南邮NGN下一代网络技术翻译作业综述

1、3GPP设备端到端接近服务的概述 摘要 端到端通信将被添加到 3GPP Release 12 中的 LTE。原则上，利用附近的移动设备的直接通信可以提 高频谱利用率、整体吞吐量和能源消耗，同时实现新的对等和基于位置的应用和服务。启用D2D的 LTE 设 备也可以成为有竞争力的后备公共安全网络，当蜂窝网络不可用时，它必须起作用。引入D2D会带来许多 以基地为中心的长期存在的细胞结构的挑战和风险。我们提供一个在3GPP中 D2D标准化活动的概述，确 定突出的技术挑战， 借鉴初步的评估结论， 并总结在 D2D设计启用 LTE蜂窝网络空中接口的“最佳实践”。 简介 最近，人们对直接支持设备（ D2D）

2、通信的兴趣高涨。这种新的兴趣是出于几个因素，包括主要是由 社交网络应用引起的接近基础服务的普及。无线工程师们已经做出了努力，以满足这个社会的技术趋势： 高通在移动通信系统中被称为“ flashlinq 无线传感器”是实施使接近感知装置间通信。此外，第三代合 作伙伴计划（ 3GPP）的目标是在长期演进（ LTE）D2D通信的可用性释放 12 使 LTE 成为用有竞争力的宽带 通信技术的公共安全网络的的第一反应。由于遗留问题和预算约束，当前公共安全网络仍然主要基于项目 25 2G 过时的技术（ P25）和陆地集群无线电（ TETRA），而商业网络正在迅速迁移到 LTE。这种演变的差距 和增强服务的

3、愿望导致了全球的尝试，以提升现有的公共安全网络。例如，美国已经决定在700 MHz频段 建立基于 LTE 的公共安全网络。相对于商业网络，公共安全网络有更严格的服务要求（例如，可靠性和安 全性），也需要直接通信，特别是当蜂窝覆盖率不可用或不可用。这一重要的直接模式功能目前缺少LTE。 从技术角度来看，开发自然接近交流设备可以提供性能好处多。首先，D2D用户设备（ UE）可以享受 更高的数据速率和低的端到端延迟由于短程直接通信。其次，它更多的是资源的有效近似UE 设备直接与 对方沟通不是通过进化的节点 B路由（ ENB）和可能的核心网络。特别是，相对于正常的下行链路/ 上行链 路蜂窝通信，直接通

4、信节省能源，提高无线电资源利用率。第三，从基础设施的路径切换到直接路径卸载 蜂窝交通，缓解交通拥堵，从而给其他non-d2d UE 以及。可以设想其他的好处，如范围延伸通过 UE UE 中继。图 1 给出了可能的 D2D使用例图和潜在的好处。 从经济角度来看， LTE用户应该创造新的商业机会， 虽然它的商业应用是不是 LTE Release 12 的焦点。 例如，许多社交网络应用程序依赖于发现用户在接近的能力，但设备发现过程（例如，脸谱的地方）通常 工作在非自主的方式。用户首先在启动应用程序的中央服务器上注册其位置信息；中心服务器则使用该应 用程序将该注册地点信息分发给其他用户。如果设备发现可

5、以自主地工作，无需人工位置注册，它将吸引 服务提供商。其他的例子包括电子商务，私人信息只需要双方在本地共享，和大文件传输（例如，只在其 他附近的朋友间分享视频片段） 。 到目前为止， 3GPP邻近服务用例（散文） ，也被称为 LTE 的直接，已经在的规定，以及相应的结构改 进是在的研究。此外，一个新的 D2D研究项目协议在十二月 2012 无线接入网（ RAN）全体会议上被通过。 通过最新的 3GPP会议上，D2D评价方法和渠道模式取得了初步进展， 并且最近 3GPP通过了 LTE Release 12， 文章将重点放在公共安全网络，尤其是一对多的通信。在3GPP，系统架构（ SA）工作组，负

