D2D通信在5G中的應(yīng)用研究

郭旭靜 陳虎 范波勇

【摘要】? ? 設(shè)備間直接通信（D2D）使得設(shè)備之間可以直接傳輸數(shù)據(jù)而無須基站轉(zhuǎn)發(fā)，可有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，降低傳輸時延，提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率，擴(kuò)大蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高系統(tǒng)吞吐量。5G不再只是從2G到3G再到4G的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的提升，而是將“人與人”之間的通信擴(kuò)展到“人—網(wǎng)—物”3個維度的萬物互聯(lián)，打造全移動和全連接的數(shù)字化社會。本文主要研究探討D2D通信技術(shù)及其在5G中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵字】? ? D2D? ? 5G

一、D2D 通信技術(shù)

5G時代的到來使得各種移動通信設(shè)備大量涌現(xiàn)，不僅包括我們的移動手機(jī)終端，還有海量智能終端設(shè)備，移動通信承載的數(shù)據(jù)流量爆炸式增長和無線頻譜資源緊缺的矛盾日益突出，如何解決這種矛盾，提升用戶體驗質(zhì)量成了刻不容緩的任務(wù)。

近年來，無線技術(shù)方面的終端直通D2D（Device to Device）通信技術(shù)成為研究熱點，被給予了厚望。

在目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，信號都是通過基站來進(jìn)行上下行中轉(zhuǎn)的，包括控制信令和數(shù)據(jù)包。而D2D的終端直通技術(shù)，每個用戶都具有轉(zhuǎn)發(fā)消息的功能，如果同一基站下的兩個用戶相互通信，他們的用戶數(shù)據(jù)包將不再通過基站傳輸，而是直接從一個終端到另一個終端，但是與該數(shù)據(jù)包相關(guān)的控制信令，仍需基站負(fù)責(zé)。如圖1所示。

二、面向5G的D2D通信技術(shù)

相比于正常的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，D2D通信降低了基站和回傳網(wǎng)絡(luò)的壓力，提升了頻譜效率。基于未來移動通信技術(shù)的超高速率、超大帶寬、超大規(guī)模接入能力和超大數(shù)據(jù)處理能力， D2D通信技術(shù)將在5G移動通信的應(yīng)用中充分發(fā)揮自身的核心技術(shù)優(yōu)勢。

2.1? 組網(wǎng)策略

面向5G的D2D通信組網(wǎng)方案如圖2。

2.2? D2D 通信機(jī)制

（1）D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制

設(shè)備如何發(fā)現(xiàn)彼此并發(fā)起 D2D連接是D2D 通信的關(guān)鍵。

對于限制發(fā)現(xiàn)機(jī)制，未經(jīng)授權(quán)不允許檢測到UE，禁止用戶禁止與不熟悉的設(shè)備進(jìn)行通信，以確保 UE 的隱私與安全。而公開發(fā)現(xiàn)機(jī)制，當(dāng)前 UE可以檢測到和它相鄰的設(shè)備，并建立連接。在這種模式下，用戶隱私性較差，但連接復(fù)雜度較低。限制發(fā)現(xiàn)機(jī)制對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較好，選擇比較多的情況更適用，注重隱私性;公開發(fā)現(xiàn)機(jī)制對于救援與應(yīng)急通信比較適用，此時要確保連接。在設(shè)備發(fā)現(xiàn)方面，如何建立一個快速、低成本的滿足 QoS 需求的 D2D 設(shè)備發(fā)現(xiàn)和會話過程也是未來發(fā)展的需要。

（2）D2D 資源分配

傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)和D2D 通信模式并存，會引起 D2D 用戶與傳統(tǒng)小區(qū)用戶之間的干擾，因此，在5G智能終端大規(guī)模增加的情況下，如何充分合理分配無線資源，顯得尤為重要。

（3）D2D 緩存網(wǎng)絡(luò)

隨著通信數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長，特別是視頻流，為了滿足通信業(yè)務(wù)高速率低時延的數(shù)據(jù)傳輸需求，我們關(guān)注到了緩存技術(shù)。它將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)中的某些設(shè)備或者輔助節(jié)點進(jìn)行暫存，一旦有業(yè)務(wù)需求，這些設(shè)備或節(jié)點就可以快速響應(yīng)，立即調(diào)用存儲的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高速率低時延。如果，一個中型城市的一般城市區(qū)域，它的每個用戶的視頻業(yè)務(wù)需求都可以通過調(diào)用暫存在緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包得到滿足，那么，用戶就不需要占用到核心網(wǎng)的無線資源進(jìn)行回傳，這樣可以有效節(jié)約無線網(wǎng)絡(luò)資源，從而節(jié)約成本，使組網(wǎng)更加靈活。因此，在D2D 通信網(wǎng)絡(luò)中，緩存技術(shù)是實現(xiàn)5G高速、低時延、高吞吐量業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 存在問題

