D2D通信关键技术与应用 课件 第1、2章 绪论、D2D信道建模

D2D通信关键技术与应用D2D通信关键技术与应用1绪论1.1D2D技术概况1.3D2D通信架构及标准1.2D2D通信分类及技术特点1.4D2D通信关键技术及评价指标1.5本章小结1.1D2D技术概况D2D（devicetodevice）技术是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的技术。什么是D2D技术？为什么要引进D2D技术？D2D通信链路建立后，数据传输过程无需核心设备或中间设备干预，可降低通信系统核心网络的数据压力，提升频谱利用率和吞吐量，扩大网络容量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行。1.1D2D技术概况D2D通信通常对蜂窝网络是不透明的，它可以发生在蜂窝移动通信频段或未经许可的频段上。在传统的蜂窝网络中，即使通信双方在基于邻近性的D2D通信范围内，终端设备间都必须通过基站实现信息传输。{通信基站的通信适合传统的低数据速率移动服务如语音通话和短信当今蜂窝网络中的移动用户绝大多数需要高数据速率服务（如视频共享、游戏、邻近感知社交网络）在这些服务中，D2D通信在频谱效率、网络吞吐量和公平性等方面具有绝对优势1.1D2D技术概况什么是蜂窝网络D2D通信技术？随着无线通信技术的发展，为了提高蜂窝通信系统的各方面性能指标，工程技术人员和科研学者将蜂窝移动通信与短距离设备间相互通信相结合，形成了现阶段研究较为广泛的蜂窝网络D2D通信技术。为什么说D2D通信是5G系统的重要组成部分？D2D通信在执行过程中允许将本地流量与蜂窝网络分离，通过此方式，它不仅可以消除数据传输和相关信令对回程和核心网络造成的负载负担，还可以减少在中心网络节点管理流量所需的额外工作。1.1.1D2D通信的5G应用场景1.1D2D技术概况场景1：本地数据信息交互场景2：超密集网络情形下的多用户内容分发及管理场景3：协作通信中的中继选择传输。场景4：蜂窝数据卸载缓存场景5：蜂窝D2D网络应用扩展1.2.1D2D通信分类1.2D2D通信分类及技术特点D2D通信带外D2D通信(非许可频段D2D通信)OverlayD2D-L模式UnderlayD2D-L模式ControlledD2D-U模式AutonomousD2D-U模式带内D2D通信(许可频段D2D通信)1.2.1D2D通信分类1.2D2D通信分类及技术特点带内D2D通信：在D2D-L通信中，D2D用户和蜂窝用户（CellularUser，CU）共享许可频谱，因此对蜂窝频谱控制能力较强。系统服务质量（QualityofService，QoS）由基站控制和保障，其负责处理资源分配和干扰管理等问题。带外D2D通信：D2D-U通信发生在未经许可的频谱资源中（如ISM频段），也称为带外D2D通信。使用未经许可的频谱可以缓解D2D通信链路和蜂窝网络通信链路之间的干扰，D2D-U与其他无线通信系统共享未经许可的频段。1.2.1D2D通信分类1.2D2D通信分类及技术特点OverlayD2D-L模式：D2D用户被分配专用频谱资源，可降低D2D通信传输过程中对蜂窝网络用户的干扰，但与此同时降低了蜂窝通信可利用的资源量。如何确定具有更大信息相关性的D2D用户，并赋予其ProximityService的优先级是OverlayD2D-L模式的研究重点。UnderlayD2D-L模式：D2D用户和CU共享相同的频谱资源，与OverlayD2D-L模式相比，其提高了频谱利用效率。然而，蜂窝网络频谱资源的复用，将产生D2D用户对通信和CU之间通信的相互干扰问题。UnderlayD2D-L模式下，D2D通信的有效干扰管理和资源分配是亟待解决的重中之重。1.2.1D2D通信分类1.2D2D通信分类及技术特点ControlledD2D-U模式：在ControlledD2D-U模式中，基站提供控制平面信令，设备进行未授权频谱中的数据平面传输。通过基站管理信标信道并帮助D2D用户发现和接入，使通信系统实现节能，同时该模式下的基站辅助还可改进资源管理和系统干扰等问题。AutonomousD2D-U模式：基站不提供传输的控制平面信令，信令控制由D2D-U网络设备提供。在集群通信中，控制信令有时也通过集群簇头节点提供。由于不需要基站的干预实现通信，AutonomousD2D-U模式可实现系统通信的低延迟。1.2.2D2D技术特点1.2D2D通信分类及技术特点010305020406增强增益收益提高频谱效率保证能效优化降低用户时延控制干扰管理扩展覆盖范围1.2.2D2D技术特点1.2D2D通信分类及技术特点虽然D2D通信具有上述技术优势，但随着爆炸式增长的智能接入终端和数据与紧缺的频谱资源矛盾日益显现，D2D通信也带来了一系列新的技术挑战，主要包括：用户体验方面的挑战技术实现方面的挑战对等发现；资源分配；功率控制；干扰管理；缓存卸载安全性；同步性1.3.1D2D-U通信架构1.3D2D通信架构及标准当D2D-U用户发起D2D通信时，无论何种无线网络通信方式，用户端通过应用服务器提供的服务内容开始链接，并且该内容链接与具有D2D功能的用户终端关联时，D2D通信可以执行，该过程可以通过下图所示的D2D-U通信架构实现。