6、责研究散文的 系统架构方面，而 RUN工作组负责研究无线电方面。建筑方面包括建筑、服务和安全。无线电方面包括同 步、发现和通信。 3GPP的概述 接近服务（ ProSe） 在本节中，我们提供了对 3GPP 散文的基础一个简短的教程，包括基本用例，方案，评价方法，和信 道模型。这些方面为散文设计奠定了基础。 基本功能和情景 D2D通信是发现和支持 3GPP散文的两大基本功能。 研究的所有散文用例都依赖于它们。 从终端设备的 角度来看， D2D发现使得它使用 LTE 空中接口来识别其他终端设备在接近。该发现可大致分为两类：限制 发现和打开后发现，在是否需要许可或不。D2D通信是通信终端设备之间的两

7、接近使用LTE 空中接口建立 直接的联系没有路由通过 eNB（ S）和可能的核心网络。在这里，接近应该被理解在一个更广泛的意义上比 只是物理距离。这也可能是确定的，例如，信道条件下，信号干扰噪声比（SINR），吞吐量，延迟，密度， 和负载。在一般情况下，不可能是有限的，以散文的 LTE 的只。特别是，在 unlicensed 带可能被启用的 散文与现有技术（例如， WiFi-direct ）。 为了便于评价， 3GPP将在网络覆盖方面存在 D2D方案。在覆盖的情况下， 所有的终端设备被基站覆盖， 而在不覆盖的情况下，终端设备可以覆盖的基站。部分覆盖的情况介于两者之间：一些终端设备被覆盖， 而其

8、余的终端设备都没有。 D2D与 Ad Hoc 网络 在深入设计 D2D的分析之前，对比 D2D和移动 Ad hoc 网络（ MANE）T是有帮助的，这已被广泛研究和 开发了广泛的约三年，非常有限的成功的原因部分记录在 10 。一个关键的区别是，用户通常可以依赖于 网络基础设施的援助（例如，基站）控制功能，如同步，会话建立，资源分配，路由，和其他开销的消费 功能，在 MANET中是极其昂贵的。此外， D2D网络主要由地方，投机取巧，单跳通信，而多跳路由通常是 在 MANET中的需要，和长跳可能是不可避免的，它损害了网络的性能。在支持D2D的细胞，我们只允许与 基站提供有效的后备的有益的直接通信。

9、 在公共安全方面， D2D必须即使没有 ENB支持功能，所以它更像是一个网络。在这个服务覆盖模式只 需要基本的，因此更像是一个对讲机全MANE，T 这可能需要视频流。此外，从覆盖公共安全UE设备往往聚 集（在节点数，所以为最）的簇可以作为真正的的ENB。 虽然比 MANET简单，加入 D2D功能 LTE 仍然带来了许多挑战和风险。蜂窝网络已经存在了几十年，网 络运营商坚决抗拒夺走他们控制权的技术 （主要来自 eNB）。此外， 所有现有的蜂窝技术包括 LTE 已经被设 计出来并且为 eNB终端优化。涉及 UE UE链接 D2D的设计已经考虑到在广域网（ WAN）的影响作为一个整 体。 评估方法和

10、信道模型 上述每个 D2D 研究涉及丰富的设计 /研究课题和需要不同技术方案的比较。作为一个起点，达成一个 共同的评价方法是必要的。 3GPP在这方面已经取得了很大的进步。需要注意的是，在评估D2D的 3GPP网 络布局上有持续不断地争议。 结果是产生了六种不同的布局。 例如，选项 1和 4合并成一个远程射频头 （RRH） 或室内热区，而其余选项只考虑宏单元。 合适的信道模型是产生在链路和系统仿真的D2D评价现实的结果重要。现有的非对称eNBUE的信道模型 不适合对对称的 UE-UE信道建模。 具体而言， 以下几个因素使 UE UE链接的传播特性区别于那些 eNB UE 链接。 双重流动性 在