然而，D2D 技術(shù)在5G 通信網(wǎng)中應(yīng)用還存在一些問題：

（1）頻譜資源共享引成的干擾。雖然設(shè)備間直接通信，可以有效節(jié)約頻譜資源，從而使頻譜資源不足的問題得到一定程度的緩解，但是頻譜資源的共享會引起設(shè)備與設(shè)備間的干擾，嚴(yán)重的會對用戶的正常通信產(chǎn)生影響，從而影響用戶的通信使用體驗。

（2）通信高峰引成的通信問題。5G 網(wǎng)絡(luò)在傳輸速度、效率、時延和資源利用率等方面都有了很大的提高。我們都知道，由于5G所使用的頻率更高，因此，5G基站的覆蓋范圍相比4G會遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮小，那么為了確保用戶的服務(wù)質(zhì)量，保證無縫覆蓋，就需要建更多的站，甚至建設(shè)超密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。但是隨著海量智能終端接入網(wǎng)絡(luò)，加上通過D2D 設(shè)備連接入網(wǎng)絡(luò)時，很可能造成5G 網(wǎng)絡(luò)通信時延的大幅增加，影響用戶的實際使用。

（3）移動性是無線通信的基本特性，當(dāng)設(shè)備移動時，會不同程度地影響 D2D 鏈路的建立、蜂窩用戶的分流與干擾管理等;同時，某些設(shè)備或節(jié)點還會對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，因此設(shè)備移動時也會影響緩存數(shù)據(jù)的存儲和提取調(diào)用的時效性，增加時延;另外，設(shè)備移動時，如何在傳統(tǒng)通信模式和 D2D 通信模式之間進(jìn)行選擇與切換，如何對兩種模式下的無線資源進(jìn)行合理分配，如何合理對兩種模式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，充分發(fā)揮 D2D 通信優(yōu)勢，是我們需要研究的一個重要方向。

（4）D2D同步技術(shù)。一些特定的場景，如超覆蓋場景或多跳D2D網(wǎng)絡(luò)，將給系統(tǒng)的同步特性帶來很大的挑戰(zhàn)。

（5）無線資源管理。5G? D2D可以包括各種通信模式，例如廣播、多播、單播，以及多跳和中繼等應(yīng)用場景。因此，調(diào)度和無線資源管理將更加復(fù)雜。目前主要研究單小區(qū)、單跳 D2D 網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)網(wǎng)中卻有大量的無線設(shè)備，如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模從1擴(kuò)大到N時，技術(shù)難度可想而知。

（6）功率控制和干擾協(xié)調(diào)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的D2D技術(shù)會給蜂窩通信帶來額外的干擾。另外，在5G網(wǎng)絡(luò)D2D中，考慮到多跳、高頻通信的特點，功率控制和干擾協(xié)調(diào)的研究也非常重要。

三、展望

應(yīng)用在授權(quán)頻段的D2D技術(shù)是一種允許近鄰設(shè)備之間直接交換信息的技術(shù)，盡管D2D的引入會給現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)帶來干擾，但仍然可以通過合適的資源分配和干擾管理方案，降低通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓力，大大提升頻譜利用率和吞吐量，保證通信網(wǎng)絡(luò)能更為靈活、智能、高效地運行。D2D通信技術(shù)應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)中將會使得通信質(zhì)量有一定的提高，然而，伴隨著5G使用毫米波通信，信號傳輸?shù)穆窂綋p耗增加，繞過和穿透障礙物的能力減弱，致使通信距離大幅度縮短，無法滿足遠(yuǎn)距離D2D鏈路的服務(wù)質(zhì)量需求。因此，可借助當(dāng)前無通信業(yè)務(wù)的空閑用戶作為MR（Mobile Relay，移動中繼）來協(xié)助，并充分利用移動用戶的位置信息和信道增益來進(jìn)行資源分配，以此擴(kuò)展 D2D 通信范圍。因此，下一步我們將研究MR協(xié)助下，結(jié)合用戶的位置和信道增益，進(jìn)行資源分配，D2D通信在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，分析其關(guān)鍵參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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