1.3.2D2D-L通信协议标准—Prose1.3D2D通信架构及标准3GPP组织定义的D2D-L标准化协议为LTE终端直通近距离服务协议（ProSe），其架构模型如图所示。ProSe用于网络相关动作的逻辑功能表述，为用户设备提供PLMN特定的参数，同时其功能还包括生成和维护受限的ProSe用户ID，并分配和处理用于直接发现的应用程序ID和应用程序代码的映射。1.3.2D2D-L通信协议标准-SIDELINK传输1.3D2D通信架构及标准在传统蜂窝通信中，gNB或eNB通过上行链路（Uplink，UL）和下行链路（Downlink，DL）与UE进行通信，包括信令和数据，这一概念在ProSe通信中通过引入Sidelink（SL）得到了扩展，如图所示：ProSe描述的是端到端的应用，即设备与设备之间的通信；而SL描述的是信道结构，即逻辑信道、传输信道和物理信道，它们被用于空中接口以实现ProSe应用。ProSe和sidelink之间的区别是什么？1.3.2D2D-L通信协议标准-SL通信1.3D2D通信架构及标准有两个定义的SL逻辑信道用于通信，即SL流量信道（STCH）和SL广播控制信道（SBCCH），如图所示，蓝色的是数据路径，而控制信号的路径则用红色表示。1.3.2D2D-L通信协议标准-SL通信1.3D2D通信架构及标准STCH用于承载ProSe应用用户信息的数据传输，它是一个点对多点的信道，反映了ProSe通信的组呼特性。SBCCH携带信令信息，用于覆盖范围外或部分覆盖场景下的同步，或用于位于不同小区的UE之间的同步，其与SL广播信道（SLBroadcastChannel，SL-BCH）连接，是一种具有预定义传输格式的传输信道，原因在于来自SBCCH的资源块具有相同的大小。1.3.2D2D-L通信协议标准-通信资源池1.3D2D通信架构及标准SL传输和接收的核心概念是资源池（ResoucePools，RP）。资源池是分配给SL操作的一组资源，它由子帧和其中的资源块组成。图示为用于SL通信的资源，在子帧位图中指示子帧是否可用于SL。在经过一个可配置的周期之后，即SL控制周期，整个模式重复将重复执行。1.3.2D2D-L通信协议标准-SL直接发现1.3D2D通信架构及标准UE和ProSe功能之间的控制平面信令D2D直接发现的协议栈发现类型：类型1：在非UE指定的基础上分配用于发现信号传输的资源。类型2：按UE指定基础分配资源：A.为发现信号的每个特定传输实例分配资源；B.资源半持久分配用于发现信号传输。1.4.1D2D通信关键技术1.4D2D通信关键技术及评价指标（1）资源分配：D2D资源分配是保证蜂窝用户和D2D用户通信以及D2D用户之间通信公平、可靠和频谱共享的关键因素。（2）中继选择：D2D中继选择可保证网络覆盖范围内通信系统性能和传输能力的提高。（3）缓存与卸载：D2D通信使用户之间可以直接连接，而无需与回程通信进行任何联系。1.4.1D2D通信关键技术1.4D2D通信关键技术及评价指标（4）功率控制：当下D2D用户的功率控制可分为静态功率设置与动态功率设置。（5）同步技术：D2D同步目前可分为基站覆盖同步和异构网络同步；从实现方法上看，D2D通信中有两种主要的定时同步方法：集中式同步和分布式同步。（6）安全传输：由于数据跨通信网络分布的性质，D2D通信网络安全引起了学术界的广泛关注。在D2D网络中开发网络安全协议，以使用户信息能够避免信息泄露十分必要。1.4.2D2D通信系统性能评价指标1.4D2D通信关键技术及评价指标D2D通信技术的主要性能指标包括以下方面：（1）中断概率：在通信中，当链路容量不一定满足所要求的用户速率时，会产生中断事件，该事件呈概率分布，所以中断概率即为中断事件发生的概率。（2）系统容量：指单位时间内系统能够传输的最大信息量，是衡量通信系统和终端设备通信能力的重要标志，与通信线路的数量、工作效能和信息通过的时间等有关。（3）能量效率：通信中的能效定义为有效信息传输速率与信号发射功率的比值。（4）系统吞吐量：在蜂窝网络中，系统吞吐量指单位时间内通过该网络成功传递消息包的数量，是衡量系统性能的重要指标。（5）算法复杂度：指算法在编写成可执行程序后，运行时所需要的系统资源，包括时间资源和空间资源。1.5本章小结D2D通信作为5G及未来6G移动通信网络的关键技术，可有效提升资源利用效率、丰富业务类型和降低核心网网络负担，其技术优势可保证网络运行的可靠性。本章首先介绍了D2D通信的技术概况，并给出了D2D通信的5G应用场景。随后对D2D技术分类和技术特点两个方面的相关内容进行了阐述，并提出D2D通信面临的技术挑战。同时，对D2D-U背景下的通信架构和D2D-L背景下的协议标准进行了较为全面的介绍。最后，阐述了包括资源分配、中继选择、缓存与卸载、功率控制、同步技术和安全传输的D2D关键技术，并总结了D2D通信系统性能评价指标。思考题QUESTION:1.什么是D2D通信？2.面向蜂窝网络的D2D通信协议主要包括哪些？3.D2D通信的技术特点是什么？4.D2D通信的关键技术包括哪些？5.简述可以衡量D2D通信系统性能的评价指标。2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2随机信道模型2.4本章小结2.1概述