11、 eNBUE链接中，只有终端设备是移动的，而基站是固定的。相比之下，两终端可以在 UEUE链接被移动，创建一个双移动的情况。这种双重流动性影响的时间相关性的阴影，以及快衰落（例 如，越来越多的卜勒传播） 。 低天线高度 在基站天线高度可以从几米的范围内（ Femto 基站）到几十米（宏基站） ，而在 UE的典型 天线高度为 1.5m。具有相同的链路长度， UE-UE的链路发生比 eNBUE连接更高的路径损耗。此外，由于 两个终端的 UE-UE链接都较低，他们看起来类似于散射环境近街，与eNB周围的散射环境不同。 链接的相关性 据预计， D2D UE设备的密度较高；例如，为了评估D2D，假定 3

12、GPP的每个小区中有 150 个设备。因此，较小的设备间距是可以预期的，与eNB-UE链路比较， UE-UE链路的传输特性有较高的相关 性，包括阴影，到达角（ AOA）和离去角（ AOD）传播，和传播延迟。 由于上述 UE UE 链路的独特特征，理想的方法是进行实际测量和制定适当的D2D信道模型。然而， 这会大大减缓 D2D研究项目 7 的进步，因此 3GPP采用一般的思想是适应现有的信道模型D2D，总结在 8， 表 a.2.1.2 。具体而言，该路径损耗模型主要是从赢家 + B1 改编，国际电信无线通信标准（ ITU-R ） IMT， 双条带模式。 阴影是为独立同分布的对数正态； 跟踪偏差取

13、决于 D2D方案。 快衰落模型是改编自 ITU-R IMT 与修订的多普勒模型来包含 D2D链路的双重流动性。 设计方面 D2D的 ProSe 是一种相对较新的研究项目， 其设计主要是开放的。在本节中，我们提供了在3GPP中被 讨论的设计方面的概述，并整理成四大主题： ProSe 管理，同步，设备发现，和直接的沟通。技术选项的 比较将贯穿本节， 并在表 1中总结。处理主要是从无线接入的角度看； 更高层次的问题， 如安全性， 授权， 隐私，和计费可能会在 6 中体现。 ProSe 管理 控制方式（ Ad hoc 与簇） 在 LTE 蜂窝网络中，控制平面只存在于用户终端和网络之间，也就是说，除 了

14、标准化和供应商的具体方面，该网络完全控制手机的操作。当D2D UE 装置被覆盖时， ProSe 应该在连 续的网络管理和控制下。然而，全网络控制的D2D UE行为可能被过度设计。例如，允许混合自动重复请 求（ HARQ）操作被 D2D UE设备直接处理可以减轻网络负担和减少反馈延迟。这些结果促使分裂网络和UE 之间的控制功能的必要性，如图所示。具体的拆分需要详细的分析和研究。 此外， D2D终端设备可能进入覆盖区域，其中网络失去控制能力。两种控制结构如图2所示： ad hoc 和簇基。在 Ad Hoc 网络拓扑，每个 D2D 终端设备控制自己的行为，和发射可以协调基于随机介质访问控 制（ MA

15、C）协议的载波侦听多址接入（ CSM）A。这种控制方式是简单的实现。然而，随机的协议是不一样有 效的集中调度。同时，他们不适合现有的LTE架构；因此， LTE 将需要重大重组。 在基于簇的控制拓扑中，一个 UE设备假定主机角色，担任一组 UE设备的簇。簇头就像一个 eNB可以 帮助实现本地同步，无线资源管理，进度D2D传输，多用于在集群从 UE设备。这种模式使覆盖 ProSe 的 拓扑结构（至少从控制平面角度）类似于E-UTRAN，其中一个 eNB提供在其细胞的终端设备，并具有优势， 现有的许多 E-UTRAN的功能可用于（可能适当调整）覆盖D2D。这可能减少 3GPP标准化的努力。缺点是簇

