5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信技術(shù)概述

摘要：當(dāng)前，信息技術(shù)發(fā)展迅速，各類用戶終端數(shù)量激增，雖然給通信帶來(lái)了便利，但隨之而來(lái)的是資源日益緊缺，通信質(zhì)量無(wú)法得到保證。如何有效地提高無(wú)線資源利用率、通信系統(tǒng)吞吐量，優(yōu)化用戶體驗(yàn)和通信質(zhì)量是目前亟待解決的問(wèn)題。D2D通信憑借能有效提高頻譜利用率，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，降低通信時(shí)延，改善網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)越特點(diǎn)，成為5G通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該文從系統(tǒng)模型、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景、未來(lái)研究方向四個(gè)方面對(duì)D2D通信技術(shù)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：5G;D2D;頻譜效率;資源分配;功率控制

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）29-0049-03

1 引言

D2D（ Device-to-Device）通信是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中彼此鄰近的設(shè)備不經(jīng)過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)，直接進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞絒1]。2008年D2D通信技術(shù)由高通公司首次提出，隨后我國(guó)的華為、中興等通信企業(yè)也逐步加入了相關(guān)研究的行列。近年來(lái)，隨著用戶需求的多樣化和移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸式的增長(zhǎng)，現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，而D2D通信技術(shù)憑借能有效提高頻譜利用率、減輕網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重負(fù)載、提高用戶體驗(yàn)等特點(diǎn)，迅速成為研究和討論的熱點(diǎn)。

2 D2D通信系統(tǒng)模型

2.1 同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

同構(gòu)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)蜂窩小區(qū)內(nèi)只有一個(gè)基站，且各小區(qū)的組織結(jié)構(gòu)大致相同，小區(qū)內(nèi)的通信模型基本一致，一個(gè)小區(qū)內(nèi)的D2D通信即可拓展到單蜂窩條件下的D2D通信。

單蜂窩模型較為簡(jiǎn)單，可更快地深入D2D通信研究的本質(zhì)，故具有一定的研究意義。

2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

異構(gòu)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)內(nèi)不僅有宏基站，還有若干微基站、微微基站等，不同小區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同。微基站是用于覆蓋微蜂窩小區(qū)，對(duì)宏基站起補(bǔ)充作用的移動(dòng)通信系統(tǒng)，主要部署在宏小區(qū)邊緣，目的是提高邊緣用戶的通信質(zhì)量和系統(tǒng)吞吐量。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)吞吐量、通信速度和質(zhì)量等多方面要求越來(lái)越高，因此未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為主，異構(gòu)場(chǎng)景下D2D通信技術(shù)的研究也是近年來(lái)比較熱門(mén)的方向。

3 D2D關(guān)鍵技術(shù)

3.1模式選擇

D2D通信中，用戶工作模式分為三種：蜂窩模式、專用模式、復(fù)用模式，其中后兩種又稱為D2D通信模式。

（1）蜂窩模式

蜂窩模式中，基站直接負(fù)責(zé)D2D用戶的數(shù)據(jù)傳輸，與傳統(tǒng)蜂窩通信模式相同，基站給D2D用戶分配正交的上下行頻譜資源，由于頻率正交，故D2D用戶與蜂窩用戶間不存在相互干擾。

（2）專用模式

專用模式中，D2D用戶直接建立端到端的傳輸鏈路，基站將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中未被使用的頻譜資源分配給D2D用戶。由于D2D用戶與蜂窩用戶使用的頻譜正交，故也不存在二者間的相互干擾。但該模式下頻譜利用率較低，且蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源全部分配給蜂窩用戶時(shí)，D2D用戶不能再使用專用模式進(jìn)行通信。

（3）復(fù)用模式

復(fù)用模式中，D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行或下行鏈路頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種模式下，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量都得到了有效提高，因此多數(shù)D2D通信技術(shù)的研究，都是基于復(fù)用模式。但由于D2D用戶與蜂窩用戶使用的通信頻段相同，故二者之間會(huì)產(chǎn)生干擾，如何在保證用戶質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)最大化的資源利用，是目前研究的熱點(diǎn)。

