基于LTE-A的設(shè)備間直接通信(D2D)協(xié)議架構(gòu)分析

石玉 魏勝利 柳海楠

摘要：設(shè)備間直接通信（D2D）使得設(shè)備之間可以直接傳輸數(shù)據(jù)而無須基站轉(zhuǎn)發(fā)，可有效降低網(wǎng)絡(luò)負荷，提升系統(tǒng)吞吐量，是5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相較于現(xiàn)有移動通信模式，5G通信系統(tǒng)將支持對等設(shè)備間直傳數(shù)據(jù)。該文針對LTE-A通信系統(tǒng)架構(gòu)，分析了現(xiàn)有通信架構(gòu)對D2D的通信的支持性，并較為深入的介紹了協(xié)議架構(gòu)結(jié)構(gòu)及功能。

關(guān)鍵詞：LTE-A;5G;設(shè)備間直接通信（D2D通信）;協(xié)議架構(gòu)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0034-02

1背景

未來十年里，物聯(lián)網(wǎng)中的互聯(lián)設(shè)備將超過50億臺，導(dǎo)致移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的指數(shù)增長，預(yù)計超過1000倍。強大的市場需求的增長促使運營商尋找新的方式來規(guī)劃、部署以及管理網(wǎng)絡(luò)，以期改善覆蓋、提升網(wǎng)絡(luò)容量、降低運營維護成本。移動廠商期望在2020年部署下一代網(wǎng)絡(luò)，即“5G”，并為其規(guī)劃了技術(shù)路線。設(shè)備間直接通信（Device-to-Device Communication）被認為是實現(xiàn)上述目標的一種突破性具有成本效益的通信方式。其主要動機源于運營商可以借此卸載核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)量以及通過局域化支撐社交網(wǎng)絡(luò)。LTE-A、高通和IEEE 802.15.4g等致力于解決許可頻段內(nèi)的D2D通信標準。目前，社交網(wǎng)絡(luò)、朋友間近距離數(shù)據(jù)共享、本地廣告等應(yīng)用的流行使得人們對了解附近感興趣的事物并與之通信的需求逐漸增加。同時，在智能家居、安全監(jiān)控等M2M應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)和傳感器之間需要一種能夠令距離較近的設(shè)備之間進行高效通信的技術(shù)手段。而在某些網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差的地方，利用附近的手機終端進行協(xié)作中繼，保持與基站的通信也是一種基于位置的通信手段。

2基于LTE-A的設(shè)備間直接通信協(xié)議架構(gòu)

2.1設(shè)備間直接通信（D2D）參考架構(gòu)模型

LTE-A網(wǎng)絡(luò)是LTE通信系統(tǒng)的演進。LTE-A系統(tǒng)可以分為兩個子系統(tǒng)：接入子系統(tǒng)（E-UTRAN）和控制子系統(tǒng)（EPC）。現(xiàn)今采用扁平式架構(gòu)方式，提升了系統(tǒng)的可擴展性和有效性。另外，控制子系統(tǒng)是一個全IP系統(tǒng)，支持服務(wù)流的高包數(shù)據(jù)速率和低時延嘲?，F(xiàn)將協(xié)議模型進行分析。

圖1描述了設(shè)備間直接通信參考模型?，F(xiàn)將參考模型主要模塊及功能介紹如下。

1）基站控制系統(tǒng)

基站控制系統(tǒng)根據(jù)ProSe特征和所起作用不同，包含三個子功能：

（1）提供參數(shù)。用來在設(shè)備間直接發(fā)現(xiàn)和直接通信過程中為用戶提供必要的參數(shù)。它為用戶提供具體的網(wǎng)絡(luò)信息以使得用戶可以在具體的網(wǎng)絡(luò)下使用D2D服務(wù)。對于公共安全直接通信，可以為不在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)的用戶提供需要的參數(shù)信息。

（2）為直接發(fā)現(xiàn)過程提供命名管理。在開放性直接發(fā)現(xiàn)過程中，提供應(yīng)用識別ID和應(yīng)用識別碼，并完成二者間的映射關(guān)系。它用存儲在歸屬用戶服務(wù)器里的D2D相關(guān)的訂閱信息授權(quán)發(fā)現(xiàn)請求過程。

（3）提供基站控制的直接發(fā)現(xiàn)過程?？蓪崿F(xiàn)在歸屬用戶服務(wù)器里存儲或撤回與D2D有關(guān)的訂閱信息;為用戶通過PC3接口進行基站輔助的設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程的授權(quán)和信息配置;系統(tǒng)內(nèi)存儲著可以被授權(quán)使用基站輔助的設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程的應(yīng)用列表;作為提供位置信息的服務(wù)代理以保證基站輔助的設(shè)備發(fā)現(xiàn)。

2）支持直傳的用戶

支持設(shè)備間直接傳輸?shù)挠脩糁С忠韵鹿δ埽?/p>

（1）通過PC3接口交換直傳用戶和近距離通信控制器間的控制信息。

（2）通過PC5接口機和其他具有直傳能力的用戶進行開放性發(fā)現(xiàn)過程。

3）用戶一網(wǎng)絡(luò)中繼

用戶一網(wǎng)絡(luò)中繼主要為沒有在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)的遠端用戶提供單播服務(wù)支持。

用戶一網(wǎng)絡(luò)中繼建立了遠端用戶和網(wǎng)絡(luò)間的連接，可以中繼任何類型的符合公共安全的業(yè)務(wù)。遠端用戶通過PC5接口以無連接的方式與用戶一網(wǎng)絡(luò)中繼進行通信。

4）直傳應(yīng)用服務(wù)器

直傳應(yīng)用服務(wù)器用來存儲核心網(wǎng)級用戶ID和基站ID，可完成應(yīng)用層級用戶ID和核心網(wǎng)級用戶ID間的映射。

5）移動管理實體

移動管理實體主要對用戶移動性進行管理，并從歸屬用戶服務(wù)器接收和直傳通信相關(guān)的訂閱信息?？赏瓿墒跈?quán)認證功能，向接入網(wǎng)提示用戶已授權(quán)使用直傳通信功能。

2.2設(shè)備間直接通信（D2D）通信過程

假設(shè)用戶A與用戶B發(fā)起設(shè)備間直接通信過程，且每個用戶設(shè)備中搭載相應(yīng)的設(shè)備間直接通信的應(yīng)用。設(shè)備間直接通信的應(yīng)用通過PCI平面向基站控制系統(tǒng)發(fā)送通信請求，基站控制服務(wù)器通過PC2平面向應(yīng)用服務(wù)器請求授權(quán)，基站控制服務(wù)器與歸屬用戶服務(wù)器和位置服務(wù)器通信，獲得用戶的位置信息授權(quán)信息等。通過S1平面，與接入網(wǎng)通信，對用戶進行授權(quán)及資源分配。基站控制服務(wù)器實體通過PC3平面授權(quán)用戶進行直接發(fā)現(xiàn)過程。用戶通過PC5平面進行設(shè)備間直接通信的信令交互和數(shù)據(jù)交互。在通信過程中，接人網(wǎng)對D2D通信過程進行監(jiān)管。經(jīng)分析，設(shè)備間直接通信參考模型可很好的支持設(shè)備間直接和發(fā)現(xiàn)和直接通信。

3結(jié)束語

針對5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備間直接通信（D2D），本文基于LTE-A網(wǎng)絡(luò)從協(xié)議架構(gòu)方面進行了分析，LTE-A協(xié)議架構(gòu)可支持設(shè)備間發(fā)起直接發(fā)現(xiàn)和直接通信，可在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)運營的基礎(chǔ)上，進一步提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。