無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用

1、重慶郵電大學(xué)工程碩士研究生堂下考試答卷2016學(xué)年第 二 學(xué)期考試科目 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用姓 名 年 級(jí) 專(zhuān) 業(yè) 2016年 6月28日d2d終端直通技術(shù)研究摘 要：d2d(device-to-device)通信是一種在蜂窩系統(tǒng)的控制下，允許終端用戶(hù)通過(guò)共享小區(qū)資源進(jìn)行直接通信的新技術(shù)，通過(guò)提高空間利用率從而提高頻譜利用率 ，在某些場(chǎng)景下使移動(dòng)通信變得更加直接和高效，緩解基站壓力，提高用戶(hù)體驗(yàn)。本文首先給出了d2d通信系統(tǒng)的基本概念、技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注干擾管理、模式選擇、資源分配和功率控制。最后對(duì)d2d通信技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提出了一些構(gòu)想。關(guān)鍵詞：d2d通信技術(shù)；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；資源分配；下一

2、代網(wǎng)絡(luò)一、d2d的概念及技術(shù)特點(diǎn)d2d（device-to-device）通信，也稱(chēng)為鄰近服務(wù)（proximity service，pro se），是由3gpp組織提出的一種點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它可以在蜂窩通信系統(tǒng)的控制下允許lte終端之間利用小區(qū)無(wú)線(xiàn)資源直接進(jìn)行通信，而不經(jīng)過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)。作為面向5g的關(guān)鍵候選技術(shù)，d2d技術(shù)能夠提升通信系統(tǒng)的頻譜效率，減輕系統(tǒng)負(fù)荷，在一定程度上解決無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問(wèn)題。同時(shí)，由于降低了通信距離，d2d技術(shù)還可以降低移動(dòng)終端發(fā)射功率，減少電池消耗，提高終端續(xù)航時(shí)間。lte-d2d有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。(1) 工作在許可頻段 基于lte技術(shù)的d2d工

3、作在許可頻段，作為lte通信技術(shù)的一種補(bǔ)充，它使用的是蜂窩系統(tǒng)的頻段，通過(guò)基站對(duì)無(wú)線(xiàn)資源的控制使得對(duì)小區(qū)其他用戶(hù)的干擾控制在可接受范圍，因此可以給用戶(hù)提供干擾可控的環(huán)境和較高質(zhì)量的通信服務(wù)。并且利用網(wǎng)絡(luò)中廣泛分布的用戶(hù)終端以及d2d通信鏈路短距離的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的有效利用，獲得資源空分復(fù)用增益。而藍(lán)牙、wi-fi direct、flash lin q等技術(shù)，工作在免許可頻段，存在嚴(yán)重干擾，通信qos無(wú)法得到保障。(2)網(wǎng)絡(luò)參與d2d通信流程 d2d通信和傳統(tǒng)蜂窩通信使用相同的無(wú)線(xiàn)資源，由網(wǎng)絡(luò)控制并優(yōu)化無(wú)線(xiàn)資源的使用，以獲得最優(yōu)qos。蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)d2d通信的控制程度有不同等級(jí)：一方面，蜂

4、窩網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)d2d設(shè)備的鄰近發(fā)現(xiàn)、連接建立和資源分配進(jìn)行全面控制；另一方面，蜂窩網(wǎng)絡(luò)也可以輔助d2d設(shè)備完成鄰近發(fā)現(xiàn)和連接建立，并提供認(rèn)證等功能，蜂窩網(wǎng)絡(luò)不干涉d2d連接的資源分配，并且d2d連接也可以采用其他非蜂窩的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如使用wi-fi等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。(3)應(yīng)急通信 當(dāng)極端的自然災(zāi)害如地震、臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)的蜂窩基站等基礎(chǔ)設(shè)施往往會(huì)受到損壞，甚至發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓，通信服務(wù)無(wú)法得到保障。d2d技術(shù)的引入有可能解決這個(gè)問(wèn)題，如通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，終端之間仍然能夠基于d2d連接建立無(wú)線(xiàn)通信，保證終端之間無(wú)線(xiàn)通信的暢通，為災(zāi)后救援提供保障。另外，受地形、建筑物遮擋等因素的影響，

