| 标题 | D2D通信技术及应用场景分析 |
| 范文 | 徐操喜 杨小英 甘金海 魏鹏耀 摘要：文章在分析D2D通信系统基本架构的基础上，重点研究了如何建立D2D通信的会话流程，从而建立D2D通信接连；在简要阐述D2D通信所涉及的关键技术的基础上，对比分析了D2D通信的技术优势；对D2D通信在5G时代的典型基本应用场景进行了详细分析，最后对D2D通信在未来5G时代所扮演的重要角色做了展望。 关键词：LTE； D2D通信；技术优势；应用场景 近年来，随着多媒体业务急剧暴增，移動通信技术高速发展，4G长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统已全面铺设完成，5G系统已然向我们挥手，未来移动通信技术将进一步快速发展。通信带宽资源随着用户需求的增加越来越紧缺，可以利用的无线信道频谱道资源，又存在无法满足业务需求的问题。如何提高LTE系统吞吐量、最大化利用现有系统频谱资源必将成为未来移动通信技术的发展研究方向，设备到设备（Device-to-Device，D2D）通信技术正是为解决这一问题应运而生。 1 系统架构 D2D技术即终端直连传输技术，又称为邻近服务（Proximity Service），是指在LET网络系统控制下，允许处在相近位置的终端用户可以直接进行数据通信，而不需要通过基站进行中转传输的新型技术[1]。 按照蜂窝网络覆盖范围区分，可以把D2D通信分成3种场景：（1）蜂窝网络覆盖下的D2D通信，LTE基站首先需要发现D2D通信设备，建立逻辑连接，然后控制D2D设备的资源分配，进行资源调度和干扰管理，用户可以获得高质量的通信。（2）部分蜂窝网络覆盖下的D2D通信，基站只需引导设备双方建立连接，而不再进行资源调度，其网络复杂度比第一类D2D通信有大幅降低。（3）完全没有蜂窝网络覆盖下的D2D通信，用户设备直接进行D2D通信，该场景对应于蜂窝网络瘫痪的时候，用户可以经过多跳，相互通信或者接入网络。 2 会话建立 在LTE网络中的D2D通信，用户需满足诸如距离、对主网络的限制干扰等相应的条件才能建立D2D通信链路实现数据传输。具体会话建立过程：首先，LTE网络需要通过设备发现机制识别出能够进行D2D通信的用户终端设备，目前主要有先验机制和后验机制两种发现机制，分别对应LTE网络控制下的D2D通信与LTE网络辅助控制下的D2D通信[2-4]。 对于LTE网络控制下的D2D通信，终端A向移动管理节点（Mobility Management Entity，MME）主动发起会话请求，MME接收并处理该请求，并分配一个专用IP地址给终端A；同时，MME检测终端A、终端B是否在相同或相邻小区，如果在相同或相邻小区，则MME要求基站为这两个D2D用户终端设备建立承载。基站分别向终端A和终端B发送测量请求，检测通信环境，并发回检测结果报告。基站根据检测结果判断是否建立D2D连接，如果可以建立D2D通信链路，那么基站就会给终端A、终端B分配无线资源和设置相应的发送功率，从而建立D2D通信连接。 LTE网络辅助控制下的D2D通信，两个终端通信时由网关处理每个发送包的IP头，通过分析它们所在小区，便可判断双方是否在同一个小区或相邻小区覆盖范围内，如果是，则就将其标识为可能的D2D通信，然后交给基站检测能否进行D2D通信[2]。具体过程如下所示：（1）用户终端A发起会话请求。（2）媒体网关检测用户IP数据包，判断通信双方是否在相同或相邻小区覆盖区域内。（3）媒体网关根据距离等标准，将该终端标记为可能的D2D通信。（4）基站向可能的D2D通信终端请求上传信道测量报告，决定是否建立D2D连接。（5）如果两个终端都具备D2D通信功能且其性能比蜂窝移动通信更好，基站则为其建立D2D承载。 而对于两个终端用户都不在LTE网络覆盖范围时，分两种类型：（1）当两个用户终端距离较近时，则可直接利用D2D技术来进行通信。（2）两个终端用户距离较远时，则必须寻找一个或多个用户作为中继终端，通过中继节点，转发两个用户终端的业务数据（通过两段D2D通信实现）或者接入LTE网络，在LTE基站的协助下，实现D2D通信[5-7]。 3 技术优势 D2D通信的关键技术主要包括：实现邻近D2D终端的检测及识别的D2D发现技术、同步技术、无线资源管理、功率控制和干扰协调、通信模式切换等[8-9]。 3.1 频谱利用率显著提高 通信链路和资源复用产生的增益都可以将无线频谱资源的效率大大提高，网络吞吐量得到显著改善。在D2D通信模式下，两个终端用户之间的数据无需经过移动通信网络的中转，直接进行传输，通信链路进而产生增益；另外，网络存在资源复用增益，在D2D用户、D2D与蜂窝间的资源都可以复用。 3.2 提升用户体验 引入基于邻近用户感知的D2D技术，用户体验大大提升。随着通信技术和服务的发展，小范围的社交和商业活动、面向本地特定用户的特定业务以及具有邻近特性的用户间近距离的数据共享，都成为当前及未来无线平台效益来源中一个不可忽视的增长点。 3.3 扩展应用范围 移动通信网络对通信设备要求较高，核心网或接入网设备的损坏都可能使得通信系统瘫痪。引入D2D通信，使得在蜂窝通信终端建立Ad Hoc网络成为可能，终端可实现端到端的通信甚至接入蜂窝网络，即使通信基础设施出现故障或者存在网络覆盖盲区时，其应用场景得到进一步的扩展。 4 5G D2D通信主要应用场景 作为面向5G的关键候选技术，D2D通信固有的技术优势，受到广泛关注。下面对D2D通信在未来5G时代的潜在应用场景作初步分析[10-11]。 4.1 本地业务 4.1.1社交应用 D2D通信技术最基本的应用场景就是基于邻近特性的社交应用。