D2D通信技術的應用場景

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摘要：文章在分析d2d通信系統(tǒng)基本架構的基礎上，重點研究了如何建立D2D通信的會話流程，從而建立D2D通信接連；在簡要闡述D2D通信所涉及的關鍵技術的基礎上，對比分析了D2D通信的技術優(yōu)勢；對D2D通信在5G時代的典型基本應用場景進行了詳細分析，最后對D2D通信在未來5G時代所扮演的重要角色做了展望。

關鍵詞：LTE；D2D通信；技術優(yōu)勢；應用場景

近年來，隨著多媒體業(yè)務急劇暴增，移動通信技術高速發(fā)展，4G長期演進（LongTermEvolution，LTE）系統(tǒng)已全面鋪設完成，5G系統(tǒng)已然向我們揮手，未來移動通信技術將進一步快速發(fā)展。通信帶寬資源隨著用戶需求的增加越來越緊缺，可以利用的無線信道頻譜道資源，又存在無法滿足業(yè)務需求的問題。如何提高LTE系統(tǒng)吞吐量、最大化利用現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜資源必將成為未來移動通信技術的發(fā)展研究方向，設備到設備（Device-to-Device，D2D）通信技術正是為解決這一問題應運而生。

1系統(tǒng)架構

D2D技術即終端直連傳輸技術，又稱為鄰近服務（ProximityService），是指在LET網(wǎng)絡系統(tǒng)控制下，允許處在相近位置的終端用戶可以直接進行數(shù)據(jù)通信，而不需要通過基站進行中轉傳輸?shù)男滦图夹g[1]。按照蜂窩網(wǎng)絡覆蓋范圍區(qū)分，可以把D2D通信分成3種場景：（1）蜂窩網(wǎng)絡覆蓋下的D2D通信，LTE基站首先需要發(fā)現(xiàn)D2D通信設備，建立邏輯連接，然后控制D2D設備的資源分配，進行資源調度和干擾管理，用戶可以獲得高質量的通信。（2）部分蜂窩網(wǎng)絡覆蓋下的D2D通信，基站只需引導設備雙方建立連接，而不再進行資源調度，其網(wǎng)絡復雜度比第一類D2D通信有大幅降低。（3）完全沒有蜂窩網(wǎng)絡覆蓋下的D2D通信，用戶設備直接進行D2D通信，該場景對應于蜂窩網(wǎng)絡癱瘓的時候，用戶可以經(jīng)過多跳，相互通信或者接入網(wǎng)絡。

2會話建立

在LTE網(wǎng)絡中的D2D通信，用戶需滿足諸如距離、對主網(wǎng)絡的限制干擾等相應的條件才能建立D2D通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。具體會話建立過程：首先，LTE網(wǎng)絡需要通過設備發(fā)現(xiàn)機制識別出能夠進行D2D通信的用戶終端設備，目前主要有先驗機制和后驗機制兩種發(fā)現(xiàn)機制，分別對應LTE網(wǎng)絡控制下的D2D通信與LTE網(wǎng)絡輔助控制下的D2D通信[2-4]。對于LTE網(wǎng)絡控制下的D2D通信，終端A向移動管理節(jié)點（MobilityManagementEntity，MME）主動發(fā)起會話請求，MME接收并處理該請求，并分配一個專用IP地址給終端A；同時，MME檢測終端A、終端B是否在相同或相鄰小區(qū)，如果在相同或相鄰小區(qū)，則MME要求基站為這兩個D2D用戶終端設備建立承載?；痉謩e向終端A和終端B發(fā)送測量請求，檢測通信環(huán)境，并發(fā)回檢測結果報告?；靖鶕?jù)檢測結果判斷是否建立D2D連接，如果可以建立D2D通信鏈路，那么基站就會給終端A、終端B分配無線資源和設置相應的發(fā)送功率，從而建立D2D通信連接。LTE網(wǎng)絡輔助控制下的D2D通信，兩個終端通信時由網(wǎng)關處理每個發(fā)送包的IP頭，通過分析它們所在小區(qū)，便可判斷雙方是否在同一個小區(qū)或相鄰小區(qū)覆蓋范圍內，如果是，則就將其標識為可能的D2D通信，然后交給基站檢測能否進行D2D通信[2]。具體過程如下所示：（1）用戶終端A發(fā)起會話請求。（2）媒體網(wǎng)關檢測用戶IP數(shù)據(jù)包，判斷通信雙方是否在相同或相鄰小區(qū)覆蓋區(qū)域內。（3）媒體網(wǎng)關根據(jù)距離等標準，將該終端標記為可能的D2D通信。（4）基站向可能的D2D通信終端請求上傳信道測量報告，決定是否建立D2D連接。（5）如果兩個終端都具備D2D通信功能且其性能比蜂窩移動通信更好，基站則為其建立D2D承載。而對于兩個終端用戶都不在LTE網(wǎng)絡覆蓋范圍時，分兩種類型：（1）當兩個用戶終端距離較近時，則可直接利用D2D技術來進行通信。（2）兩個終端用戶距離較遠時，則必須尋找一個或多個用戶作為中繼終端，通過中繼節(jié)點，轉發(fā)兩個用戶終端的業(yè)務數(shù)據(jù)（通過兩段D2D通信實現(xiàn)）或者接入LTE網(wǎng)絡，在LTE基站的協(xié)助下，實現(xiàn)D2D通信[5-7]。

