基于LTE-A的設備間直接通信(D2D)協議架構分析

石玉 魏勝利 柳海楠

摘要：設備間直接通信（D2D）使得設備之間可以直接傳輸數據而無須基站轉發，可有效降低網絡負荷，提升系統吞吐量，是5G移動通信系統的關鍵技術之一。相較于現有移動通信模式，5G通信系統將支持對等設備間直傳數據。該文針對LTE-A通信系統架構，分析了現有通信架構對D2D的通信的支持性，并較為深入的介紹了協議架構結構及功能。

關鍵詞：LTE-A;5G;設備間直接通信（D2D通信）;協議架構

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0034-02

1背景

未來十年里，物聯網中的互聯設備將超過50億臺，導致移動數據業務量的指數增長，預計超過1000倍。強大的市場需求的增長促使運營商尋找新的方式來規劃、部署以及管理網絡，以期改善覆蓋、提升網絡容量、降低運營維護成本。移動廠商期望在2020年部署下一代網絡，即“5G”，并為其規劃了技術路線。設備間直接通信（Device-to-Device Communication）被認為是實現上述目標的一種突破性具有成本效益的通信方式。其主要動機源于運營商可以借此卸載核心網的業務量以及通過局域化支撐社交網絡。LTE-A、高通和IEEE 802.15.4g等致力于解決許可頻段內的D2D通信標準。目前，社交網絡、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。同時，在智能家居、安全監控等M2M應用中，網關和傳感器之間需要一種能夠令距離較近的設備之間進行高效通信的技術手段。而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。

2基于LTE-A的設備間直接通信協議架構

2.1設備間直接通信（D2D）參考架構模型

LTE-A網絡是LTE通信系統的演進。LTE-A系統可以分為兩個子系統：接入子系統（E-UTRAN）和控制子系統（EPC）。現今采用扁平式架構方式，提升了系統的可擴展性和有效性。另外，控制子系統是一個全IP系統，支持服務流的高包數據速率和低時延嘲。現將協議模型進行分析。

圖1描述了設備間直接通信參考模型。現將參考模型主要模塊及功能介紹如下。

1）基站控制系統

基站控制系統根據ProSe特征和所起作用不同，包含三個子功能：

（1）提供參數。用來在設備間直接發現和直接通信過程中為用戶提供必要的參數。它為用戶提供具體的網絡信息以使得用戶可以在具體的網絡下使用D2D服務。對于公共安全直接通信，可以為不在網絡服務范圍內的用戶提供需要的參數信息。

（2）為直接發現過程提供命名管理。在開放性直接發現過程中，提供應用識別ID和應用識別碼，并完成二者間的映射關系。它用存儲在歸屬用戶服務器里的D2D相關的訂閱信息授權發現請求過程。

（3）提供基站控制的直接發現過程。可實現在歸屬用戶服務器里存儲或撤回與D2D有關的訂閱信息;為用戶通過PC3接口進行基站輔助的設備發現過程的授權和信息配置;系統內存儲著可以被授權使用基站輔助的設備發現過程的應用列表;作為提供位置信息的服務代理以保證基站輔助的設備發現。

2）支持直傳的用戶

支持設備間直接傳輸的用戶支持以下功能：

（1）通過PC3接口交換直傳用戶和近距離通信控制器間的控制信息。

（2）通過PC5接口機和其他具有直傳能力的用戶進行開放性發現過程。

3）用戶一網絡中繼

用戶一網絡中繼主要為沒有在網絡服務范圍內的遠端用戶提供單播服務支持。

用戶一網絡中繼建立了遠端用戶和網絡間的連接，可以中繼任何類型的符合公共安全的業務。遠端用戶通過PC5接口以無連接的方式與用戶一網絡中繼進行通信。

4）直傳應用服務器

直傳應用服務器用來存儲核心網級用戶ID和基站ID，可完成應用層級用戶ID和核心網級用戶ID間的映射。

5）移動管理實體

移動管理實體主要對用戶移動性進行管理，并從歸屬用戶服務器接收和直傳通信相關的訂閱信息。可完成授權認證功能，向接入網提示用戶已授權使用直傳通信功能。

2.2設備間直接通信（D2D）通信過程

假設用戶A與用戶B發起設備間直接通信過程，且每個用戶設備中搭載相應的設備間直接通信的應用。設備間直接通信的應用通過PCI平面向基站控制系統發送通信請求，基站控制服務器通過PC2平面向應用服務器請求授權，基站控制服務器與歸屬用戶服務器和位置服務器通信，獲得用戶的位置信息授權信息等。通過S1平面，與接入網通信，對用戶進行授權及資源分配。基站控制服務器實體通過PC3平面授權用戶進行直接發現過程。用戶通過PC5平面進行設備間直接通信的信令交互和數據交互。在通信過程中，接人網對D2D通信過程進行監管。經分析，設備間直接通信參考模型可很好的支持設備間直接和發現和直接通信。

3結束語

針對5G移動通信系統的關鍵技術設備間直接通信（D2D），本文基于LTE-A網絡從協議架構方面進行了分析，LTE-A協議架構可支持設備間發起直接發現和直接通信，可在現有通信網絡運營的基礎上，進一步提升網絡吞吐量。