为验证、优化和设计无线通信系统，前期需要对无线信道进行建模。毫米波通信信道模型可分为确定性毫米波模型和随机性毫米波模型。本章具体描述3GPP标准TR38.901推荐的随机模型。5G通信系统的3GPP标准化时间表如下图所示：2.2随机信道模型

随机信道模型包括大尺度衰落和小尺度衰落两部分。什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？大尺度衰落--当电磁波信号通过一段较长的距离时会产生大尺度衰落，一般是由信道的路径损耗（关于距离和频率的函数）和大的障碍物（如建筑物，中间地形和植被）所形成的阴影引起。小尺度衰落--当电磁波信号在较小的范围内传输时，会观察到其瞬时接收场强的快速波动的一种现象。2.2.1大尺度衰落模型2.2随机信道模型对于大尺度衰落模型，用户首先设置应用场景、天线数量和速度参数，然后通过下图流程获得信道参数。2.2.1大尺度衰落模型

下面将从典型场景介绍不同的大尺度衰落模型（1）自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间为完全无阻挡的视距路径时接收信号的场强。弗里斯（Friis）公式：

2.2.1大尺度衰落模型路径损耗：有效发射功率与接收功率之间的差值。对于没有任何系统损耗（L=1）的自由空间路径损耗：当包含天线增益时，路径损耗：不包括天线增益时，假设天线具有单位增益路径损耗：2.2.1大尺度衰落模型下面将从典型场景介绍不同的大尺度衰落模型。（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型距离功率斜率：实际的信道环境中，平均接收信号功率宇自由空间的路径损耗同样随距离d呈对数方式衰减，引入路径损耗指数α，可修正自由空间的路径损耗模型。

2.2随机信道模型环境自由空间2市区蜂窝无线传播2.7-3.5存在阴影衰落的市区蜂窝无线传播3-5建筑物内的视距传播1.6-1.8有建筑物阻挡4-62.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型不同环境下的路径损耗指数：2.2随机信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型