3技術優(yōu)勢

D2D通信的關鍵技術主要包括：實現(xiàn)鄰近D2D終端的檢測及識別的D2D發(fā)現(xiàn)技術、同步技術、無線資源管理、功率控制和干擾協(xié)調、通信模式切換等[8-9]。3.1頻譜利用率顯著提高通信鏈路和資源復用產生的增益都可以將無線頻譜資源的效率大大提高，網(wǎng)絡吞吐量得到顯著改善。在D2D通信模式下，兩個終端用戶之間的數(shù)據(jù)無需經(jīng)過移動通信網(wǎng)絡的中轉，直接進行傳輸，通信鏈路進而產生增益；另外，網(wǎng)絡存在資源復用增益，在D2D用戶、D2D與蜂窩間的資源都可以復用。3.2提升用戶體驗引入基于鄰近用戶感知的D2D技術，用戶體驗大大提升。隨著通信技術和服務的發(fā)展，小范圍的社交和商業(yè)活動、面向本地特定用戶的特定業(yè)務以及具有鄰近特性的用戶間近距離的數(shù)據(jù)共享，都成為當前及未來無線平臺效益來源中一個不可忽視的增長點。3.3擴展應用范圍移動通信網(wǎng)絡對通信設備要求較高，核心網(wǎng)或接入網(wǎng)設備的損壞都可能使得通信系統(tǒng)癱瘓。引入D2D通信，使得在蜂窩通信終端建立AdHoc網(wǎng)絡成為可能，終端可實現(xiàn)端到端的通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡，即使通信基礎設施出現(xiàn)故障或者存在網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)時，其應用場景得到進一步的擴展。

45GD2D通信主要應用場景

作為面向5G的關鍵候選技術，D2D通信固有的技術優(yōu)勢，受到廣泛關注。下面對D2D通信在未來5G時代的潛在應用場景作初步分析[10-11]。4.1本地業(yè)務4.1.1社交應用D2D通信技術最基本的應用場景就是基于鄰近特性的社交應用。通過D2D通信功能，可以進行如內容分享、互動游戲等鄰近用戶之間數(shù)據(jù)的傳輸，用戶通過D2D的發(fā)現(xiàn)功能尋找鄰近區(qū)域的感興趣用戶。4.1.2本地數(shù)據(jù)傳輸利用D2D的鄰近特性及數(shù)據(jù)直通特性實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)傳輸，在節(jié)省頻譜資源的同時擴展移動通信應用場景。如基于鄰近特性的本地廣告服務可向用戶推送商品打折促銷、影院新片預告等信息，通過精確定位目標用戶使得效益最大化。4.1.3蜂窩網(wǎng)絡流量卸載隨著高清視頻等大流量特性的多媒體業(yè)務日益增長，給網(wǎng)絡的核心層和頻譜資源帶來巨大挑戰(zhàn)。利用D2D通信的本地特性開展的本地多媒體業(yè)務，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡核心層及頻譜的資源。例如，運營商或內容提供商可以在熱點區(qū)域設置服務器，將當前熱門的媒體業(yè)務存儲在服務器中，服務器以D2D模式向有業(yè)務需求的用戶提供業(yè)務；用戶也可從鄰近的已獲得該媒體業(yè)務的用戶終端處獲得所需的媒體內容，從而緩解蜂窩網(wǎng)絡的下行傳輸壓力。另外，近距離用戶之間的蜂窩通信可切換到D2D通信模式以實現(xiàn)對蜂窩網(wǎng)絡流量的卸載。4.2應急通信D2D通信可以解決極端自然災害引起通信基礎設施損壞導致通信中斷而給救援帶來障礙的問題。在D2D通信模式下，兩個鄰近的移動終端之間仍然能夠建立無線通信，為災難救援提供保障。另外，在無線通信網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)，用戶通過一跳或多跳D2D通信可以連接到無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內的用戶終端，借助該用戶終端連接到無線通信網(wǎng)絡。4.3物聯(lián)網(wǎng)增強根據(jù)業(yè)界預測，在2020年時全球范圍內將會存在大約500億部蜂窩接入終端，而其中大部分將是具有物聯(lián)網(wǎng)特征的機器通信終端。如果D2D通信技術與物聯(lián)網(wǎng)結合，則有可能產生真正意義上的互聯(lián)互通無線通信網(wǎng)絡。車聯(lián)網(wǎng)中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信就是典型的物聯(lián)網(wǎng)增強的D2D通信應用場景?；诮K端直通的D2D由于在通信時延、鄰近發(fā)現(xiàn)等方面的特性，使得其應用于車聯(lián)網(wǎng)車輛安全領域具有先天優(yōu)勢。4.4其他場景LTE系統(tǒng)D2D應用場景還包括多用戶多輸入多輸出系統(tǒng)（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）增強、協(xié)作中繼、虛擬MIMO等。另外還可協(xié)助解決新的無線通信場景的問題及需求。如室內定位，基于傳統(tǒng)衛(wèi)星定位方式的室內終端將無法正常工作，通過預部署的已知位置信息的終端或者位于室外的普通已定位終端，基于D2D的室內定位可以準確確定待定位終端的位置，實現(xiàn)LTE網(wǎng)絡中對室內定位的支持。

5結語

本文對LTE網(wǎng)絡中D2D通信技術的基本原理和技術優(yōu)勢進行了研究分析，隨著多媒體業(yè)務需求的不斷多樣化，終端數(shù)量的日益增長，5G時代的到來，D2D技術將會扮演越來越重要的角色，為實現(xiàn)真正意義上廣泛互聯(lián)互通移動網(wǎng)絡的無線通信發(fā)展愿景提供重要支撐。

作者:徐操喜 楊小英 甘金海 魏鵬耀 單位:廣東交通職業(yè)技術學院信息學院