D2D通信关键技术与应用 课件 第5、6章 D2D同步技术、D2D缓存与卸载

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，针对自组网系统中同步协议的结构局限性，讨论了蜂窝辅助同步与D2D独立同步，以在短时间内实现高精度同步。仿真测试了与STD-15.8的性能对比，实验结果表明，分布式D2D同步技术的同步性能优于STD-15.8。5.5本章小结第五章思考题QUESTION:对于部分覆盖同步场景，如何快速可靠地传播同步领导者的时钟值？在整个D2D同步流程中，蜂窝辅助同步和独立同步流程是什么？PSS和SSS序列共同组成PCI,请问LTE系统的PCI个数为多少？6D2D缓存与卸载6.1概述6.3缓存策略6.2D2D缓存6.4计算卸载6.5本章小节6.1概述移动互联网流量趋势：（1）在过去五年中，移动互联网数据量增长了40倍，其中视频流量超过一半。（2）移动互联网数据增长速率远超基站增长速率6.1概述庞大的数据与计算任务给通信网络带来的影响有哪些？存储空间－－请求次数与日俱增给基站和服务器带来巨大负荷。回程链路－－用户发送请求到服务器，要先经过基站，然后将需要的资源传送到核心网，大量流行度较高的重复内容经过回程链路会造成核心网络拥堵。服务质量－－当大量请求在队列中时，不仅会造成排队等候的时延，还会造成用户被迫降低分辨率和码率，以减少请求时间。D2D缓存的概念6.2D2D缓存D2D缓存是指用户设备不直接使用BS数据进行数据中转，与本地缓存、微基站缓存和宏基站缓存不同的是，D2D缓存是通过直连链路的形式向附近UE请求已经缓存好的内容，而自身也会缓存相关数据以满足自身以后的数据请求，或者满足邻近用户的数据请求。图6-2本地缓存、微基站缓存、宏基站缓存和D2D缓存D2D缓存的优点6.2D2D缓存提升通信系统整体容量－－UE无论是从数量还是分布密度上，都远大于宏基站和微基站，虽然单个UE的收发功率、能量效率、存储能力都落后于BS和边缘服务器，但是数量和分布上的优势足以弥补这些缺陷。服务时延－－这里的时延是指发起请求到结束任务的全过程时延，考虑到用户可能在发起请求后由于时延较长、不可抗因素等原因产生放弃行为，距离发送端较近的设备时延更低。缓存策略分类6.3缓存策略

物根据不同的应用场景和性能要求，D2D缓存策略可以分为以下六个类别。图6-4缓存策略分类6.3.1主动与被动缓存6.3缓存策略

主动缓存是根据当前网络流量动态，在非高峰时段，主动将热门内容存储在选定的缓存节点中，从而缓解网络流量压力。被动缓存是在用户请求内容之后确定是否缓存内容。图6-5LRU（Leastrecentlyused）缓存替换算法常见的主动缓存6.3.1主动与被动缓存6.3缓存策略

LRU缓存的特点：（1）无法完全预测下一时刻的请求内容，因此存在缓存污染的情况。（2）如果存储空间小于或者稍大于文件体积，则不能完成缓存列表更新。（3）空间利用率较低。可通过文件预处理与分级缓存改进该策略6.3.1主动与被动缓存6.3缓存策略将请求文件分为前缀缓存与后缀缓存，后缀缓存进一步平均细分或者不规则分段一级缓存空间存储前缀部分各级空间满载后将末尾文件淘汰到下一级6.3.1主动与被动缓存6.3缓存策略用户在请求之前会优先考虑本地搜索，自缓存命中率为：除去少量的自我缓存外，绝大部分需要临近UE缓存来实现，D2D缓存命中率：

6.3.1主动与被动缓存6.3缓存策略性能仿真图6-12平均时延缓存数量对缓存命中率的影响6.3.2集中式与分布式缓存6.3缓存策略集中式与分布式缓存对比：集中式缓存下数据交互需要跨越的地理距离较远，造成数据传输延迟较大，网络链路不够稳定。当BS不属于同一服务提供商时，集中解决方案很难实现。分布式解决方案可以更快地响应本地更改，并且对其他节点的缓存决策影响较小。6.3.2集中式与分布式缓存6.3缓存策略分布式缓存网络构成6.3.2集中式与分布式缓存6.3缓存策略移动辅助设备能够预测周围的UE在接下来一段时间内可能访问的内容，从而最大程度地利用分布式缓存的多设备、高密度等优势，克服分布式设备的移动性带来的不稳定性。假设单位时间内单个UE的平均内容请求数R表示为：

6.3.2集中式与分布式缓存6.3缓存策略性能仿真图6-17命中率性能图6-18命中率与移动辅助设备的移动速度6.3.2集中式与分布式缓存6.3缓存策略性能仿真分析：在分布缓存中，假设移动辅助设备具有恒定的速度，并且能够准确地预测其移动路径，对于高密度的移动辅助设备，即使有些移动辅助设备偏离了预测路径，也可能存在其他能够提供内容的移动辅助设备。6.3.3编码缓存6.3缓存策略编码缓存是指在缓存数据之前处理掉冗余的数据或者扩充已有的数据，实现对存储量的压缩和扩张，然后再进行缓存。图6-21D2D通信建立及编码传输过程6.3.3编码缓存6.3缓存策略网络编码技术可为D2D缓存带来如下优势：图6-22蝶形网络（1）提高缓存吞吐量

能够提升网络吞吐量是网络编码技术最突出的优势。该方式通过对需要发送的数据包进行有效的线性编码重组，可以使网络用更少的传输次数传输更多的数据信息，吞吐量随之提升。节点S1向节点S2发送数据包b1，同时，节点S2向节点S1发送数据包b26.3.3编码缓存6.3缓存策略网络编码技术可为D2D缓存带来如下优势：（2）提升网络健壮性

在基于网络编码的无线网络传输过程中，编码操作使得每个数据包之间产生了相关性和联系，即使传输过程中发生数据丢失，由于采用了网络编码技术，接收节点可以避免在整个传输网络中寻找新的路由，然后进行解码恢复。（3）节约无线资源

在使用网络编码的D2D通信系统之中，网络系统容量提升，传输时隙减少，无线资源的需求量也随之降低。终端数量较多的大型D2D通信网络中，引入网络编码技术会使得