为计算方便，通常对距离功率斜率进行变换，以分贝的形式可表示为：

2.2随机信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型则上式为对数距离路径损耗模型。表示总路径损耗等于第1米的路径损耗加上相对于第1米的接收功率的损耗。通常用来表示D2D通信中距离与功率的关系。如果用dB定义1米的路径损耗为则路径损耗为

2.2.1大尺度衰落模型（2）对数距离路径损耗与对数正态阴影衰落模型阴影衰落（慢衰落）--因为位置不同而导致信号强度变化的现象。因为接收信号受到建筑物等其他物体的阻碍而使得接收信号强度围绕着平均值波动。

2.2随机信道模型2.2.1大尺度衰落模型（3）其他路径损耗模型大蜂窝区的路径损耗模型宏蜂窝区的路径损耗模型微蜂窝区的路径损耗模型室内微微蜂窝区的路径损耗模型毫微微蜂窝区的路径损耗模型2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指无线电信号在短时间或短距离（若干波长）传播后其幅度、相位或多径时延的快速变化。计算和生成小尺度参数和系数的过程：2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型对上式升序排序：簇功率：延迟：比例延迟为：2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型对所有簇功率进行归一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的数量对于LOS条件，向第一个簇中添加额外的镜面分量，并且簇功率被标准化为：

2.2随机信道模型2.2.2小尺度衰落模型

导致信号幅度快速波动的两种效应：多径衰落和多普勒效应。（1）多径衰落模型多径衰落的常见分布是Rayleigh分布，其概率密度函数：（2）Rayleigh衰落信道的多普勒频谱模型经典多普勒频谱：2.3D2D通信信道模型D2D通信链路信道的物理特征：（1）低天线高度（2）短距离通信（3）终端移动性（4）通信频率2.3D2D通信信道模型3GPP为了保证D2D研究的标准化，在第73次3GPPTSGRANWGI会议上，给出了D2D评估方法和信道模型标准如下：应用场景室外-室外室外-室内室内-室内路径损耗WINNERⅡB1场景加上10dB偏移双带模型；WINNERB4场景加上10dB偏移双带模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi场景的视距概率阴影衰落8dB对数正态分布；假设为独立同分布，即未进行相关性建模快速衰落采用对称的角度（离开角，到达角）扩展分布；修正ITU-RUMi和InH场景模型以适应收发端的双移性2.3D2D通信信道模型

从信道建模的角度来看，不同的D2D通信类型将导致不同的通信应用场景，从而可建立不同的D2D信道模型。D2D通信系统2.3D2D通信信道模型

常用的D2D信道模型主要会考虑大尺度路径损耗和小尺度路径损耗。

蜂窝小区内子信道上发射端到接收端的瞬时信道增益可建模为：G为路径损耗常数，h和β分别是具有对数正态阴影的大尺度衰落和具有指数分布的小尺度衰落增益。2.3D2D通信信道模型D2D通信信道建模例子:此例子定义的D2D场景分为两类，即M2M（移动对移动）和F2M（固定对移动），同时将收发端不等高的传统F2M场景称为CF2M（传统固定对移动）场景。（1）信道测试收发端均配置全向阵列天线（ODA）天线，测量系统主要参数如表所示：参数数值参数数值中心频率5.25GHzRx天线单元数18发射频率+26dBmTx天线高度1.5m带宽（空对空）200MHzRx天线高度1.5mTx天线单元数18极化类型交叉极化2.3D2D通信信道模型测试场景：楼道对楼道、楼道对房间和房间对房间三种，涵盖LoS（视距）和NLoS（非视距）情形。对于每个场景，信道测量均涵盖F2M、M2M同向运动以及M2M相向运动三种情形，共采集大约2500个快照的数据用于分析和信道参数提取。测量过程中，小车移动时保持1m/s匀速行驶。收发端高度为1.5m。2.3D2D通信信道模型（2）D2D信道接受信号幅度分布

设x和y为相互独立，且服从瑞利分布的随机变量，则z=xy服从双瑞利分布，其概率密度函数PDF如下所示：

2.3D2D通信信道模型考虑单次、二次和多次散射环境下的多径传播效应，接收信号复振幅可