3.2 資源分配

資源分配就是通過(guò)各種資源調(diào)度算法為蜂窩用戶和D2D用戶分配合適的頻譜資源，以此來(lái)解決干擾問(wèn)題[2]。同時(shí)達(dá)到提高無(wú)線資源利用率、最大化系統(tǒng)吞吐量的目的。

D2D通信資源分配中，一般選擇蜂窩上行鏈路資源進(jìn)行復(fù)用，因?yàn)樯闲墟溌返念l譜資源通常不會(huì)被全部占用，而D2D用戶復(fù)用未被占用的資源塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不會(huì)與蜂窩用戶形成干擾，且當(dāng)D2D用戶復(fù)用蜂窩上行資源時(shí)，干擾的主要來(lái)源是基站，這類干擾容易測(cè)量和控制，但復(fù)用蜂窩下行資源時(shí)，干擾的主要來(lái)源是蜂窩用戶，由于蜂窩用戶的移動(dòng)性，這類干擾難以控制和避免，也就不利于干擾的消除。

D2D通信中資源的復(fù)用方式主要分以下三種。

（1）一對(duì)D2D用戶只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源，一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源也只能被一對(duì)D2D用戶復(fù)用。如文獻(xiàn)[3]提出了一種一對(duì)一匹配的基于社交網(wǎng)絡(luò)的資源分配方式，將問(wèn)題建模成一個(gè)完全信息動(dòng)態(tài)博弈，提出社交感知效用函數(shù)，并使用基于優(yōu)先級(jí)的UFM匹配算法實(shí)現(xiàn)了資源分配。這種復(fù)用方式能有效控制同頻干擾，且在一定程度上提高頻譜利用率，資源分配的算法比較簡(jiǎn)單，但資源的利用率沒(méi)有達(dá)到最大化。

（2）一對(duì)D2D用戶只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源，但一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源可被多對(duì)D2D用戶同時(shí)復(fù)用。如文獻(xiàn)[4]綜合考慮小區(qū)內(nèi)干擾和局部D2D連接間干擾，提出了一種新的資源復(fù)用算法，D2D用戶可以復(fù)用最小干擾上行鏈路，半持續(xù)調(diào)度資源以達(dá)到最高的吞吐量。相比一對(duì)一匹配，這種復(fù)用方式對(duì)頻譜利用率的提高幅度更大，但蜂窩用戶受到的干擾也更大，算法也更為復(fù)雜。

（3）一對(duì)D2D用戶可復(fù)用多個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源，一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源也可被多對(duì)D2D用戶同時(shí)復(fù)用。如文獻(xiàn)[5]提出了基于非均衡求解的資源分配算法，利用博弈論的思想，將蜂窩用戶看作參與者，建立用戶通信收益的效用函數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出最佳響應(yīng)曲線，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的資源分配方案。文獻(xiàn)[6]提出了一種將信道分配和功率控制相結(jié)合的資源分配算法，結(jié)合D2D用戶之間的社會(huì)關(guān)系，定義D2D內(nèi)容請(qǐng)求者的效用函數(shù)，形成D2D集群，通過(guò)匹配理論為其分配信道，最后利用遺傳算法求解。這種復(fù)用方式對(duì)頻譜效率的提高幅度最大，資源分配的方式最為靈活，但帶來(lái)的同頻干擾最復(fù)雜，資源分配的復(fù)雜度也最高。

3.3 干擾控制

干擾控制的目的是減少各通信鏈路之間的相互干擾，提高用戶通信質(zhì)量及系統(tǒng)吞吐量。D2D通信雖然能提高頻譜利用率和用戶體驗(yàn)，但如果不進(jìn)行有效的干擾控制，不僅不能提升系統(tǒng)吞吐量，還會(huì)極大影響通信質(zhì)量。

