蜂窩網絡中的D2D通信技術應用探究

帥 燕，張 亮，趙淑婷，夏惠普

（重慶郵電大學，重慶 400065）

1 研究背景

隨著通信技術和物聯網技術的不斷發展，全球用戶的移動訪問普遍增加。人們對移動通信、媒介以及各種移動物聯網應用的需求也不斷增多，當前的頻譜資源已逐漸滿足不了無線通信需求。思科最新VIN預測表示，到2022年，全球將會有48億互聯網用戶，占人口總數的60%，全球網絡設備和聯接將達到285億，人均互聯網設備數和聯接數增加至3.6臺[1]。可見，有效利用已有帶寬和設備資源來解決帶寬供給與需求之間的沖突，提供高質量的通信服務，成為人們研究的重點方向。

在3GPP組織提出的LTE-A研究項目中，采用載波聚合技術可以利用IMT-Advanced提供的高達100 MHz的不連續帶寬來實現高速率傳輸和更大的系統容量，為利用D2D通信技術提高頻譜利用率提供了前提。D2D通信技術是一種基于蜂窩系統的近距離數據直接傳輸技術，能有效降低服務基站的負荷。目前，其已被列入新一代移動通信系統的發展框架中，成為第五代移動通信的關鍵技術之一，廣泛應用于本地業務、應急通信以及物聯網增強等不同場景[2]。

2 移動通信網絡中的D2D通信技術

2.1 D2D通信技術原理

D2D（Device-to-Device）通信是一種從設備到設備的直接通信方式。這種設備既可以是H2H通信中的手機電話等通信設備，也可以是M2M通信中的機器設備。D2D通信技術能通過復用蜂窩小區頻譜資源，提高頻譜資源利用率，在一定程度上緩解當前無線通信系統中頻譜資源缺乏的問題。

D2D通信控制方式可以分為集中式控制和分布式控制兩類。其中，集中式控制由基站控制D2D連接。基站通過終端上報的測量信息，獲得所有鏈路信息，既發揮D2D通信的優勢，又便于管理和控制資源，但會增加信令負荷。分布式控制由D2D設備自主完成D2D鏈路的建立和維持。此方式更容易獲取D2D設備之間的鏈路信息，但會增加D2D設備的復雜度。

傳統蜂窩用戶之間通過基站通信，而D2D用戶之間的通信方式可以在直接通信和蜂窩通信間進行切換。與傳統的蜂窩移動通信相比，D2D直接通信僅占用一半的頻譜資源，減少了基站轉發，縮短了傳輸時間，減小了傳輸損耗，可以為用戶提供有保證的服務質量。

在現有的通信系統中，設備之間的通信都是由無線通信運營商的基站進行控制，無法直接進行語音或數據通信。當前的通信模式下，在移動基站難以覆蓋和通信設施受損的地區，移動通信將難以實現，同時傳輸資源和無線頻譜消耗大。此外，完全以D2D通信模式進行替代雖然在一定程度上解決了傳統通信中的問題，但會導致大量已有設備資源的浪費和終端功能的復雜化。

2.2 D2D通信應用模型構想

針對現有通信方式和替換方案之間存在的問題，在此提出了一種新的D2D通信應用模型構想，即基于蜂窩通信基站的D2D網絡擴展，如圖1所示。在蜂窩網絡基站設施難以建造和覆蓋的地區以及網絡擁塞和設施損壞等導致網絡癱瘓等情況下，用戶終端自動使用D2D通信模式。在基站設施完好的區域內，若頻譜資源充足，則可以根據實際情況選擇蜂窩網絡或D2D通信模式，而在頻譜資源不足時自動切換到D2D通信模式。在此方案下，用戶既可以利用當前已有的蜂窩網絡基站設施和無線通信頻譜資源，又可以在蜂窩通信覆蓋盲區允許用戶通過多跳完成通信或接入網絡。

