无线网络技术及应用

1、重庆邮电大学工程硕士研究生堂下考试答卷2016学年第 二 学期考试科目 无线网络技术及应用姓 名 年 级 专 业 2016年 6月28日欢迎下载D2D终端直通技术研究摘 要：D2D(device-to-device)通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术，通过提高空间利用率从而提高频谱利用率 ，在某些场景下使移动通信变得更加直接和高效，缓解基站压力，提高用户体验。本文首先给出了D2D通信系统的基本概念、技术特点，重点关注干扰管理、模式选择、资源分配和功率控制。最后对D2D通信技术在下一代网络中的应用提出了一些构想。关键词：D2D通信技术；蜂窝网络；资源分

2、配；下一代网络一、D2D的概念及技术特点D2D（Device-to-Device）通信，也称为邻近服务（Proximity Service，Pro Se），是由3GPP组织提出的一种点到点的无线通信技术，它可以在蜂窝通信系统的控制下允许LTE终端之间利用小区无线资源直接进行通信，而不经过蜂窝网络中转。作为面向5G的关键候选技术，D2D技术能够提升通信系统的频谱效率，减轻系统负荷，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。同时，由于降低了通信距离，D2D技术还可以降低移动终端发射功率，减少电池消耗，提高终端续航时间。LTE-D2D有以下几个技术特点。(1) 工作在许可频段 基于LTE技术的

3、D2D工作在许可频段，作为LTE通信技术的一种补充，它使用的是蜂窝系统的频段，通过基站对无线资源的控制使得对小区其他用户的干扰控制在可接受范围，因此可以给用户提供干扰可控的环境和较高质量的通信服务。并且利用网络中广泛分布的用户终端以及D2D通信链路短距离的特点，可以实现频谱资源的有效利用，获得资源空分复用增益。而蓝牙、Wi-Fi Direct、Flash Lin Q等技术，工作在免许可频段，存在严重干扰，通信QoS无法得到保障。(2)网络参与D2D通信流程 D2D通信和传统蜂窝通信使用相同的无线资源，由网络控制并优化无线资源的使用，以获得最优QoS。蜂窝网络对D2D通信的控制程度有不同等级：一

4、方面，蜂窝网络可以对D2D设备的邻近发现、连接建立和资源分配进行全面控制；另一方面，蜂窝网络也可以辅助D2D设备完成邻近发现和连接建立，并提供认证等功能，蜂窝网络不干涉D2D连接的资源分配，并且D2D连接也可以采用其他非蜂窝的无线接入技术进行数据传输，如使用Wi-Fi等进行数据传输。(3)应急通信 当极端的自然灾害如地震、台风发生时，传统的蜂窝基站等基础设施往往会受到损坏，甚至发生网络瘫痪，通信服务无法得到保障。D2D技术的引入有可能解决这个问题，如通信网络基础设施被破坏，终端之间仍然能够基于D2D连接建立无线通信，保证终端之间无线通信的畅通，为灾后救援提供保障。另外，受地形、建筑物遮挡等因素

5、的影响，无线通信网络覆盖往往会存在盲点。通过一跳或多跳D2D，位于覆盖盲区的用户可以连接到位于网络覆盖内的用户终端，借助该终端连接到无线通信网络。3GPP SA1于2011年9月成立近距离服务研究项目（Proximity Service Study Item），把D2D的应用场景分成公共安全和商业应用两大类，并于2012年5月引入使用Wi-Fi进行数据通信的方案。在3GPP RAN工作组，高通公司一直在推动立项，并将研究分成设备发现和数据通信两个阶段分步推进。D2D技术能在蜂窝网络的框架下发现周围具备相同功能的设备或用户，提升电信运营商基于位置的业务能力，带来潜在新商机，提供更好的用户体验。但

6、是，由于面临与其他NFC、Wi-Fi Direct等传统直连通信技术的竞争，商业模式有待进一步明晰。另外，作为面向未来5G的关键候选技术，其在很多其他领域诸如室内定位、车联网（LTE-based V2X）等也会有重要应用。二、D2D通信的分类假设两层次的蜂窝网络中包含宏蜂窝层和终端层、宏蜂窝层是传统蜂窝系统中基站( Base Station , BS )到终端的通信，终端层是D2D通信。如果某个终端通过BS连接到蜂窝网络，就认为该终端工作在宏蜂窝层。如果某个终端直接与另一终端相连接或者通过其他终端中继后相连接，就认为这些终端工作在终端层。为了实现终端层，运营商可以有不同级别的控制权。运营商可以