功率控制是抑制同信道干擾，降低系統(tǒng)能耗的一種有效方法，關(guān)于D2D通信中功率控制方面的研究也很多。文獻(xiàn)[7]綜合考慮D2D用戶和蜂窩用戶間的相互干擾，提出一種基于D2D用戶群組劃分的功率控制方法;文獻(xiàn)[8]在功率控制問(wèn)題上，通過(guò)Dinkelbach算法得到最優(yōu)發(fā)射功率，有效提高了系統(tǒng)總的吞吐量以及頻譜效率;文獻(xiàn)[9]提出了一種新的深度Q學(xué)習(xí)及擴(kuò)展的卡爾曼濾波器，以解決D2D通信中信道和功率分配問(wèn)題。同時(shí)，使用K-means++集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小區(qū)分裂，增加了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，減少了同信道小區(qū)間干擾，最大限度地降低了節(jié)點(diǎn)的傳輸功率。

4 D2D應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 本地業(yè)務(wù)

（1）數(shù)據(jù)傳輸

利用D2D端到端的直接通信可實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)傳輸，不但減輕了頻譜使用的壓力，還可以實(shí)現(xiàn)用戶多樣化的需求，可以推廣到很多應(yīng)用場(chǎng)景。例如各類商戶可向本地客戶推送新店開(kāi)業(yè)、商品促銷、院線預(yù)告片等信息，通過(guò)對(duì)目標(biāo)人群的精確營(yíng)銷提高收益。

（2）社交應(yīng)用

D2D通信誕生最初的應(yīng)用場(chǎng)景就是鄰近用戶間的社交。通過(guò)D2D通信，鄰近用戶間可以進(jìn)行社交游戲、文件資料共享等通信。但是由于D2D通信的透明性，導(dǎo)致其在信息安全上存在一定隱患，故這類社交應(yīng)用要建立在信任的基礎(chǔ)上。

4.2 應(yīng)急通信

當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害，通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，通信被迫中斷時(shí)，由于D2D通信可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鄰近移動(dòng)終端間的直連通信，還可經(jīng)過(guò)一跳或多跳，與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶建立連接，因此可以使用D2D技術(shù)解決應(yīng)急通信的問(wèn)題，為救援活動(dòng)提供通信保障。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)

如果D2D通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，則有可能產(chǎn)生真正意義上的互聯(lián)互通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（10]。例如車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的V2V，就是典型的D2D通信在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用之一，由于在通信時(shí)延、發(fā)現(xiàn)鄰近等方面的優(yōu)越性，D2D通信可廣泛應(yīng)用于無(wú)人駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等車(chē)輛安全領(lǐng)域。

5 未來(lái)研究方向

5.1 密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信

面對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)容量需求爆發(fā)式的增長(zhǎng)，當(dāng)前提出了很多新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而構(gòu)成了密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，在這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，如何進(jìn)行D2D通信的資源分配，以克服多種干擾，保證用戶通信質(zhì)量，還有待進(jìn)一步研究。

5.2 設(shè)備移動(dòng)中的D2D通信

目前很多有關(guān)D2D通信技術(shù)的研究都是針對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的終端，然而蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)中的終端大多處于移動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)D2D通信的模式選擇、干擾控制要求更高。因此，在D2D通信研究中設(shè)備的移動(dòng)性也是需要考慮的問(wèn)題。

5.3 D2D通信與中繼技術(shù)結(jié)合

D2D用戶間的距離對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率影響很大，當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí)無(wú)法體現(xiàn)出D2D通信的優(yōu)勢(shì)。中繼技術(shù)作為解決遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題的一種有效手段，在4G通信中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。故將中繼技術(shù)引入D2D通信，以提高遠(yuǎn)距離傳輸能力，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

6 總結(jié)

在未來(lái)5G通信系統(tǒng)中，D2D通信無(wú)疑將起到重要作用，其實(shí)現(xiàn)負(fù)載分流，達(dá)到極高的速率，顯著降低時(shí)延、功耗的特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和終端用戶都將帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)D2D還具備應(yīng)用于大量新場(chǎng)景中的能力，可以成為未來(lái)解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的有效工具。然而現(xiàn)有的研究距離充分利用并從根本上顯示出D2D通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還有一定的距離，需要進(jìn)一步的研究和討論。

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【通聯(lián)編輯：代影】

作者簡(jiǎn)介：陳雨潔（1997-），女，四川成都人，武警工程大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)镈2D通信的資源分配。