通过D2D通信功能，可以进行如内容分享、互动游戏等邻近用户之间数据的传输，用户通过D2D的发现功能寻找邻近区域的感兴趣用户。 4.1.2 本地数据传输 利用D2D的邻近特性及数据直通特性实现本地数据传输，在节省频谱资源的同时扩展移动通信应用场景。如基于邻近特性的本地广告服务可向用户推送商品打折促销、影院新片预告等信息，通过精确定位目标用户使得效益最大化。 4.1.3 蜂窝网络流量卸载 随着高清视频等大流量特性的多媒体业务日益增长，给网络的核心层和频谱资源带来巨大挑战。利用D2D通信的本地特性開展的本地多媒体业务，可以大大节省网络核心层及频谱的资源。例如，运营商或内容提供商可以在热点区域设置服务器，将当前热门的媒体业务存储在服务器中，服务器以D2D模式向有业务需求的用户提供业务；用户也可从邻近的已获得该媒体业务的用户终端处获得所需的媒体内容，从而缓解蜂窝网络的下行传输压力。另外，近距离用户之间的蜂窝通信可切换到D2D通信模式以实现对蜂窝网络流量的卸载。 4.2 应急通信 D2D通信可以解决极端自然灾害引起通信基础设施损坏导致通信中断而给救援带来障碍的问题。在D2D通信模式下，两个邻近的移动终端之间仍然能够建立无线通信，为灾难救援提供保障。另外，在无线通信网络覆盖盲区，用户通过一跳或多跳D2D通信可以连接到无线网络覆盖区域内的用户终端，借助该用户终端连接到无线通信网络。 4.3 物联网增强 根据业界预测，在2020年时全球范围内将会存在大约500亿部蜂窝接入终端，而其中大部分将是具有物联网特征的机器通信终端。如果D2D通信技术与物联网结合，则有可能产生真正意义上的互联互通无线通信网络。车联网中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信就是典型的物联网增强的D2D通信应用场景。基于终端直通的D2D由于在通信时延、邻近发现等方面的特性，使得其应用于车联网车辆安全领域具有先天优势。 4.4 其他场景 LTE系统D2D应用场景还包括多用户多输入多输出系统（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）增强、协作中继、虚拟MIMO等。另外还可协助解决新的无线通信场景的问题及需求。如室内定位，基于传统卫星定位方式的室内终端将无法正常工作，通过预部署的已知位置信息的终端或者位于室外的普通已定位终端，基于D2D的室内定位可以准确确定待定位终端的位置，实现LTE网络中对室内定位的支持。 5 结语 本文对LTE网络中D2D通信技术的基本原理和技术优势进行了研究分析，随着多媒体业务需求的不断多样化，终端数量的日益增长，5G时代的到来，D2D技术将会扮演越来越重要的角色，为实现真正意义上广泛互联互通移动网络的无线通信发展愿景提供重要支撑。 [参考文献] [1]卢科学，胡留军，吴栓栓，等.在LTE蜂窝通信系统中实现设备到设备通信[J].现代电信科技，2013（11）：22-27. [2]荣涛.D2D通信技术研究[D].南京：南京邮电大学，2013. [3]孙晓梅.LTE网络下D2D通信技术的研究[D].南京：南京邮电大学，2014. [4]DOPPLER K， RINNE M， CASSIO B.Device-to-Device communication as an underlay to LTE-Advanced networks[J].IEEECommunications Magazine， 2009（12）：42-49. [5]DOPPLER K， RINNE M.Device-to-Device communications：functional prospects for LTE-Advanced networks[C].Dresden：IEEEInternational Conference on Communications Workshops， 2009：1-6. [6]王钰，李翀.LTE系统下的D2D通信技术分析研究[J].中国高新技术企业，2016（10）：24-25. [7]李文倩.在网络中实现基于通信技术的近距离业务的研究[D].北京：北京邮电大学，2014. [8]李旭杰.LTE与D2D异构网络的应用场景分析[J].电子技术，2013（12）：87-88. [9]SHIN D K， CHOI W.Achievable Do F of an underlay two-user Gaussian interference channel in heterogeneous networks[J].IEEETransactions on Communications， 2013（1）：279-290. [10]YU C H.Resource sharing optimization for device-to-device communication underlaying cellular networks[J].IEEE Transactions onWireless Communications， 2011（8）：2752-2763. [11]MIN H.Reliability improvement using receive mode selection in the device-to-device uplink period underlaying cellular networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011（2）：413-418. |
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