“云”消“霧”漲
——記3GPP的D2D成長之路

中國電信廣州研究院 | 朱紅梅

“云”消“霧”漲
——記3GPP的D2D成長之路

中國電信廣州研究院 | 朱紅梅

基于LTE技術的D2D工作在許可頻段是蜂窩通信的一部分，因此可以給用戶提供較高質量的通信業務，而藍牙、Wi-Fi等技術工作在免許可頻段，存在干擾嚴重、通信效率低、通信質量沒有保障等問題。

隨著移動互聯網的發展，和移動互聯網扯上邊的公司如沒有云端方案或者云計算中心，可就貽笑大方了。各大公司攻占的目標是入口，但是管控在云端，因此云計算成為近幾年的風尚。

眾所周知，移動通信的瓶頸在基站側。各大系統所謂的峰值速率，比如150Mbit/s、42Mbit/s、3.1Mbit/s都是實驗室的測試結果，甚至是單時隙下信息裸奔的速率，真實環境下根本不可能達到，那么LTE上馬后，真的沒有速率問題了嗎？用戶上網看視頻不會卡了嗎？其實卡不卡完全取決于用戶在什么時間，什么地點來上網，如果在高峰期CBD區域，肯定不行，所以有“云”又如何？

圖1 終端接入與云計算的聯系

云計算弊端漸顯

云計算伴隨服務器集群數量增多，用戶軟件和運算能力需求彈性增大，如何將閑置的計算資源進行有效的利用并轉化為一種服務資源的需求而出現。

云計算本身并沒有一個統一的解釋，各大企業研發搭建自己的云計算中心，小企業則使用第三方的中心。也正因如此，智能手機與云計算相輔相成，近幾年呈現爆炸式增長。但是無論如何理解，云計算有它獨有的特點：云計算強調的是資源的靈活分配和利用，從而對客戶形成一種資源服務，而這些資源的連接需要的是移動網作為媒介，用戶必須接入網絡，才有可能享受到云端的超級計算機級別的服務體驗。這就引出了“云”的弊端，它高高在上，隱藏在移動網的背后，要給用戶提供服務，用戶必須接入網絡，相應的服務信息要通過移動網絡來傳遞。

但是人們對“云”的依賴不斷增加，從早起到上班到睡覺，人們離不開手機，開車要導航，找飯館要看點評，吃飯要曬單，還有出差訂票，休閑看視頻，與朋友即時通信等等都跟“云”分不開，人們不斷地向云端索求或者上傳內容，使得用戶端與“云”端的道路越來越擁擠。

智能手機已經讓3G/4G網絡不夠快，更可怕的是數以億計的物聯網用戶同時接入網絡，大家需要從各種不同的設備上獲取數據。此時，運營商不僅要面對智能終端，更要應對物聯網設備接入的壓力。所以，在接入都成問題的情況下，何談網絡之上的云計算呢？

霧計算出現

以互聯網為代表的廠商，決不會讓“接入”阻礙“云”發展，便思考如何讓設備自身或“中間設備”（互聯網和設備的媒介）來存儲和處理“物聯網”生成的海量數據。因此誕生了D2D（Device to Device）的發展思路，

云計算最初只是個營銷術語，但現在已成為新技術的代名詞，相信隨著D2D的推廣，也需要類似的概念來吸引公眾眼球。霧計算由思科、IBM等公司提出，區別于網絡后端的云。霧計算是設備通過它周邊的設備而實現數據獲取、傳輸、共享等模式，使得用戶不用連接云即可通信。

拋開營銷術語，從技術出發，霧計算的出現實際源于以下幾個原因及場景:社交網絡的興起，朋友間近距離數據共享、本地廣告等應用的流行使得人們對了解附近感興趣的事物并與之通信的需求逐漸增加；在智能家居、安全監控等M2M應用中，網關和傳感器之間需要能夠令距離較近的設備之間進行高效通信的技術手段；在某些網絡覆蓋較差的地方，利用附近的手機終端進行協作中繼，保持與基站的通信也是一種基于位置的通信手段。藍牙、Wi-Fi Direct(通過組建小組，以一對一或一對多的拓撲形式來建立連接)以及基于LTE的D2D(Device to Device，LTE Direct)都允許設備在沒有網絡基礎設施的情況下進行直接通信。其中LTED2D是3GPP最新定義的基于LTE的設備間直接通信的技術。