16、成为控制的瓶颈，并且它的电池耗尽。 请注意，主从控制模式不受覆盖场景的限制。例如，一个授权覆盖 UE 设备可以承担主作用，控制了 终端设备，在其覆盖范围。另外，它可以作为一个中继接收和发送控制信号从eNB来从覆盖终端设备，如 图 2 所示。 下行 vs. 上行 当公共安全终端设备通常有专用频谱， 商业 D2D UE设备与现有的蜂窝终端设备共享无线 资源在成对的频分双工（ FDD）和时分双工（ TDD）不成对的 LTE 网络。当 D2D传输下行链路资源利用，发 射 D2D UE可以到附近的同信道的蜂窝用户设备接收下行交通事业高干扰。相反，当D2D 传输利用上行链 路资源，接收 D2D UE经验强

17、干扰附近的同频蜂窝用户设备发送上行流量。 有如下几个理由， 有利于使用上行链路资源。 第一， 上行资源通常是利用较少的资源比下行，因此 D2D 上行资源共享可以提高频谱利用率。其次，某些类型的传输，如控制，试点和同步信号在下行链路中始终 存在。减小 D2D在下行链路广域网性能的影响，如果不是不可行的设计是需要复杂的。第三，利用上行链 路资源可以最大限度地减少蜂窝传输D2D干扰的干扰可以更好地处理基站，通常位于远离终端设备和更强 大。最后但并非最不重要的，在FDD LTE，复用上行链路资源要求我们能够在上行接收，而重用下行资源 需要 UE能够在下行传输。除了监管的关注，后者是更复杂的硬件设计（由

18、于更严格的传输射频要求）。 资源管理 当 UE 设备在覆盖网络，负责无线资源管理。原则上，网络可以实现资源动态（即，基于当 前的数据传输需求）或静态（即，资源预留一定周期性数据传输） 。显然，动态分配利用无线资源更灵活 地在控制开销的成本，而相反的是真实的静态分配。 对于 D2D发现，静态分配似乎是适当的。如果无线资源动态分配，终端设备需要不断活跃，导致高能 耗。相反，静态分配，可能减少 UE电池发现的影响。例如，一个框架结构可以标准化，50 个上行子帧中 的每一个 5S是留给发现， 仅百分之 1 的网络容量。 这允许参与发现睡眠时间的百分之99，只有醒来 UE器 件传输 / 接收信号的预定义

19、的子帧的发现。 对于 D2D通信， 动态分配比静态分配更合适， 因为 D2D交通波动可能会发生变化显着， 在空间和时间。 注意如果 D2D用户密度高，集中在 1 毫秒的时间调度资源（即，目前 LTE 调度时间表）可能涉及高开销的 收集 UE的 UE的信道状态信息（ CSI）然后通知 UE设备调度决策。另外，网络可以简单地分配了一个资 源池和 D2D通信让 D2D UE设备争用的随机接入协议。 当 UE 设备进行覆盖时，无线资源可以在一个集中的方式管理（例如，通过簇头）。另外，用户可以预 先与分布式资源访问协议（例如， CSMA），可以发射当 UE进入了覆盖区。 同步 D2D传输同步是吸引力的，

20、这是一个主要的优势在D2D网络覆盖与 MANET eNB提供同步信标。例如， 与时间同步的设备发现， UE设备只能预定时隙中接收发现相关信号是积极的。 这将消耗更少的能量比异步 发现，在连续搜索发现信号可能需要。然而， D2D 传输同步具有挑战性，因为它通常涉及多个D2D：信号 是从不同的发送 UE设备发出的（相反的下行的情况）和到达不同的接收终端设备（与上行的情况） 。 当 D2D UE设备的覆盖范围和相应的基站同步， FDD LTE 的第一个问题是，是否选择上行或下行定时数 据传输。如果上行频段进行通信，采用上行定时D2D传输可能产生的干扰少。然而，他们都不可能保证两 D2D用户设备之间的

