D2D技术介绍
D2D技术介绍
参考链接：https://blog.csdn.net/u012159948/article/details/20059927
一、 D2D技术概述
D2D（Device-to-Device）通信是由3GPP组织提出的一种在通信系统的控制下，允许LTE终端之间在没有基础网络设施的情况下，利用小区资源直接进行通信的新技术。它能够提升通信系统的频谱效率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。与此同时，它还可以有效降低终端发射功率，减小电池消耗，延长手机续航时间。
在D2D技术产生之前，已有类似技术问世，如众所周知的蓝牙，传输速率更高的Wi-Fi Direct，传输距离更远的FlashLinq，与这些应用于非许可频段的同类技术相比，D2D具有干扰可控等优点。
文章对D2D技术产生背景及原理进行了介绍，阐述了它应用的必要性和应用场景、着重介绍了D2D的关键技术，最后与同类技术进行客观比较。
二、 D2D技术产生背景
随着无线通信系统的不断演进，移动通信系统的频谱资源已逐渐满足不了无线通信的发展需求。为减小带宽供给和带宽需求之间的差异，如何有效地利用已有带宽成为现阶段亟待解决的问题。
在3GPP提出的LTE-A研究项目中，需要在LTE的基础上提供新的技术来满足IMT-Advanced的要求，提供更高的数据速率和系统容量。IMT- Advanced将提供高达100MHz的带宽来实现高速率传输，但这些带宽并不是连续的，采用载波聚合技术可以同时利用几段非连续频谱达到提高传输速率的目的。这些不断演进的系统允许利用D2D通信来提高频谱利用率，此外，D2D还带来多方面的好处：提高通信速率、减低蜂窝小区基站的负载、减少电池消耗、提高无线网络的QoS、提高网络基础设施的鲁棒性、提供一定区域内点对点数据传输服务。
三、 D2D通信的原理
3.1 D2D通信模型
D2D技术可以应用于移动蜂窝网络，以提高资源利用率和网络容量。每一个D2D通信链路占用的资源与一个蜂窝通信链路占用的相等。D2D通信将在宏蜂窝基站的控制下获得通信所需的频率资源和传输功率。它与蜂窝网络共享无线资源的同时，也会带来一定的干扰。
D2D在蜂窝系统下的模型如图3-1所示，图中左侧两个小区的通信都是基站与用户之间的传统通信形式，右侧小区中存在用户之间的通信链路，就是我们所指的D2D通信，阴影部分表示可能存在的干扰较大区域。
图3-1 蜂窝系统下D2D通信模型
基站首先发现将进行D2D通信的设备，同时控制进行D2D通信的用户。基站控制着D2D通信使用的资源块以及D2D通信设备的发送功率，以保证D2D通信带给小区现有通信的干扰在可接受的范围内。当网络为密集LTE-A网络，并且有较高网络负载时，系统同样可以给D2D通信分配资源。但是基站无法获知小区内进行D2D通信用户间通信链路的信道信息，所以基站不能直接基于用户之间信道信息来进行资源调度。
D2D通信在蜂窝网络中将分享小区内的资源，因此，D2D用户将可能被分配到如下两种情况的信道资源：
1、与正在通信的蜂窝用户都相互正交的信道，即空闲资源；
2、与某一正在通信的蜂窝用户相同的信道，即复用资源。
若D2D通信用户分配到正交的信道资源时，它不会对原来的蜂窝网络中的通信造成干扰。若D2D通信与蜂窝用户共享信道资源时，D2D通信将会对蜂窝链路造成干扰。干扰情况如图3-2所示，图中有两条通信链路，分别为UE（User Equipment，用户设备）与eNB（Evolved Node B，演进型基站）之间的链路和两个UE间的链路，虚线表示的是干扰信号，由于D2D用户复用了小区的资源，所以产生了一定的同频干扰。
图3-2 D2D通信复用小区资源时的干扰情况