3GPP D2D兩大應用場景

隨著生活水平的提升，標準組織將通信從商用應用提升到公共安全。當前3GPP SA1把LTE-D2D的應用場景分成了兩大類：公共安全和商業應用。

1.公共安全

公共安全主要是指發生緊急情況或地震等不可預知的災難，蜂窩網絡不能正常工作時，為保證用戶及時獲知信息，保證生命安全，允許終端間脫網通信。公共安全應用場景中待解決的問題有：需要支持多跳，技術復雜度較高；需要專用頻段，目前只有美國計劃把700MHz的一部分用作公共安全。

2.商業應用

商業應用場景可分為對等通信和中繼通信。

對等通信即通信雙方是信息交互是公平的、明確的。用戶向基站提出D2D通信的請求，基站接收到請求后將用戶的通信方式切換到D2D連接模式。對等通信主要包括以下三個應用場景。

1)本地廣播，應用D2D技術可以較準確定位目標用戶。如商場廣播打折信息、個人轉讓門票打折券等，德國電信已用D2D做此類應用。但是現有技術，如Femto/Relay/MBMS/Wi-Fi等也可實現類似的功能。

2)近距離通信/大量信息交互，如朋友間交換手機上的照片和視頻，距離很近的兩個人對戰游戲。再如一個巡回音樂會的視頻服務，觀眾可以通過無線D2D下載音樂會提供的材料，音樂會主辦方通過向系統小區申請D2D資源，可以將視頻信息立即傳輸給用戶。這類場景中使用D2D技術能夠節省蜂窩網絡資源。但是需要面對免費的Wi-Fi Direct等技術的競爭，當前，如樹熊網絡等Wi-Fi服務商已提供收費服務。

3)基于內容的業務，即人們希望知道自己周圍有哪些感興趣的事物，并對某些事物存在通信需求，如大眾點評網、社交網站等。應用D2D技術使運營商能夠提供基于環境感知的新業務，但是與目前基于位置信息的服務相比，優勢不夠顯著。

中繼通信不是針對用戶的服務，而且在覆蓋不足的情況下利用D2D來實現數據傳輸。應用場景主要包括以下兩個方面。

1)在安全監控、智能家居(如圖2所示)等以UE為網關的M2M通信中，感知層可以采用基于LTE的D2D技術，與家里相應設備進行信息交互，如拍照的相機要導出照片到PC上，感應到投影儀上等等，因為距離近，可直接用LTE D2D來解決。即節省了流量，也避免了運營商網絡的高負荷，也省去了額外搭建Wi-Fi的問題，當然今后隨著FTTH的發展，這類只能在沒有FTTH或者其他近距離通信的場景下使用了。

2)在弱覆蓋或者無覆蓋區域的UE中繼傳輸(如圖3所示)。即允許信號質量較差的UE通過附近信號強的UE與網絡進行通信，這樣能幫助運營商擴展覆蓋、提高容量，從而提升用戶體驗。但問題是如何保證數據安全，以及如何激勵用戶幫忙進行中繼數據傳輸，這是目前運營商正在考慮的問題。

LTE-D2D技術特點突出

1.工作在許可頻段

基于LTE技術的D2D工作在許可頻段，是蜂窩通信的一部分，因此可以給用戶提供較高質量的通信業務，而藍牙、Wi-Fi等技術工作在免許可頻段，存在干擾嚴重、通信效率低、通信質量沒有保障等問題。

2.網絡參與D2D通信流程

按照蜂窩網絡對D2D通信控制程度，又可把基于LTE D2D技術分為蜂窩網控制的D2D和蜂窩網輔助的D2D。

對于蜂窩網絡控制的LTE-D2D技術，蜂窩網絡對LTE-D2D的設備發現、連接建立和資源分配都進行控制，這需要蜂窩網絡增強資源調度、干擾管理等能力，因此會增加蜂窩網絡的復雜度。

對于蜂窩網絡輔助的LTE-D2D技術，蜂窩網絡輔助D2D的設備發現和連接建立，如提供認證等功能，蜂窩網絡不干涉D2D連接的資源分配，而D2D連接也可以采用其他無線接入技術進行數據傳輸，如在未授權頻段使用Wi-Fi進行數據傳輸。

