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3GPP设备端到端接近服务的概述摘要端到端通信将被添加到3GPPRelease12中的LTE。原则上，利用附近的移动设备的直接通信可以提高频谱利用率、整体吞吐量和能源消耗，同时实现新的对等和基于位置的应用和服务。启用D2D的LTE设备也可以成为有竞争力的后备公共安全网络，当蜂窝网络不可用时，它必须起作用。引入D2D会带来许多以基地为中心的长期存在的细胞结构的挑战和风险。我们提供一个在3GPP中D2D标准化活动的概述，确定突出的技术挑战，借鉴初步的评估结论，并总结在D2D设计启用LTE蜂窝网络空中接口的“最佳实践”。简介最近，人们对直接支持设备（D2D）通信的兴趣高涨。这种新的兴趣是出于几个因素，包括主要是由社交网络应用引起的接近基础服务的普及。无线工程师们已经做出了努力，以满足这个社会的技术趋势：高通在移动通信系统中被称为“flashlinq无线传感器”是实施使接近感知装置间通信。此外，第三代合作伙伴计划（3GPP）的目标是在长期演进（LTE）D2D通信的可用性释放12使LTE成为用有竞争力的宽带通信技术的公共安全网络的的第一反应。由于遗留问题和预算约束，当前公共安全网络仍然主要基于项目252G过时的技术（P25）和陆地集群无线电（TETRA），而商业网络正在迅速迁移到LTE。这种演变的差距和增强服务的愿望导致了全球的尝试，以提升现有的公共安全网络。例如，美国已经决定在700MHz频段建立基于LTE的公共安全网络。相对于商业网络，公共安全网络有更严格的服务要求（例如，可靠性和安全性），也需要直接通信，特别是当蜂窝覆盖率不可用或不可用。这一重要的直接模式功能目前缺少LTE。从技术角度来看，开发自然接近交流设备可以提供性能好处多。首先，D2D用户设备（UE）可以享受更高的数据速率和低的端到端延迟由于短程直接通信。其次，它更多的是资源的有效近似UE设备直接与对方沟通不是通过进化的节点B路由（ENB）和可能的核心网络。特别是，相对于正常的下行链路/上行链路蜂窝通信，直接通信节省能源，提高无线电资源利用率。第三，从基础设施的路径切换到直接路径卸载蜂窝交通，缓解交通拥堵，从而给其他non-d2dUE以及。可以设想其他的好处，如范围延伸通过UEUE中继。图1给出了可能的D2D使用例图和潜在的好处。从经济角度来看，LTE用户应该创造新的商业机会，虽然它的商业应用是不是LTERelease12的焦点。例如，许多社交网络应用程序依赖于发现用户在接近的能力，但设备发现过程（例如，脸谱的地方）通常工作在非自主的方式。用户首先在启动应用程序的中央服务器上注册其位置信息；中心服务器则使用该应用程序将该注册地点信息分发给其他用户。如果设备发现可以自主地工作，无需人工位置注册，它将吸引服务提供商。其他的例子包括电子商务，私人信息只需要双方在本地共享，和大文件传输（例如，只在其他附近的朋友间分享视频片段）。到目前为止，3GPP邻近服务用例（散文），也被称为LTE的直接，已经在的规定，以及相应的结构改进是在的研究。此外，一个新的D2D研究项目协议在十二月2012无线接入网（RAN）全体会议上被通过。通过最新的3GPP会议上，D2D评价方法和渠道模式取得了初步进展，并且最近3GPP通过了LTERelease12，文章将重点放在公共安全网络，尤其是一对多的通信。在3GPP，系统架构（SA）工作组，负责研究散文的系统架构方面，而RUN工作组负责研究无线电方面。建筑方面包括建筑、服务和安全。无线电方面包括同步、发现和通信。3GPP的概述接近服务（ProSe）在本节中，我们提供了对3GPP散文的基础一个简短的教程，包括基本用例，方案，评价方法，和信道模型。这些方面为散文设计奠定了基础。基本功能和情景D2D通信是发现和支持3GPP散文的两大基本功能。研究的所有散文用例都依赖于它们。从终端设备的角度来看，D2D发现使得它使用LTE空中接口来识别其他终端设备在接近。