D2D通信

D2D通信技术目录一、背景介绍二、认识D2D通信三、设备发现技术四、无线资源管理技术五、发展前景及应用第一部分背景介绍随着经济的增长，社会各行各业对无线通信的需求越来越高，各种各样的无线通讯设备大量涌现，无线频谱资源越来越紧张。目前，有两种主流方案应对上述的频谱危机：1.通过部署多个小型基站增加网络密度，提升系统容量。但是这种方法成本比较高，而且干扰管理比较复杂。2.实现有限频谱资源上的资源复用，有效提高频谱资源的利用效率。可受蜂窝通信系统控制的D2D通信技术，被给予了厚望。一、背景介绍4/38第二部分认识D2D通信D2D通信的概念D2D通信的比较D2D通信的分类D2D通信的区别D2D通信的应用场景二、认识D2D--概念D2D(Device-to-Device)通信是一种设备到设备的直接通信技术，与蜂窝通信最主要的区别就是不需要基站的中转。这种设备既可以是Human-to-Human通信中的手机电话或其他设备也可以是Machine-to-Machine通信中的机器设备。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站负担，减小通信时延，与蜂窝通信相比，D2D通信仅占用一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用D2D通信可减小传输功率，节约能耗。6/38假设一个通用的蜂窝网络，小区中央配有一个全向天线的基站。该网络利用OFDM技术，将频谱资源划分为一系列相互正交的子载波分配给不同的用户，利用正交资源的用户之间不会产生干扰。网络中用户分为2类:（1）传统蜂窝用户，它们之间通过基站通信，不允许用户之间直接通信;（2）D2D用户，彼此之间直接通信，也可进行蜂窝通信，并且能够实现2种通信模式的切换。二、认识D2D--比较如图所示，用户1和用户2以蜂窝模式通信，用户3和用户4以D2D模式通信。7/38二、认识D2D--分类D2D通信分为集中式控制和分布式控制。1.集中式控制由基站控制D2D连接，基站通过终端上报的测量信息，获得所有链路信息，但该类型会增加信令负荷;2.分布式控制则由D2D设备自主完成D2D链路的建立和维持，相比集中式控制，分布式控制更易获取D2D设备之间的链路信息，但会增加D2D设备的复杂度。图1集中式控制图2分布式控制8/38二、认识D2D--分类由于集中式控制既可以发挥D2D通信的优势，又便于对资源和干扰的管理与控制。所以对集中式控制D2D通信进行工作原理以及过程中产生的干扰进行介绍。工作原理：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。之后两个D2D通信的用户通过基站分配给的信道进行直接通信。9/38二、认识D2D--分类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。10/38二、认识D2D--分类干扰情况如下图所示，图中有两条通信链路，分别为UE与eNB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。11/38二、认识D2D--分类下面将对在复用不同资源下产生的干扰进行分析：（1）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。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。12/38二、认识D2D--分类（2）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。13/38二、认识D2D--分类系统基站在给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。14/38二、认识D2D--区别相对于其他同类技术如蓝牙、WLAN等，D2D通信具有很大的优势，D2D通信技术的最大区别是它使用电信运营商的授权频段，其干扰环境是可控的，数据传输具有更高的可靠性。此外，蓝牙在传递文件时需要人工配对，而在接入WLAN连接点时也需要用户配置，D2D通信可以自动连接；同时这些同类技术都工作在非授权频段上，相比工作在授权频段上的D2D通信连接不够稳定也不够可靠。此外，近距离的直接通信还可以有效减轻基站的负担、降低终端设备的发射功率、减小传输时延。15/38二、认识D2D--应用场景公共安全：此类应用主要是针对蜂窝网络无法有效覆盖的区域，如深山、地震受灾地区等，蜂窝网络允许终端脱离网络直接与附近的搜救人员联络。在地震救灾现场，基站可能会因为地震的破坏不能提供服务，此时就允许受困人员使用手机终端（UE1）使用D2D通信直接与救灾人员（UE2）联系，以得到及时救助。社交应用：目前，所有的移动终端都需要通过基站连接到网络，才能使用各种多媒体业务。但很多时候这些业务在使用时都有一定的地域性，比如在线网游、朋友聚会时分享照片或者公司会议中共享文件资料。