D2D通信关键技术与应用 课件 第五章

5D2D同步技术5.1概述5.3LTE同步与D2D同步5.2同步的分类5.4分布式同步策略5.5本章小结5.1概述同步的方式：频率同步、相位同步、时间同步。频率同步：指设备A和设备B以相同的速度接收到信号前沿，但不是在同一时刻。相位同步：即设备A和设备B在同一时刻但不同时间间隔接收到信号的前沿。时间同步：设备A和设备B在同一时刻、同一时间间隔接收到信号前沿。5.2同步的分类

从场景上看，D2D同步分为基站覆盖、异构网络和分布式网络下的同步。5.2同步的分类

从分布角度看，在D2D网络中有两种主要的定时同步方法：集中式和分布式。集中式方法：启用D2D通信的终端在终端集群中扮演协调者的角色，以便将其传输范围内的参考计时器交付给其他启用D2D的终端。分布式方法：支持D2D通信的UE要为其传输范围内的其他UE提供计时参考，因无固定AP可用，加上移动AP带来的不确定性，若AP失去与网络的连接，则其它UE要重新选择AP5.2同步的分类与集中式方法相比，分布式方法的缺点及改进：提供时间参考时严重依赖簇头（CH）在选择一个新的CH之后，由于传输范围的限制，可能很难保证整个集群都能搜索到新的CH。簇间通信变得更加困难。需要重新选择一个新的同步源引入一种机制来中继或传输CH的传输范围之外的参考计时器在附近独立创建的集群提供一种机制5.2同步的分类与集中式方法相比，分布式方法的缺点及改进图示5.3LTE同步与D2D同步D2D同步是以LTE同步技术为基础，沿用LTE的帧结构、同步信号生成规则、收发规则等技术。并对同步信号进行了改造，以此适应D2D通信中的应用场景。

在LTE同步技术中，初始同步和新小区识别过程采用3GPP规定的两种物理信号，分别是主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）。5.3LTE同步与D2D同步

在D2D通信中，D2D同步信号在6个物理资源块（PRB）中间填充4个单载波频分多址（SC-FDMA)符号。

UE通过对其进行解码获取物理层小区标识和每个传输符号的循环前缀长度，从而得到小区使用的是频分双工（FDD）还是时分双工（TDD）。这两种双工模式所对应的是两种不同的无线帧结构。FDD无线帧结构5.3LTE同步与D2D同步5.3LTE同步与D2D同步5.3LTE同步与D2D同步TDD无线帧结构5.3LTE同步与D2D同步TDD相对于FDD的优势有:（1）灵活配置频率，使用FDD不易使用的零散频段；（2）可以通过调整上下行时隙转换点，灵活支持非对称业务；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低设备成本；（4）接收上下行数据时，无需收发隔离器，只需一个开关，可降低了设备的复杂度。5.3LTE同步与D2D同步TDD相对于FDD的缺点有:（1）TDD系统上行链路发射功率的时间比FDD短；（2）TDD系统收发信道同频，无法进行干扰隔离；（3）为避免与其他无线系统之间的干扰，TDD需要预留较大的保护带，影响了整体频谱利用效率；（4）因为高速运动下信道变化快，TDD分时系统导致UE报告的信道消息有延迟。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑战

由书P83的例子及5.2小结中的三种同步场景可知，自适应分布式同步需要面临的挑战如下：

（1）部分覆盖同步场景中，如何快速可靠地传播SL的时钟值，特别是当存在多个SL时，显得尤为重要，此时的冗余的SL也会成为传播的优势。（2）对于覆盖外同步场景，如何设计分布式操作来实现全局时钟的一致性。（3）在覆盖外同步场景中，当一个新设备加入一个几乎同步的组时，如何保证新设备不会对该组产生较大的影响。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑战

由书P83的例子及5.2小结中的三种同步场景可知，自适应分布式同步需要面临的挑战如下：（4）即使使用MAC层时间戳，仍然会存在延迟，时间戳过程本身也存在不确定性。因此，如何处理不正确的时间戳来实现高精度的同步？（5）在这两个不同的场景以及它们各自的同步挑战中，SF最初并不知道它们所处的覆盖场景。其次，对于SF来说，如何确定要遵循哪种类型的同步方法仍是需要解决的重点。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑战在挑战4中，有两种消除时间戳的不准确性从而得到精确估计的方法:递归估计和和分层结构。设备必须收集足够数量的有效时间戳，来估计回归系数。