5、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋往往會(huì)存在盲點(diǎn)。通過(guò)一跳或多跳d2d，位于覆蓋盲區(qū)的用戶(hù)可以連接到位于網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)的用戶(hù)終端，借助該終端連接到無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。3gpp sa1于2011年9月成立近距離服務(wù)研究項(xiàng)目（proximity service study item），把d2d的應(yīng)用場(chǎng)景分成公共安全和商業(yè)應(yīng)用兩大類(lèi)，并于2012年5月引入使用wi-fi進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方案。在3gpp ran工作組，高通公司一直在推動(dòng)立項(xiàng)，并將研究分成設(shè)備發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)通信兩個(gè)階段分步推進(jìn)。d2d技術(shù)能在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的框架下發(fā)現(xiàn)周?chē)邆湎嗤δ艿脑O(shè)備或用戶(hù)，提升電信運(yùn)營(yíng)商基于位置的業(yè)務(wù)能力，帶來(lái)潛在新商機(jī)，提供更好的用戶(hù)體驗(yàn)。但是，由于

6、面臨與其他nfc、wi-fi direct等傳統(tǒng)直連通信技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，商業(yè)模式有待進(jìn)一步明晰。另外，作為面向未來(lái)5g的關(guān)鍵候選技術(shù)，其在很多其他領(lǐng)域諸如室內(nèi)定位、車(chē)聯(lián)網(wǎng)（lte-based v2x）等也會(huì)有重要應(yīng)用。二、d2d通信的分類(lèi)假設(shè)兩層次的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中包含宏蜂窩層和終端層、宏蜂窩層是傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中基站( base station , bs )到終端的通信，終端層是d2d通信。如果某個(gè)終端通過(guò)bs連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就認(rèn)為該終端工作在宏蜂窩層。如果某個(gè)終端直接與另一終端相連接或者通過(guò)其他終端中繼后相連接，就認(rèn)為這些終端工作在終端層。為了實(shí)現(xiàn)終端層，運(yùn)營(yíng)商可以有不同級(jí)別的控制權(quán)。運(yùn)營(yíng)商可以完全或者

7、部分控制資源分配和中繼節(jié)點(diǎn)，或者不進(jìn)行任何控制。因此，可以將d2d通信劃分為以下四類(lèi):1. 運(yùn)營(yíng)商控制的終端中繼:如圖1所示，在覆蓋范圍比較差的區(qū)域，終端能夠利用bs與中繼終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而獲得較高的qos。運(yùn)營(yíng)商與中繼終端進(jìn)行通信，完全或部分控制會(huì)話(huà)的建立。 2.運(yùn)營(yíng)商控制的d2d直接通信(direct d2d communication with operator controlled , dc-oc )：如圖2所示，通信終端不需要bs轉(zhuǎn)發(fā)就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但是仍需要運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)建立會(huì)話(huà)。 圖1：運(yùn)營(yíng)商控制的終端 圖2：運(yùn)營(yíng)商控制的d2d直接通信3. 終端控制的終端中繼(direct

8、relaying, with device controlled , dr-dc )：如圖3所示，運(yùn)營(yíng)商不負(fù)責(zé)會(huì)話(huà)的建立，通信終端以分布式的方式利用中繼進(jìn)行通信。 4.終端控制的d2d直接通信(direct d2d communication with device controlled , dc-dc )：如圖4所示，通信終端不需要運(yùn)營(yíng)商就可以相互協(xié)商建立直接通信，但是必須避免對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中其他用戶(hù)的干擾。 根據(jù)d2d通信工作的頻段還可以將d2d通信劃分為以下兩類(lèi)，如圖5所示: (1)帶內(nèi)d2d:終端占用蜂窩頻段進(jìn)行d2d通信，這樣有利于控制干擾。根據(jù)d2d通信和蜂窩通信是否同時(shí)占用同一頻段，

9、帶內(nèi)d2d通信又可以分為underlay和overlay兩種。在underlay方式中，d2d通信和蜂窩通信享頻段，兩者復(fù)用蜂窩頻段，可以提高該頻段的利用率。在overlay方式中，將蜂窩資源的一部分劃分給d2d通信。 圖3：終端控制的終端中繼 圖4：終端控制的d2d直接通信 (2)帶外d2d:終端占用ism非授權(quán)頻段進(jìn)行d2d通信，這樣可以避免d2d鏈路和蜂窩鏈路間的干擾，但是d2d通信的qos可能會(huì)受到非授權(quán)頻段開(kāi)放性特征帶來(lái)的影響，并且還要求終端具有兩種無(wú)線(xiàn)接口，從而增加終端硬件的復(fù)雜度。圖5：d2d通信分類(lèi)三、資源分配有效的資源分配是d2d通信中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。終端可以通過(guò)d2d鏈路