D2D通信复用上行链路资源时，系统中受D2D通信干扰的是基站，基站可调节D2D通信的发送功率以及复用的资源来控制干扰，可以将小区的功率控制信息应用到D2D通信的控制中来[1]。此时D2D通信的发送功率需要减小到一个阀值以保证系统上行链路SINR大于目标SINR，而当D2D通信采用系统分配的专用资源时，D2D用户可以用最大功率发送。
D2D通信复用下行链路资源时，系统中受D2D通信干扰的是下行链路的用户。而受干扰的下行用户的位置决定于基站的短期调度情况。因此受D2D传输干扰的用户可能是小区服务的任何用户。当D2D链路建立后，基站控制D2D传输的发送功率来保证系统小区用户的通信。合适的D2D发送功率控制可以通过长期观察不同功率对系统小区用户的影响来周期性确定。
在资源分配方面，基站可以将复用资源的小区用户和D2D用户在空间上分开。如基站可分配室内的D2D用户和室外的小区用户相同的系统资源。同时基站可以根据小区用户的链路质量反馈来调节D2D通信，当用户链路质量过度下降时降低D2D通信的发送功率，在链路质量尚可的情况下又能适当增加发送功率。
所以，在通信负载较小的网络中，可以为D2D通信分配剩余的正交的资源，这样显然可以取得更好的系统性能。但是，由于蜂窝网络中的资源有限，考虑到通信业务对频率带宽的要求越来越高，而采用非正交资源共享的方式可以使网络有更高的资源利用率。这也正是在蜂窝网络中应用D2D通信的主要目的。
系统基站在给D2D通信分配资源时，需要根据小区通信情况、现有信道状态以及小区用户的位置信息决定D2D通信是复用小区用户资源还是采用正交资源进行通信，复用小区用户资源时，需要考虑问题是复用上行资源还是下行资源，以及复用小区中哪个用户的资源。复用下行资源比复用上行资源更加复杂，因为前者受到干扰的是小区移动台，而小区移动台可能在小区的任何位置，干扰情况较难分析。考虑到复用离D2D用户较远的小区用户的频谱资源会带来较小的同频干扰，所以设计基于此原则的算法可能会带来较大的系统性能提升。
四、 D2D关键技术
在最近的3GPP会议中，各大公司仍然在对D2D技术进行深入探讨，所以该技术还不是很成熟。目前对D2D技术的研究主要包括：D2D设备发现机制，D2D会话发起与管理，D2D与蜂窝的切换，D2D与蜂窝网络的干扰协调等。
4.1 会话建立[2]
D2D的会话建立是D2D通信技术中的一项关键技术，文献[3]提出了一种由网络来进行会话管理的方案。在SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进）架构中，能够知道终端全局IP地址的网元是Serving PDN Gateway，其有能力监测到可能的D2D数据流，因为Serving PDN Gateway要处理每个数据的IP头和隧道标示，所以它知道每个UE在哪个eNodeB的控制下。当其发现某数据包的源端和目的端在同一个eNodeB范围内，或者相邻eNodeB范围内时，即认为他们是可能的D2D数据流，之后再进行UE间的信道测量，当信道质量足够好时，可在eNodeB控制下，建立D2D连接。
D2D 会话的建立包括以下步骤：
1) UE发起会话请求；
2) GW检测数据包的源端和目的端，发现源端UE和目的端UE在相同或邻近小区；
3) GW根据一定策略决定其是否可以建立 D2D 连接；
4) eNodeB请求两端UE测量信道质量，据此判断D2D连接是否可以建立；
5) 如果两UE都有D2D功能，则eNodeB通过控制信令建立D2D连接；
6) D2D链路建立成功后，eNodeB仍然负责蜂窝网络和D2D的资源分配；
7) 两端UE在D2D链路上使用对端的IP地址进行数据传输，不需要经过eNodeB
即使D2D连接成功的建立起来，eNodeB仍然负责蜂窝和D2D的资源分配，该UE可继续保持与Internet的连接。通过监听相距较近设备的IP数据流，来建立D2D连接，用户不需要特定的发起一个D2D会话请求，将由网络自动的在蜂窝连接和D2D连接中进行选择。