圖1 基于蜂窩通信基站的D2D網絡擴展

在網絡結構方面，此方案利用已有的網絡建構在無可用基站實現網絡接入的地區，提供了通過多跳實現數據傳輸或接入網絡的途徑，增強了網絡的可擴展性，實現了高效的傳輸通信。同時，在網絡緊急中斷的情況下，D2D通信可以作為現有通信網絡的增強，及時切換D2D模式繼續當前通信，可以降低損失，提高服務的穩定性和可移植性。在應用部署方面，已有基站和終端的使用為完成D2D網絡擴展提供了重要支撐，為實現全范圍網絡互連互通提供了可能性。特別是在近距離通信中，D2D通信比其他類似技術的使用操作更加便捷，服務更加穩定可靠且適用距離更廣，部署實施也更加容易實現。在成本方面，由于現有網絡設備的普遍使用和數目不斷增多，大部分地區的通信設施已經完成修建并正常使用。此方案的實施所需成本主要在用戶終端實現D2D通信的功能要求上，并不需要大量消耗其他資源，故成本較低。綜上所述，基于蜂窩通信基站的D2D網絡擴展模式具有眾多的優點和極大的可實現性，在將來的通信中定會發揮出強大的作用。

2.3 D2D技術與類似通信技術的比較分析

研究學者們在很早之前就意識到，在短距離通信中使用接入點或將基站作為中轉會增加網絡負擔、傳輸時延以及一些不必要的損耗，因而致力于研發出一些更加適合短距離通信的技術方案。正如房海龍分析表示，與當前廣泛應用的短距離通信技術如藍牙和Wi-Fi等類似技術相比較，D2D技術通信具有更大的優勢[3]。首先，D2D技術使用電信運營商的授權頻段，工作環境更加穩定且干擾可控，數據傳輸具有更高的可靠性，能夠帶給用戶更好的體驗感。而藍牙和Wi-Fi均工作在非授權頻段，相對而言連接不夠穩定。Wi-Fi技術容易對監聽產生影響，不能保證通信質量。其次，藍牙傳遞文件前和接入WLAN連接點時都需要用戶配對，而D2D通信可以自動連接，操作更加簡單，適用距離更廣。最后，D2D通信技術可以利用空閑的無線頻譜資源，也可以復用上行鏈路資源和下行鏈路資源，能夠有效提高頻譜資源利用率，緩解當前頻譜資源緊缺的難題。

2.4 D2D通信的技術需求

5G移動通信中D2D通信的實現需要依靠一系列的相關技術，包括如下方面。

2.4.1 設備發現

設備發現是指尋找需要建立連接的終端設備，實現D2D終端的檢測和識別。這是實現D2D通信的第一步。弓紫慧研究了D2D通信的設備發現技術，提出了基于信道相關的D2D設備發現方案和基于社交網絡的D2D設備發現方案，與傳統的設備發現技術相比耗能更低且準確度更高[4]。

2.4.2 會話建立

會話建立是D2D通信的第二步。只有建立起會話連接，通信雙方才能夠進行數據傳輸。當前提出的會話建立方法包括由網絡控制的D2D會話管理方案和用戶通過會話請求協議自主發起D2D通話建立請求的方案等[5,6]。

2.4.3 無線資源管理技術

D2D通信復用蜂窩上/下行頻段時可能會引起系統間干擾。此時可以通過有效的無線資源管理算法來降低復用資源帶來的影響，從而提高網絡吞吐量。無線資源管理算法主要包括功率控制、資源調度以及模式選擇3個模塊。范康康在移動蜂窩技術中D2D通信技術的資源分配算法研究中指出，合理的功率控制手段和有效的資源調度可以使D2D通信獲得更高的系統增益和資源利用率[7]。而針對D2D通信系統復用模式、專用資源模式以及中繼模式3種工作模式的選擇問題，徐同剛已經提出了基于系統容量最大化的D2D通信模式選擇算法，并驗證了其有效性[8]。

3 結 論

D2D通信通過終端設備直接通信，避免了蜂窩通信中用戶數據經過基站傳輸的時延和損耗，提供了穩定可靠的通信服務，并通過資源復用增益，提高了無線頻譜資源利用效率。因此，D2D通信技術的實用性和可靠性必將使其廣泛應用于未來通信系統。當基站設施無法覆蓋和網絡系統受損等情況下，基于蜂窩通信基站的D2D網絡擴展方式將作為高效的移動通信途徑，實現用戶的端到端通信，擴展無線通信的應用場景。對于已有資源的充分利用和功能擴展方面，此方案將以較小的代價實現了更高質量的通信傳輸，成為未來網絡中的重要組成部分，為全球社會多發面的發展提供了重要支撐。