21、同步，因为： ?他们可以与不同的基站不在 FDD LTE 同步关联。 ?甚至位于同一细胞，他们可能有不同的距离和不同的ENB，提前调整可以应用。 在 TDD LTE 也存在的最后一个问题。因此，定时偏差对链路/ 系统性能的影响值得进一步研究，和其他的 同步方法是必要的，如果的影响是不可忽略的。 同步变得更具挑战性，当 UE设备进行覆盖。在这种情况下，从终端设备同步信号周期传输可能需要。 虽然现有的 LTE开销信号如初级 /次级同步信号复用（ PSS和 SSS）是显而易见的，它是不明确的先验是否 充分或需要进一步优化。此外，同步信号的设计，包括传输周期，无线资源，发射功率，也是一个悬而未 决的问

22、题。 一个简单的解决方案是使用基于簇的控制模式， 在这种情况下， 簇头传输同步参考信号。 此外， 授权覆盖 UE设备可以发送或中继基站的同步参考信号的覆盖UE设备在其通信距离内。 设备发现 附近的终端设备检测能力是商业和公共安全用户的设备要求。发现设备大致可分为两种类型：直接发 现和演进分组核心（ EPC）水平的发现。在直接发现的情况下，用户会搜索附近的终端设备；这需要UE设 备参与设备发现过程定期发送 / 接收发现信号。两发现机制是可能的：一个推动机制，在UE广播其存在； 和拉动机制，在 UE请求信息对于发现 UE设备。直接发现作品都在覆盖和不覆盖的情况下，不排除网络服 务可用时。在 EPC

23、水平发现的案例，确定 UE EPC设备附近，和 UE设备启动的设备发现过程，它从网络接 收目标信息后。此方案需要网络来跟踪用户设备，减少对终端设备的发现负担。 发现信号设计 无论是直接的或 EPC水平发现， UE设备传输， 可以通过其他终端设备检测发现信号。 一 个自然的问题是什么样的信息应该被发现的信号。目前，它是在 6 ，UE标识将包括承担；其他内容如 应用相关的信息可以包括。发现过程中发送的信息量决定了无线资源的数量，也影响了发现信号或信道结 构。因此，一个粗略的估计的数量的发现信息，可以方便的设计。 如果发现信息的规模很小，它可能是足够的终端设备发送的特定序列的发现。虽然只有有限的信息

24、可 以传达，传输 /接收这些序列是相对低的复杂性。作为一个起点，自然是要评估是否存在 LTE 物理层信号 如 PSS和 SSS， PRACH，与参考信号的各种类型是足够的。如果发现信息的尺寸太大，被处理的序列为基础 的设计，一个包的设计可以用 13 ；然而，发送 /接收的发现数据包是更复杂的。 同步 vs. 异步发现 与异步发现相比，同步方案有明显的吸引力，因为它们是更有效的能源消耗和频谱 效率，并导致更可靠，更快的发现。然而，假设在设备的发现之前的同步一个先验的情况下可能是值得怀 疑的。这意味着，至少在公共安全网络，终端设备可能需要异步发现能力。 直接交流 几个直接的沟通模式被定义在 7 中

25、，包括单播，组播和广播，继电器。虽然利用一些现有的 LTE 的设计（例如，框架结构和频率参数）是可能的，支持UE-UE通信需要很多物理层的变化和新的标准化努 力，详情如下。 调制格式 直接通信中的第一个问题是波形格式的选择。 目前， LTE采用单载波频分多址接入 （SCFDM）A 在上行和正交频分多址 （ OFDM）A在下行，所以 UE设有 SC-FDMA发射机和接收机的 OFDM。A如果使用 SC-FDMA OFDM）A， D2D用户需要配备一个新的 SC-FDMA接收机（ OFDMA发射机）。相比于实现 OFDMA发射机，一个 接收机实现更复杂因为 SCFDMA单载波传输需要相对复杂的均衡