该发现可大致分为两类：限制发现和打开后发现，在是否需要许可或不。D2D通信是通信终端设备之间的两接近使用LTE空中接口建立直接的联系没有路由通过eNB（S）和可能的核心网络。在这里，接近应该被理解在一个更广泛的意义上比只是物理距离。这也可能是确定的，例如，信道条件下，信号干扰噪声比（SINR），吞吐量，延迟，密度，和负载。在一般情况下，不可能是有限的，以散文的LTE的只。特别是，在unlicensed带可能被启用的散文与现有技术（例如，WiFi-direct）。为了便于评价，3GPP将在网络覆盖方面存在D2D方案。在覆盖的情况下，所有的终端设备被基站覆盖，而在不覆盖的情况下，终端设备可以覆盖的基站。部分覆盖的情况介于两者之间：一些终端设备被覆盖，而其余的终端设备都没有。D2D与AdHoc网络在深入设计D2D的分析之前，对比D2D和移动Adhoc网络（MANET）是有帮助的，这已被广泛研究和开发了广泛的约三年，非常有限的成功的原因部分记录在[10]。一个关键的区别是，用户通常可以依赖于网络基础设施的援助（例如，基站）控制功能，如同步，会话建立，资源分配，路由，和其他开销的消费功能，在MANET中是极其昂贵的。此外，D2D网络主要由地方，投机取巧，单跳通信，而多跳路由通常是在MANET中的需要，和长跳可能是不可避免的，它损害了网络的性能。在支持D2D的细胞，我们只允许与基站提供有效的后备的有益的直接通信。在公共安全方面，D2D必须即使没有ENB支持功能，所以它更像是一个网络。在这个服务覆盖模式只需要基本的，因此更像是一个对讲机全MANET，这可能需要视频流。此外，从覆盖公共安全UE设备往往聚集（在节点数，所以为最）的簇可以作为真正的的ENB。虽然比MANET简单，加入D2D功能LTE仍然带来了许多挑战和风险。蜂窝网络已经存在了几十年，网络运营商坚决抗拒夺走他们控制权的技术（主要来自eNB）。此外，所有现有的蜂窝技术包括LTE已经被设计出来并且为eNB终端优化。涉及UE–UE链接D2D的设计已经考虑到在广域网（WAN）的影响作为一个整体。评估方法和信道模型上述每个D2D研究涉及丰富的设计/研究课题和需要不同技术方案的比较。作为一个起点，达成一个共同的评价方法是必要的。3GPP在这方面已经取得了很大的进步。需要注意的是，在评估D2D的3GPP网络布局上有持续不断地争议。结果是产生了六种不同的布局。例如，选项1和4合并成一个远程射频头（RRH）或室内热区，而其余选项只考虑宏单元。合适的信道模型是产生在链路和系统仿真的D2D评价现实的结果重要。现有的非对称eNB–UE的信道模型不适合对对称的UE-UE信道建模。具体而言，以下几个因素使UE–UE链接的传播特性区别于那些eNB–UE链接。双重流动性——在eNB–UE链接中，只有终端设备是移动的，而基站是固定的。相比之下，两终端可以在UE–UE链接被移动，创建一个双移动的情况。这种双重流动性影响的时间相关性的阴影，以及快衰落（例如，越来越多的卜勒传播）。低天线高度——在基站天线高度可以从几米的范围内（Femto基站）到几十米（宏基站），而在UE的典型天线高度为1.5m。具有相同的链路长度，UE-UE的链路发生比eNB–UE连接更高的路径损耗。此外，由于两个终端的UE-UE链接都较低，他们看起来类似于散射环境近街，与eNB周围的散射环境不同。链接的相关性——据预计，D2DUE设备的密度较高；例如，为了评估D2D，假定3GPP的每个小区中有150个设备。因此，较小的设备间距是可以预期的，与eNB-UE链路比较，UE-UE链路的传输特性有较高的相关性，包括阴影，到达角（AOA）和离去角（AOD）传播，和传播延迟。由于上述UE–UE链路的独特特征，理想的方法是进行实际测量和制定适当的D2D信道模型。然而，这会大大减缓D2D研究项目[7]的进步，因此3GPP采用一般的思想是适应现有的信道模型D2D，总结在[8，表a.2.1.2]。具体而言，该路径损耗模型主要是从赢家+B1改编，国际电信无线通信标准（ITU-R）IMT，双条带模式。