直接使用D2D通信绕过基站就会减轻基站负载，避免拥塞，而且速度相对较快、时延小。16/38二、认识D2D--应用场景本地业务：本地业务主要是指一些本地广告业务通过D2D通信进行推广。诸如酒店或者商场类的服务提供商，会搜索附近的用户，对其提供相关的资讯服务。当用户靠近这些商家并同意接收相关信息时，即可接收信息服务，了解酒店基本情况或者商场的打折活动，以此提高广告效率。网络中继：当移动终端（UE1）信号不好时，可以先通过信号相对较好的终端（UE2）与基站取得联系，然后再与UE2进行通信。这样能够增加蜂窝网络的覆盖范围，提高系统容量。17/38三、设备发现技术18/38设备发现技术是D2D通信关键技术之一，主要用于D2D会话的建立，目前设备发现方案一般有两种：基于核心网的发现方案基于direct空口的发现方案。三、设备发现技术19/38基于核心网的发现方案：在SAE（SystemArchitectureEvolution，系统架构演进）架构中，能够知道终端全局IP地址的网元是ServingPDNGateway，其有能力监测到可能的D2D数据流，因为ServingPDNGateway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。三、设备发现技术20/38具体建立会话过程如下：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三、设备发现技术21/38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（RadioResourceManagement，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。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。三、设备发现技术22/38基于direct空口的发现方案：是通过间直接进行发现信号的发射和检测，来感知并识别相邻，这种方案可以降低甚至摆脱终端和网络对定位功能的依赖，并且可以判断无线层面的“可见”，即无线信号可达，而非地理意义上的临近。例如：用户可通过SIP协议自主发起D2D会话建立请求，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。第四部分无线资源管理技术资源分配功率控制模式选择四、无线资源管理技术--引入在LTE-FDD系统中D2D可以使用专用资源或复用蜂窝上/下行频段。因为蜂窝上行频段的利用率低于下行频段，所以多数方案关注使用蜂窝上行频段进行D2D通信。在蜂窝上行频段的系统间干扰示意图在图中，用户终端UE1是蜂窝户,UE2和UE3是D2D用户对，UE2通过链路向UE3传输数据，该D2D对链路使用了UE1所使用的物理资源块PRB。在蜂窝上行传输时，eNodeB受到所有D2D传输端的干扰，D2D的接收终端受到蜂窝用户UE1的干扰。D2D发射端UE2对基站的干扰，蜂窝UE1对D2D接收端UE3的干扰。24/38三、无线资源管理技术--关键由于D2D系统造成的系统间干扰，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。功率控制模块：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；资源调度模块：根据蜂窝资源使用情况，为D2D分配合适PRB；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。25/38四、无线资源管理技术--资源分配LTE系统的资源调度是一种快速的时频资源分配，eNodeB要在每1ms内对无线资源进行分配，图中给出了LTE系统时频资源示意图。这种方式使得D2D使用未分配的时频资源或者部分复用已经分配过的资源成为可能。在LTE系统中，时域无线资源的基本单位是TTI(传输时间间隔)，每个TTI值为1ms。每个TTI又由2个0.5ms的时隙组成，即一般配置下的14个OFDM符号。10个TTI组成一个LTE无线帧。在频域，整个带宽被分180khz的子信道，相当于12个连续的15khz的子载波。子信道的大小是固定的，不同的带宽对应的子信道的数目不同。在时频域，时域对应0.5ms，频域上对应1个子信道的单元称为RB(ResouceBlock）。26/38四、无线资源管理技术--功率控制当D2D对复用蜂窝用户的资源进行通信时，D2D链路和蜂窝链路将相互干扰。因此需要合适的功率控制，以避免或减小D2D通信用户和蜂窝用户对彼此带来的干扰，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为静态设置和动态设置。27/38四、无线资源管理技术--功率控制（1）静态设置在蜂窝网络中，上行功率控制的目的是减少接收信号的动态范围，例如减少远近效应的影响。假设小区内任意一个蜂窝用户在eNB处的目标信干噪比为,蜂窝用户的上行S