26、在接收机。然而，一个SCFDMA发射机可以 享受较低的峰均功率比（ PAPR）。 功率控制 D2D功率控制是节约能源和减少干扰的有用UE。请注意，上行发射功率完全由 eNB控制。允 许 D2D UE在其发射功率有一定的控制，可以减少信令开销和延迟控制。例如，eNB可能只是负责开环功率 控制，并设置了一个粗糙的发射功率水平和允许的功率范围，而D2D终端设备可以处理更精细的闭环功率 控制来适应快速的信道质量的变化。 信道测量 散文管理而言，网络应该知道D2D链路的信道条件 5 。根据不同的控制模式，测量结果 可能报网络或对等 UE。为了使信道测量，用于 UE的 UE链接参考信号的设计还需要进一步的

27、研究， 尽管 最初的信道测量可以进行设备发现过程中利用发现的信号。为出发点，对现有的LTE 参考信号的适用性评 价。同时，人们希望将 D2D通信根据 UE-UE 范围和 / 或移动。然后参考信号的开销减少可能短和低流动性 UE-UE联系渠道应该有更少的水龙头和变化缓慢。 HARQ操作 HARQ结合前向纠错 （ FEC）和 ARQ重传。 为干扰的情况下可能是相当复杂和动态的D2D通信， HARQ将 D2D通信更强大。 D2D HARQ可以间接或直接的 14 。在间接的 HARQ， D2D接收机首先发送一个 响应（ ACK）/负确认（ NACK）向 eNB；然后 eNB继电器 ACK/NACK到

28、D2D发射机。间接的 HARQ允许现有的 LTE 下行链路和上行链路信道被复用在额外的开销成本最小的变化和可能不再反馈延迟。在直接的HARQ， D2D接收机直接发送 ACK/NACK到 D2D发射机。直接的 HARQ可用于覆盖或不覆盖的情况。 注意， LTE Release 12 ，散文将专注于公共安全广播 9 ，它通常不具有闭环反馈。在这种情况下， HARQ操作可能不支持。 D2D的系统级性能 在这一节中， 我们提出了一些初步的评价结果， 以深入了解散文的表现方面的。 主要的模拟假设如下。 1. 每一个六边形单元由三个扇区组成，其天线方向图在 15 中指定。 2假设所有的终端设备都安装在室外

29、， UE的 UE的路径损耗模型的赢家 + B110 dB的偏移， 和 UE eNB 路径损耗模型 15 中指定。 3. 由于蜂窝终端设备的数量，他们在各部门均下降。同样滴应用于传输D2D UE设备。 4. 每个 UE发送 D2D下降，同伴接受 D2D UE在一些半径球均匀下降（称为 D2D范围以下）集中在 D2D UE 发送。因而接收 D2D用户可能会或可能不会在同一部门的同行。 5. 我们专注于上行链路，在开环功率控制： 在 PT表示发射功率， Pmax表示峰值发射功率 23 dBm，等于整个仿真，窦房结恢复时间是可调的信噪 比指标， PNOISE表示噪声功率，一个是路径损耗补偿因子，和光致发光表示链路路径损耗（包括阴影） 对于没有功率控制的情况下，在其最大功率传输每个 6. 假定一个完整的缓冲区交通模型。 首先，我们考虑公共安全的情况下，显示在图 果 10 降 D2D 变送器每部门不协调、活跃的同时，图 UE。 3 中不同的 D2D 链路功率控制设置下的 SINR 分布。如 3 的左边的图显示所产生的不良的 SINR 分布：在 D2D 链路最百分之 40 可以大于 -6 dB 的信噪比。这个较差的 SINR性能是由于 D2D终端设备是随机分布的，以 及由此产生的远近问题不能进行有效