10、進(jìn)行通信，但是同時(shí)也會(huì)帶來(lái)不必要的干擾：包括蜂窩用戶(hù)和d2d用戶(hù)間的干擾，d2d用戶(hù)間的干擾。d2d終端發(fā)現(xiàn)階段可以使用靜態(tài)的分配策略，如果動(dòng)態(tài)地分配頻譜資源，終端必須一直保持開(kāi)機(jī)狀態(tài)，從而帶來(lái)更高的能耗；通信階段可以采用動(dòng)態(tài)地分配策略，在時(shí)間和空間上高效地利用頻譜資源。目前很多研究主要集中于模式選擇、干擾管理和功率控制。1模式選擇。d2d用戶(hù)可以工作在四種模式：靜默模式、復(fù)用模式、專(zhuān)用模式和蜂窩模式。(1)靜默模式：當(dāng)缺少頻譜資源或是對(duì)附近蜂窩用戶(hù)干擾太強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)d2d通信時(shí)要求終端保持靜默。(2 )復(fù)用模式：d2d用戶(hù)與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享相同頻譜資源，在同一頻段內(nèi)可能會(huì)存在多個(gè)d2d通信對(duì)

11、，顯然會(huì)大大增加消除干擾的復(fù)雜度。(3)專(zhuān)用模式：d2d用戶(hù)占用專(zhuān)門(mén)的蜂窩頻段，由于頻譜資源相互正交，d2d用戶(hù)不會(huì)對(duì)蜂窩用戶(hù)造成干擾。(4)蜂窩模式：d2d用戶(hù)通過(guò)bs進(jìn)行通信，即采用傳統(tǒng)的蜂窩通信。 合適的模式選擇可以提高頻譜利用率、消除干擾。在保證蜂窩用戶(hù)和d2d用戶(hù)qos的前提下，采用模式選擇最大化網(wǎng)絡(luò)的吞葉量。結(jié)果表明，當(dāng)蜂窩用戶(hù)和d2d用戶(hù)距離相近時(shí)，專(zhuān)用模式最佳；當(dāng)蜂窩用戶(hù)和d2d用戶(hù)距離較遠(yuǎn)或d2d用戶(hù)對(duì)距離較近時(shí)，復(fù)用模式最佳。2.干擾管理。通信系統(tǒng)的干擾問(wèn)題是在實(shí)際部署前就必須考慮的，干擾會(huì)影響蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量和有效性。在dr-oc中，由于bs參與通信，可以采用現(xiàn)有的方法來(lái)解

12、決干擾問(wèn)題。bs可以對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鑒權(quán)，合理分配中繼節(jié)點(diǎn)的頻譜資源。在dc-oc中，終端在bs的控制下建立d2d通信鏈路。運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)接入鑒權(quán)、資源分配和計(jì)費(fèi)。在dr-dc和dc-dc中，沒(méi)有bs或其他實(shí)體來(lái)控制d2d通信。這兩種類(lèi)型比前兩種要復(fù)雜得多，必須采用分布式的方式來(lái)解決鏈接建立、干擾管理和資源分配等問(wèn)題。3.功率控制。在兩層次的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，一般把蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)作為通信的主用戶(hù)，d2d用戶(hù)在工作時(shí)必須避免對(duì)蜂窩用戶(hù)的影響，功率控制是最常見(jiàn)、最直接的方法之一。而bs的下行鏈路也必須考慮d2d用戶(hù)的存在，選擇合適的功率進(jìn)行傳輸，激勵(lì)滿(mǎn)足條件的用戶(hù)采用d2d方式進(jìn)行通信，緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。此外

13、，功率控制還可以聯(lián)合模式選擇和干擾管理來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。四、d2d在下一代網(wǎng)絡(luò)中的一些構(gòu)想 隨著科技的發(fā)展，智能終端設(shè)備的種類(lèi)日趨繁多，如手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備、智能電表、車(chē)輛等，這些設(shè)備可支持的無(wú)線(xiàn)通信能力也越來(lái)越強(qiáng)，除了傳統(tǒng)的蜂窩通信(2g、3g、4g)之外，還可以借助于wi-fi、bluetooth、lte-d2d等技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備間的直接通信。而將兩者協(xié)同融合，可以衍生出更多新的應(yīng)用場(chǎng)景，并提升用戶(hù)體驗(yàn)，如快速d2d應(yīng)用于its (intelligent transportation system，智能交通)的v2v/v2i(車(chē)車(chē)、車(chē)路)通信、多用戶(hù)協(xié)作通信、數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)

