)情況極為復(fù)雜，雖然無線網(wǎng)絡(luò)的QoS需求也是一個重要的研究方向，但是想要既滿足參數(shù)要求又能對網(wǎng)絡(luò)總體性能進行協(xié)調(diào)仍然是一個很大的難題，不過相信隨著科技發(fā)展這一難題必將迎刃而解。

2.3 頻譜復(fù)用

在通信系統(tǒng)中，D2D 可以對蜂窩用戶的上行和下行資源進行復(fù)用，在復(fù)用時干擾情況如圖2、圖3 所示。

CUE 上行資源被復(fù)用時，通過圖2 可以看到受到D2D 干擾的是eNB 端，這時eNB 端可以通過調(diào)整D2D 的發(fā)射功率來降低干擾的影響；而當(dāng)復(fù)用的是CUE 下行資源時，在圖3 中可以看到被D2D 干擾的是蜂窩用戶的接收端，這時eNB 對D2D 發(fā)射功率的調(diào)整需要視兩者之間的地理位置而定。另外已知UE 的發(fā)射功率一般小于eNB，所以資源復(fù)用時受到影響的主要還是eNB 端，這對于eNB 端的干擾協(xié)調(diào)是十分有利的情況。干擾的大小受到基站的發(fā)射功率和D2D 發(fā)送設(shè)備的發(fā)送功率等因素的影響。

2.4 功率控制

有研究表明，對D2D 系統(tǒng)進行功率控制可以影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，合理的功率控制方法可以對網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能起到保護作用。D2D 通信通常有3 種模式：復(fù)用模式（D2D 復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源），專用資源模式（D2D 占用一部分獨立資源用來進行端到端的連接）以及中繼模式（此模式和傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)類似），這使得D2D 網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)所受到的干擾更加復(fù)雜。這時，功率控制的重要性就體現(xiàn)出來了，通過功率控制可以減小系統(tǒng)干擾，增加傳輸效率，增加設(shè)備電池的可使用時間。有研究認(rèn)為功率控制的優(yōu)化存在一個區(qū)域，找出了這個區(qū)域的下限并對于這個下限提出了一種優(yōu)化算法。該算法通過建立一個勢博弈模型，只要找到這個模型的最佳Nash equilibrium(非合作博弈均衡）就能找到關(guān)于下限的最佳優(yōu)化方法。然后通過仿真證明了這種優(yōu)化方法的可行性和有效性。

隨著人們對網(wǎng)絡(luò)通信速率和通信質(zhì)量要求的不斷提高，以及OTT 業(yè)務(wù)的快速發(fā)展對于傳統(tǒng)運營商的影響，D2D 技術(shù)一定會受到運營商的重視，會有越來越多的人進行D2D 技術(shù)相關(guān)方面的研究。