3.終端具備同時雙向收發能力

D2D要求終端能在上下行的資源上同時具備發送和接收的能力，所以對于終端的能力和復雜度有一定的影響。對于FDD系統來說，接收D2D信息的UE必須具備在上行頻段上接收、解調信號的能力，終端的射頻和基帶都要升級；而對于TDD系統而言，接收D2D的UE必須具備在上行時隙上接收、解調信號的能力，終端的基帶要升級，但射頻不需要改動，硬件改動較小。因此，相對于FDD系統，D2D在TDD系統中的應用更有優勢。

3GPP D2D通信兩大關鍵問題

圖2 以UE為網關的M2M通信

圖3 UE協作中繼傳輸

1.資源復用

當eNodeB接收到請求信令的UE數目比eNB提供使用的資源塊RB總數少時，eNB需要采用資源復用分配，否則，eNB不需要采用資源復用分配。資源重復利用所帶來的干擾問題是D2D通信的關鍵問題之一。

當D2D通信復用上行鏈路資源時，系統中受D2D通信干擾的是基站，基站可調節D2D通信的發送功率以及復用的資源來控制干擾，可以將小區的功率控制信息應用到D2D通信的控制中來。此時D2D通信的發送功率需要減小到一個閥值以保證系統上行鏈路SINR 大于目標SINR。當D2D通信采用系統分配的專用資源時，或者請求數少于RB總數時，D2D用戶用最大功率發送，這樣，又沒有起到節省資源的效果。

D2D通信復用下行鏈路資源時，系統中受D2D通信干擾的是下行鏈路的用戶。而受干擾的下行用戶的位置決定于基站的短期調度。因此受D2D傳輸干擾的用戶可能是小區服務的任何用戶。當D2D鏈路建立后，基站控制D2D傳輸的發送功率來保證系統小區用戶的通信。合適的D2D發送功率控制可以通過長期觀察不同功率對系統小區用戶的影響來確定。在資源分配方面，基站可以將復用資源的小區用戶和D2D用戶在傳播空間上分開。如基站可分配室內的D2D用戶和室外小區用戶相同的系統資源。同時基站可以根據小區用戶的鏈路質量反饋來調節D2D通信，當用戶鏈路質量過度下降時，降低D2D通信的發送功率。

2.設備發現

這個問題的關鍵是單位時間內發現的設備如何達到最多，使得需要發現的用戶及時發現從而為他提供服務。那么有發現需求的終端要向eNB進行注冊，eNB統計小區內具有D2D功能的終端數目。另外，具有發現需求的終端設備要向eNB發送被發現的請求信令，eNB要根據接收到的請求信令的UE數目設定第一個發現周期的時頻資源。發現請求的信令因為位置信息的原因而有所差別，當D2D終端無法獲取自身位置信息，且不需要資源復用時，eNB在時域上和頻域上進行隨機分配，并保證所有的UE都被平均分配到每個RB上。

在需要采用資源復用分配的情況下，eNB根據UE發送的位置信息，采用資源復用分配原則進行分配，并保證所有的UE都被平均分配到每個RB上。并且，UE對上一周期內接收到其他UE發現信號的能量進行檢測，找到能量最低的一個或者多個發現信號，并將發送該發現信號的UE的ID上報給eNB。對于能夠獲得位置信息的UE，UE按照eNB的要求和自己的運行速度定期向eNB上報所在的位置信息。

在不需要采用資源復用分配的情況，eNB采用跳時方案進行時域和頻域的分配；在需要采用資源復用分配的情況，eNB根據UE每隔一段時間上報一次的位置信息，采用資源復用分配原則進行分配，并保證所有的UE都被平均分配到每個RB上。當第一個周期結束時，eNB會運行一個新的發現周期，UE上報自己的發現設備結果。eNB統計每個UE發現的概率，如果該概率大于eNB設定的發現概率，那么發現過程結束。否則，根據統計的UE發現設備的結果，設定新的發現周期的時頻資源，繼續選換執行設備的發現流程。

結束語

LTE的D2D通信在3GPP中又名Prose：Proximity Service，3GPP SA1在2011年9月即成立了研究項目，成為R11的內容之一。由于眾多互聯網廠商的參與，主導控制的高通公司不得不讓步，在2012年5月引入Wi-Fi進行數據通信的方案，2012年9月凍結完稿，SA2也已完成相關網絡架構工作。

同時，從互聯網廠商的角度看，D2D是他們力爭繞開運營商的一環，討論異常激烈。部分運營商從移動互聯網的發展著眼，從新應用的易推廣入手，也積極參與，那么LTE D2D何時應用，我們拭目以待。