14、終端的低成本d2d等等。 vdc(vehicle direct communication，車(chē)直接通信)：未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)不僅包括車(chē)與網(wǎng)絡(luò)之間的遠(yuǎn)程通信，還包括車(chē)車(chē)、車(chē)路、車(chē)人(v2v、v2i、v2p，統(tǒng)稱(chēng)v2x)的頻繁交互的短程通信?？衫脧V域蜂窩網(wǎng)提供車(chē)-網(wǎng)通信的遠(yuǎn)程通信服務(wù)；通過(guò)d2d增強(qiáng)的vdc方案提供短時(shí)延、短距離、高可靠的v2x通信，從而提供全面的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信解決方案，vdc方案通過(guò)d2d與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的緊耦合，實(shí)現(xiàn)中心調(diào)度與分布式通信的完美結(jié)合，以滿(mǎn)足v2x通信的苛刻需求。 終端協(xié)作通信：未來(lái)通信系統(tǒng)中，不僅網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以相互協(xié)作，終端之間也可以相互協(xié)作。通過(guò)臨近終端之間的短距離技術(shù)連接，終端之

15、間可以協(xié)作互助，互相中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，這樣就使得任一終端設(shè)備與基站間可有多條信道，當(dāng)某一信道狀況不好時(shí)，總可以選擇其它更優(yōu)的信道通信，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量，提高用戶(hù)通信可靠性，帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗(yàn)。 數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)：在基站的控制/協(xié)助下，終端可自發(fā)組織建立起互相之間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡(luò)，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的共享。通過(guò)終端間的直接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減輕網(wǎng)絡(luò)側(cè)負(fù)載，提升系統(tǒng)整體吞吐量。 低成本d2d：針對(duì)時(shí)延不敏感、成本敏感的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以采用分級(jí)接人的方式。這種系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)中繼系統(tǒng)接入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)終端和中繼終端之間的低成本d2d通信，降低物聯(lián)網(wǎng)終端的成本，使得物聯(lián)網(wǎng)更容易大規(guī)模普及應(yīng)

16、用。 關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路: (1)vdc場(chǎng)景中，車(chē)車(chē)、車(chē)路、車(chē)人要頻繁進(jìn)行短距離廣播通信，不斷交互位置和速度等關(guān)鍵安全消息，以提升道路安全和交通效率。v2x安全消息對(duì)于時(shí)延和可靠性均有較高的要求，通常而言，安全消息的傳播時(shí)延需要控制在100ms以下，可靠性方面需要確保較高的包遞交率和包接收率。通過(guò)增強(qiáng)的d2d通信、基站統(tǒng)一協(xié)調(diào)和資源集中分配，可以減輕v2x消息在資源上的碰撞，進(jìn)而提高消息傳輸?shù)目煽啃浴Ａ硪环矫?，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的時(shí)延要求，需要優(yōu)化調(diào)度交互過(guò)程，減少終端與網(wǎng)絡(luò)的交互復(fù)雜性。 (2）多用戶(hù)協(xié)作通信場(chǎng)景中，終端在網(wǎng)絡(luò)的控制下，進(jìn)行配對(duì)、建立協(xié)作關(guān)系等控制面操作。在通信過(guò)程中，任何一

17、個(gè)終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)都是可管可控可清晰計(jì)費(fèi)的。這需要在終端與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧設(shè)計(jì)上，加人新的分流合并協(xié)議層，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同終端的信道質(zhì)量，總是選擇最佳信道，將數(shù)據(jù)傳遞給當(dāng)時(shí)信道質(zhì)量最佳的終端，該終端再根據(jù)數(shù)據(jù)歸屬，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端。 (3)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，在功率受限的前提下，終端間通信的傳輸距離較短，可利用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，通過(guò)合并多個(gè)鏈路的信息來(lái)提高等效信噪比。另外，考慮到終端可能一直處于移動(dòng)中，與其它終端間的鏈路情況總是處于變動(dòng)之中，一旦拓?fù)浒l(fā)生變化，終端需及時(shí)上報(bào)基站，在發(fā)生業(yè)務(wù)時(shí)，基站根據(jù)掌握的拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行路徑選擇，以保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。 (4)低成本d2d場(chǎng)景中，進(jìn)行低成本、低功耗的物聯(lián)

18、網(wǎng)終端和中繼終端設(shè)計(jì)，通過(guò)低成本d2d連接模式，代替物聯(lián)網(wǎng)終端直連蜂窩網(wǎng)絡(luò)的模式，同時(shí)滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端的可管可控可計(jì)費(fèi)及安全需求，以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)抄表、可穿戴等應(yīng)用的普及推廣。參考文獻(xiàn)：1 張愛(ài)清，葉新榮，謝小娟，等 蜂窩網(wǎng)絡(luò)下終端直通安全通信關(guān)鍵技術(shù)研究j 無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，2015，41(3):06112 5g無(wú)線(xiàn)技術(shù)架構(gòu)白皮書(shū)3 m. grech. metro cells: a cost effective option to meeting growing capacity demand, alcatel lucent, bell labs business modelling, mar. 20124 http: //release-125 k. doppler et al. device-to-device communications as an underlay to lte-advanced net