除了由网络管理D2D会话，用户也可通过SIP协议自主发起D2D会话建立请求[4]。会话发起方向SIP服务器发送INVITE消息。会话建立成功之后，UE即可与其他用户进行通信。
4.2 信道测量机制
D2D通信可以使用与蜂窝相同的资源，因此有必要设计合适的RRM（Radio Resource Management，无线资源管理）算法，来协调D2D与蜂窝系统以优化资源利用率。RRM算法需要依据准确完整的信道质量信息做出决策，但D2D系统的干扰环境复杂，因此需要设计一套适用于D2D系统的信道测量机制。文献[5]针对D2D通信提出一种集中式的干扰测量方法。由eNodeB发送控制信令，命令UE执行UE间的干扰或信道质量测量。然后eNodeB从UE接收测量信息，并根据这些测量信息决定哪些资源可以调度给D2D使用。
五、 D2D的无线资源管理
D2D通信有集中式控制和分布式控制两种，集中式控制完全由基站控制D2D连接，基站通过终端上报的测量信息，获得所有链路的信道质量信息，但该方案会增加信令负荷。分布式控制则由D2D设备自主地完成D2D连接的建立和维持。相比集中式控制，分布式控制更易获取D2D设备之间的链路质量信息，但是会增加D2D设备的复杂度。
当D2D连接复用小区资源时，会对使用相同资源块进行传统蜂窝通信的用户造成干扰，在上行传输时，eNodeB受到所有D2D传输端的干扰，由于D2D连接仍然被eNodeB控制，所以可以限制D2D传输端的最大传输功率来降低干扰。在下行传输时，使用某指定RB的UE，将由eNodeB的调度算法决定，所以在某时刻受到干扰的UE可能是所有蜂窝UE中的任何一个。这样的干扰是较难追踪和控制的。
由于D2D造成的系统间干扰，可以通过有效的无线资源管理算法来解决。其主要包括功率控制、资源调度和模式选择3个模块。功率控制负责设置合适的D2D发射功率或者同时设定蜂窝UE的发射功率；资源调度根据蜂窝资源使用情况，为D2D分配合适的eNodeB；模式选择模块根据功率控制和资源调度模块提供的信息，为D2D连接选择合适的D2D通信模式。通过以上机制能有效的减少D2D与蜂窝网络间的系统间干扰，最大化小区吞吐量。
5.1 功率控制
适当的功率控制，能够在D2D复用蜂窝资源时，有效的协调D2D与蜂窝网络间的干扰，使得在保证蜂窝网络的情况下，提高小区总吞吐量。目前D2D设备的传输功率可以分类成静态设置和动态设置。
（1）静态功率设置
早先方案都是在D2D会话发起时，确定其传输功率，并保持到会话结束。如在eNodeB无法获取即时的信道状态信息CSI时，可通过理论分析，推导出蜂窝链路和D2D链路的SINR分布函数来设置D2D的最大传输功率。考虑D2D复用蜂窝上行资源时，当D2D发射设备距离基站很近时，其传输功率就应该设置的足够低，以不影响蜂窝的性能。但过低的传输功率，只能在D2D设备相距很近时才能保证D2D通信。相反当D2D离基站较远时，可以增大D2D的发射功率，因其对蜂窝的干扰很小，故使用固定功率方案并不合适。
（2）动态功率设置
静态功率控制方案不能反映信道的实时变化，而动态功率控制方案能根据信道环境和用户位置的变化进行功率调整。D2D可以基于传统的开环部分功率补偿的闭环功率控制来设置D2D发射端功率，但该方案没有考虑D2D设备和相关蜂窝UE的位置信息。文献[6]提出了一种同时考虑蜂窝和D2D信道条件的动态功率控制方案，其结合预先定义的D2D覆盖范围的门限值，调整D2D的传输功率，使D2D在上行频段的干扰范围不包括基站，而在下行频段，使其干扰范围不包括与其共享资源的蜂窝UE。该方案能有效减少D2D
对蜂窝系统的影响。
5.2 资源分配
D2D的资源分配的目标是在不改变LTE自身调度的前提下，优化D2D的资源分配，提升小区吞吐量和频谱利用率。D2D调度的主要原则是，通过让相距较远D2D设备和蜂窝终端使用相同的资源块。