7、完全或者部分控制资源分配和中继节点，或者不进行任何控制。因此，可以将D2D通信划分为以下四类:1. 运营商控制的终端中继:如图1所示，在覆盖范围比较差的区域，终端能够利用BS与中继终端进行数据传输，进而获得较高的QoS。运营商与中继终端进行通信，完全或部分控制会话的建立。 2.运营商控制的D2D直接通信(Direct D2D communication with operator controlled , DC-OC )：如图2所示，通信终端不需要BS转发就能够进行数据交换，但是仍需要运营商负责建立会话。 图1：运营商控制的终端 图2：运营商控制的D2D直接通信3. 终端控制的终端中继(Dir

8、ect relaying, with device controlled , DR-DC )：如图3所示，运营商不负责会话的建立，通信终端以分布式的方式利用中继进行通信。 4.终端控制的D2D直接通信(Direct D2D communication with device controlled , DC-DC )：如图4所示，通信终端不需要运营商就可以相互协商建立直接通信，但是必须避免对蜂窝网络中其他用户的干扰。 根据D2D通信工作的频段还可以将D2D通信划分为以下两类，如图5所示: (1)带内D2D:终端占用蜂窝频段进行D2D通信，这样有利于控制干扰。根据D2D通信和蜂窝通信是否同时占用同

9、一频段，带内D2D通信又可以分为Underlay和Overlay两种。在Underlay方式中，D2D通信和蜂窝通信享频段，两者复用蜂窝频段，可以提高该频段的利用率。在Overlay方式中，将蜂窝资源的一部分划分给D2D通信。 图3：终端控制的终端中继 图4：终端控制的D2D直接通信 (2)带外D2D:终端占用ISM非授权频段进行D2D通信，这样可以避免D2D链路和蜂窝链路间的干扰，但是D2D通信的QoS可能会受到非授权频段开放性特征带来的影响，并且还要求终端具有两种无线接口，从而增加终端硬件的复杂度。图5：D2D通信分类三、资源分配有效的资源分配是D2D通信中最关键的技术之一。终端可以通过D

10、2D链路进行通信，但是同时也会带来不必要的干扰：包括蜂窝用户和D2D用户间的干扰，D2D用户间的干扰。D2D终端发现阶段可以使用静态的分配策略，如果动态地分配频谱资源，终端必须一直保持开机状态，从而带来更高的能耗；通信阶段可以采用动态地分配策略，在时间和空间上高效地利用频谱资源。目前很多研究主要集中于模式选择、干扰管理和功率控制。1模式选择。D2D用户可以工作在四种模式：静默模式、复用模式、专用模式和蜂窝模式。(1)静默模式：当缺少频谱资源或是对附近蜂窝用户干扰太强，无法实现D2D通信时要求终端保持静默。(2 )复用模式：D2D用户与现有蜂窝网络共享相同频谱资源，在同一频段内可能会存在多个D2

11、D通信对，显然会大大增加消除干扰的复杂度。(3)专用模式：D2D用户占用专门的蜂窝频段，由于频谱资源相互正交，D2D用户不会对蜂窝用户造成干扰。(4)蜂窝模式：D2D用户通过BS进行通信，即采用传统的蜂窝通信。 合适的模式选择可以提高频谱利用率、消除干扰。在保证蜂窝用户和D2D用户QoS的前提下，采用模式选择最大化网络的吞叶量。结果表明，当蜂窝用户和D2D用户距离相近时，专用模式最佳；当蜂窝用户和D2D用户距离较远或D2D用户对距离较近时，复用模式最佳。2.干扰管理。通信系统的干扰问题是在实际部署前就必须考虑的，干扰会影响蜂窝网络的容量和有效性。在DR-OC中，由于BS参与通信，可以采用现有的

12、方法来解决干扰问题。BS可以对中继节点进行鉴权，合理分配中继节点的频谱资源。在DC-OC中，终端在BS的控制下建立D2D通信链路。运营商负责接入鉴权、资源分配和计费。在DR-DC和DC-DC中，没有BS或其他实体来控制D2D通信。这两种类型比前两种要复杂得多，必须采用分布式的方式来解决链接建立、干扰管理和资源分配等问题。3.功率控制。在两层次的蜂窝网络中，一般把蜂窝网络用户作为通信的主用户，D2D用户在工作时必须避免对蜂窝用户的影响，功率控制是最常见、最直接的方法之一。而BS的下行链路也必须考虑D2D用户的存在，选择合适的功率进行传输，激励满足条件的用户采用D2D方式进行通信，缓解蜂窝网络的负