阴影是为独立同分布的对数正态；跟踪偏差取决于D2D方案。快衰落模型是改编自ITU-RIMT与修订的多普勒模型来包含D2D链路的双重流动性。设计方面D2D的ProSe是一种相对较新的研究项目，其设计主要是开放的。在本节中，我们提供了在3GPP中被讨论的设计方面的概述，并整理成四大主题：ProSe管理，同步，设备发现，和直接的沟通。技术选项的比较将贯穿本节，并在表1中总结。处理主要是从无线接入的角度看；更高层次的问题，如安全性，授权，隐私，和计费可能会在[6]中体现。ProSe管理控制方式（Adhoc与簇）——在LTE蜂窝网络中，控制平面只存在于用户终端和网络之间，也就是说，除了标准化和供应商的具体方面，该网络完全控制手机的操作。当D2DUE装置被覆盖时，ProSe应该在连续的网络管理和控制下。然而，全网络控制的D2DUE行为可能被过度设计。例如，允许混合自动重复请求（HARQ）操作被D2DUE设备直接处理可以减轻网络负担和减少反馈延迟。这些结果促使分裂网络和UE之间的控制功能的必要性，如图所示。具体的拆分需要详细的分析和研究。此外，D2D终端设备可能进入覆盖区域，其中网络失去控制能力。两种控制结构如图2所示：adhoc和簇基。在AdHoc网络拓扑，每个D2D终端设备控制自己的行为，和发射可以协调基于随机介质访问控制（MAC）协议的载波侦听多址接入（CSMA）。这种控制方式是简单的实现。然而，随机的协议是不一样有效的集中调度。同时，他们不适合现有的LTE架构；因此，LTE将需要重大重组。在基于簇的控制拓扑中，一个UE设备假定主机角色，担任一组UE设备的簇。簇头就像一个eNB可以帮助实现本地同步，无线资源管理，进度D2D传输，多用于在集群从UE设备。这种模式使覆盖ProSe的拓扑结构（至少从控制平面角度）类似于E-UTRAN，其中一个eNB提供在其细胞的终端设备，并具有优势，现有的许多E-UTRAN的功能可用于（可能适当调整）覆盖D2D。这可能减少3GPP标准化的努力。缺点是簇成为控制的瓶颈，并且它的电池耗尽。请注意，主从控制模式不受覆盖场景的限制。例如，一个授权覆盖UE设备可以承担主作用，控制了终端设备，在其覆盖范围。另外，它可以作为一个中继接收和发送控制信号从eNB来从覆盖终端设备，如图2所示。下行vs.上行——当公共安全终端设备通常有专用频谱，商业D2DUE设备与现有的蜂窝终端设备共享无线资源在成对的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）不成对的LTE网络。当D2D传输下行链路资源利用，发射D2DUE可以到附近的同信道的蜂窝用户设备接收下行交通事业高干扰。相反，当D2D传输利用上行链路资源，接收D2DUE经验强干扰附近的同频蜂窝用户设备发送上行流量。有如下几个理由，有利于使用上行链路资源。第一，上行资源通常是利用较少的资源比下行，因此D2D上行资源共享可以提高频谱利用率。其次，某些类型的传输，如控制，试点和同步信号在下行链路中始终存在。减小D2D在下行链路广域网性能的影响，如果不是不可行的设计是需要复杂的。第三，利用上行链路资源可以最大限度地减少蜂窝传输D2D干扰的干扰可以更好地处理基站，通常位于远离终端设备和更强大。最后但并非最不重要的，在FDDLTE，复用上行链路资源要求我们能够在上行接收，而重用下行资源需要UE能够在下行传输。除了监管的关注，后者是更复杂的硬件设计（由于更严格的传输射频要求）。资源管理——当UE设备在覆盖网络，负责无线资源管理。原则上，网络可以实现资源动态（即，基于当前的数据传输需求）或静态（即，资源预留一定周期性数据传输）。显然，动态分配利用无线资源更灵活地在控制开销的成本，而相反的是真实的静态分配。对于D2D发现，静态分配似乎是适当的。如果无线资源动态分配，终端设备需要不断活跃，导致高能耗。相反，静态分配，可能减少UE电池发现的影响。例如，一个框架结构可以标准化，50个上行子帧中的每一个5S是留给发现，仅百分之1的网络容量。