文献[7]提出一种D2D设备自身执行干扰测量，并智能的选择资源的方案。该方案可以减小上报测量报告的信令负荷，以及提高测量的准确度和实时性。其主要利用了在LTE系统中，蜂窝UE在下行控制信道接收到上行资源分配信息后，会在几个TTI之后才发送信息，D2D设备自身结合实时监测的干扰情况，在这段时间内完成D2D的资源分配。其具体方法是，基站向D2D设备广播所有蜂窝UE的无线网络临时标识RNTI，D2D设备通过各蜂窝UE的RNTI标识来解调其对应的上行无线资源管理RRM信息。然后结合实时的测量数据，选择复用对其干扰最小的蜂窝UE使用的资源，减小蜂窝网络对D2D的干扰。同时为了减小了D2D对蜂窝的干扰，eNodeB对每一个资源块，计算并更新一个可容忍的D2D干扰值，并广播告知所有的D2D设备。D2D设备收到该信息后选择合适的资源块进行通信。
5.3 模式选择
如前文所述，D2D通信模式可分为：使用蜂窝小区的剩余资源、复用蜂窝小区下行资源、复用蜂窝小区上行资源。
D2D模式选择策略不仅取决于D2D设备间和D2D设备与基站间的链路质量，还取决于具体的干扰环境和位置信息。如当D2D设备距离基站较远时，使用上行频段效果比下行频段好；当D2D设备距离基站较近时，使用下行频段比上行频段好。因此好的模式选择算法需要考虑多种因素，且对信道测量的要求更高。
文献[8]提出一种综合考虑D2D设备和蜂窝UE链路信息的模式选择方案，其主要步骤如下：
1) D2D两端相互发送探测信号，发射功率由基站设定，各D2D设备记录接收功率
2) D2D设备在蜂窝下行和上行频段，记录每个资源块上的接收的干扰
3) D2D设备将所有信道测量信息上报给基站，使其做出模式选择
4) 基站根据当前小区负载，计算各模式下所要分配的上/下行资源大小
5) 基站决定不同模式下D2D设备的传输功率
6) 根据所分配资源和功率，估算每种模式下的接收SINR
7) 根据SINR，以及每种传输模式的可用资源，估算吞吐量，最后选择吞吐量最高的模式
六、 D2D通信的特点
D2D通信具备其他类似技术所不具备的优势。首先，D2D是工作在许可频段的可靠服务，采用许可频段来很多好处，最重要的是可以提供干扰可控环境，为避免非许可频段的不确定性，运营商更愿意在许可频段向用户提供可靠、可控的本地服务。与蓝牙、Wi-Fi Direct等技术相比，蜂窝D2D通信能够为本地服务提供许可的频段，而通过基站控制使得对小区用户的干扰控制在可接受范围。
感知无线电技术能潜在的复用分配的频谱，因而受到专业人士的广泛关注。感知无线电能够利用主服务没有占用的空白频谱，将这种资源应用于如ad-hoc等本地服务中。然而感知空白频谱需要监测主服务系统的接收机，而这在广播系统中是比较困难做到的，并且当小区负载较大时，系统资源都分配给用户时很难感知到空白频谱。而D2D通信的实现比监测空白频谱简单很多，因为D2D通信是在小区基站控制下进行的，D2D通信的干扰能够通过系统网络控制。另外，3GPP组织提出了家庭基站，通过减小小区的服务范围增加频谱的空间复用，提高用户的通信速率，但家庭基站需要通过固定网络接入到核心网络，分配给家庭基站小区的资源也是固定和持续的。当D2D在小范围实现本地通信时，不用接入核心网络，不会增加核心网络的负载。
D2D对于终端的能力和复杂度有一定的要求。对于FDD系统来说，接收D2D信息的UE必须具备在上行频段上接收、解调信号的能力，终端的射频和基带都要升级；而对于TDD系统而言，接收D2D的UE只需具备在上行时隙上接收、解调信号的能力，只要升级终端的基带即可，射频则不需改动。因此，D2D在TD-LTE系统中更具优势。
D2D通信必将成为未来网络的一部分来满足未来通信的一些特殊要求，如在同一单位、企业和校园等场合中直接进行点对点通信或数据交换，必将相应地降低当地基站的负载并提升小区吞吐量。
参考文献
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