13、荷。此外，功率控制还可以联合模式选择和干扰管理来优化网络的性能。四、D2D在下一代网络中的一些构想 随着科技的发展，智能终端设备的种类日趋繁多，如手机、平板、可穿戴设备、智能电表、车辆等，这些设备可支持的无线通信能力也越来越强，除了传统的蜂窝通信(2G、3G、4G)之外，还可以借助于Wi-Fi、bluetooth、LTE-D2D等技术实现终端设备间的直接通信。而将两者协同融合，可以衍生出更多新的应用场景，并提升用户体验，如快速D2D应用于ITS (Intelligent Transportation System，智能交通)的V2V/V2I(车车、车路)通信、多用户协作通信、数据共享网络、应用

14、于物联网终端的低成本D2D等等。 VDC(Vehicle Direct Communication，车直接通信)：未来车联网不仅包括车与网络之间的远程通信，还包括车车、车路、车人(V2V、V2I、V2P，统称V2X)的频繁交互的短程通信。可利用广域蜂窝网提供车-网通信的远程通信服务；通过D2D增强的VDC方案提供短时延、短距离、高可靠的V2X通信，从而提供全面的车联网通信解决方案，VDC方案通过D2D与蜂窝网络的紧耦合，实现中心调度与分布式通信的完美结合，以满足V2X通信的苛刻需求。 终端协作通信：未来通信系统中，不仅网络侧可以相互协作，终端之间也可以相互协作。通过临近终端之间的短距离技术连接

15、，终端之间可以协作互助，互相中转数据，这样就使得任一终端设备与基站间可有多条信道，当某一信道状况不好时，总可以选择其它更优的信道通信，从而进一步提升系统吞吐量，提高用户通信可靠性，带来更好的用户体验。 数据共享网络：在基站的控制/协助下，终端可自发组织建立起互相之间可直接进行数据传输的自组织网络，来进行数据业务的共享。通过终端间的直接数据转发，减轻网络侧负载，提升系统整体吞吐量。 低成本D2D：针对时延不敏感、成本敏感的物联网系统，可以采用分级接人的方式。这种系统中，物联网终端通过中继系统接入到蜂窝网络，通过物联网终端和中继终端之间的低成本D2D通信，降低物联网终端的成本，使得物联网更容易大规

16、模普及应用。 关键问题及解决思路: (1)VDC场景中，车车、车路、车人要频繁进行短距离广播通信，不断交互位置和速度等关键安全消息，以提升道路安全和交通效率。V2X安全消息对于时延和可靠性均有较高的要求，通常而言，安全消息的传播时延需要控制在100ms以下，可靠性方面需要确保较高的包递交率和包接收率。通过增强的D2D通信、基站统一协调和资源集中分配，可以减轻V2X消息在资源上的碰撞，进而提高消息传输的可靠性。另一方面，考虑到数据传输过程的时延要求，需要优化调度交互过程，减少终端与网络的交互复杂性。 (2）多用户协作通信场景中，终端在网络的控制下，进行配对、建立协作关系等控制面操作。在通信过程中

17、，任何一个终端对网络都是可管可控可清晰计费的。这需要在终端与网络的协议栈设计上，加人新的分流合并协议层，使得网络可以根据不同终端的信道质量，总是选择最佳信道，将数据传递给当时信道质量最佳的终端，该终端再根据数据归属，将数据转发给目的终端。 (3)数据共享网络场景中，在功率受限的前提下，终端间通信的传输距离较短，可利用网络编码的方法，通过合并多个链路的信息来提高等效信噪比。另外，考虑到终端可能一直处于移动中，与其它终端间的链路情况总是处于变动之中，一旦拓扑发生变化，终端需及时上报基站，在发生业务时，基站根据掌握的拓扑信息进行路径选择，以保证业务连续性。 (4)低成本D2D场景中，进行低成本、低功

18、耗的物联网终端和中继终端设计，通过低成本D2D连接模式，代替物联网终端直连蜂窝网络的模式，同时满足网络对物联网终端的可管可控可计费及安全需求，以满足物联网抄表、可穿戴等应用的普及推广。参考文献：1 张爱清，叶新荣，谢小娟，等 蜂窝网络下终端直通安全通信关键技术研究J 无线电通信技术，2015，41(3):06112 5G无线技术架构白皮书3 M. Grech. Metro Cells: A Cost Effective Option to Meeting Growing Capacity Demand, Alcatel Lucent, Bell Labs Business Modelling, Mar. 20124 http: //Release-125 K. Doppler et al. Device-to-Device Communications as an Underlay to LTE-Advanced Networ