有效时间戳--接收设备用于SL设备时钟的时间戳。在快速传播中引入了两种策略：Pseudo-syncleader（PSL）和合作同步。当一个设备开始充当PSL时，传输的概率会因此提高。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步

在D2D系统中，自组网系统研究的许多同步协议存在一定的结构局限性。本章节介绍一种新的D2D系统定时同步方法。当蜂窝基站的存在时：考虑了蜂窝上行过程中基于随机访问过程的蜂窝辅助(CA)同步方法。

当蜂窝基站不可用时：用户设备执行独立(SA)同步方式。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步

基于上述提出的CA同步方法和SA同步方法。图示如下：D2D通信类型5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步下图为SA-D2D通信的框架结构：

在传输间隔内，终端只以参考时钟的速度向其他终端发送自己的全局同步信号(GSS)。在整个系统过程中，终端将参考时钟作为自身的时钟；在传输间隔中，终端只以参考时钟的速度向其它终端发送自己的GSS；在接收间隔中，终端只侦听邻UE的GSS一帧。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步下图为LTE系统中eNB与终端上行同步的随机接入过程：

适合于D2D通信的随机访问过程如下：在蜂窝通信的随机接入过程中，终端直接应用TA信息；而对于D2D通信的同步，UE在定时调整过程中使用TA值的一半,该值等于eNB和UE之间的时间差。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步下面介绍CA-D2D通信类型:CA-D2D同步方法示例如下:假设eNB和UE之间的距离为30个样本，然后，在原始随机访问过程中，UE在30个样本的位置发送信号，eNB在第0个样本的位置接收信号。UE在15个样本的位置发射信号。通过提出的基于TA信息使用不同的流程，可以实现所有终端具有相同的参考时钟，而不需要额外的流程。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步

在初始观测区间中，确定Tx-Rx区间的顺序。由于Tx-Rx的重复结构，Tx-Rx的顺序在GSS交换过程中非常重要。下表为Tx-Rx顺序规则：最大GSS位置Tx-Rx命令第一帧第二帧无GSS检测Rx-TxTx-Rx(Tx-Rx)或者(Rx-Tx)5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步功率加权是参考时钟由GSS到达时间的接收功率加权平均决定的决策规则之一，如下式所示：

5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步同时，通过下述公式所述的等增益平均，对所有接收到的功率大于检测阈值的GSS的到达时间进行等平均。

5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步在广域网环境下，同步所有终端的时间过长。因此，使用一个只考虑最大功率的GSS的决策规则来进行群同步。首先，在决策规则中不考虑距离较远的UE，可通过分组过程来切断传播问题。同步锁（SynchronizationLock，SL）--是参考时钟在一定间隔内不断保持的一种状态，是指在某一帧间隔内参考时钟的平均值与下一帧间隔内参考时钟的平均值之差在某一样本内。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步检测终端是否进入SL状态，可以通过下式判断：因此，SL条件通过这种方法，可以使两个SL组同步，并且可以应用于所有SL组。5.4分布式同步策略5.4.2自适应分布式同步综上所述，UE在D2D系统中的同步流程如图下所示。首先，UE尝试在几秒钟内检测下行信号，以使用CA方法。如果没有下行信号，则采用SA方式。5.4分布式同步策略5.4.3结果分析

根据前面所提出的D2D同步的帧结构，假设信道特性在一个同步周期内不发生变化，采用的仿真参数如下:UE数量50，UE均匀随机分布在300m×300m的区域内。链路范围阈值设置为70m。注意：所有UE都可以通过多跳连接。

为了正确反映同步所需的时间，模拟时间被归一化为帧的数量。5.4分布式同步策略5.4.3结果分析

5.4分布式同步策略5.4.3结果分析下图为UE数量为50时的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3结果分析下图为UE数量为200时的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3结果分析论证结果：可以看出自适应分布式同步方法可以实现100%的同步率，但前提是不良同步包比例的阈值要设定得极低。当同步达到稳定状态时，STD-15.8仅为50个UE和200个UE实现了大约75%和68%的同步率。图2中的高密度UE数量比图1中的低密度UE数量更快地实现同步，特别是对于所提出的方法。5.5本章小结本章针对D2D同步中的同步分类进行了综述，大体分为集中式与分布式两种，其中重点阐述了分类中的分布式策略，并探讨了LTE同步技术发展对D2D同步的影响。D2D同步沿用了LTE的帧结构、同步信号生成规则、收发规则等技术，但是对同步信号进行了改造，以适应D2D通信中的三种覆盖场景。在分布式策略中，分析了目前存在的困难与挑战