《D20D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用》全套教學(xué)課件

D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

全套可編輯PPT課件1緒論1.1D2D技術(shù)概況1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)1.5本章小結(jié)1.1D2D技術(shù)概況D2D（devicetodevice）技術(shù)是指通信網(wǎng)絡(luò)中近鄰設(shè)備之間直接交換信息的技術(shù)。什么是D2D技術(shù)？為什么要引進(jìn)D2D技術(shù)？D2D通信鏈路建立后，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程無(wú)需核心設(shè)備或中間設(shè)備干預(yù)，可降低通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓力，提升頻譜利用率和吞吐量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，保證通信網(wǎng)絡(luò)能更為靈活、智能、高效地運(yùn)行。1.1D2D技術(shù)概況D2D通信通常對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是不透明的，它可以發(fā)生在蜂窩移動(dòng)通信頻段或未經(jīng)許可的頻段上。在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，即使通信雙方在基于鄰近性的D2D通信范圍內(nèi)，終端設(shè)備間都必須通過(guò)基站實(shí)現(xiàn)信息傳輸。{通信基站的通信適合傳統(tǒng)的低數(shù)據(jù)速率移動(dòng)服務(wù)如語(yǔ)音通話和短信當(dāng)今蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)用戶絕大多數(shù)需要高數(shù)據(jù)速率服務(wù)（如視頻共享、游戲、鄰近感知社交網(wǎng)絡(luò)）在這些服務(wù)中，D2D通信在頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和公平性等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)1.1D2D技術(shù)概況什么是蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信技術(shù)？隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，為了提高蜂窩通信系統(tǒng)的各方面性能指標(biāo)，工程技術(shù)人員和科研學(xué)者將蜂窩移動(dòng)通信與短距離設(shè)備間相互通信相結(jié)合，形成了現(xiàn)階段研究較為廣泛的蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信技術(shù)。為什么說(shuō)D2D通信是5G系統(tǒng)的重要組成部分？D2D通信在執(zhí)行過(guò)程中允許將本地流量與蜂窩網(wǎng)絡(luò)分離，通過(guò)此方式，它不僅可以消除數(shù)據(jù)傳輸和相關(guān)信令對(duì)回程和核心網(wǎng)絡(luò)造成的負(fù)載負(fù)擔(dān)，還可以減少在中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理流量所需的額外工作。1.1.1D2D通信的5G應(yīng)用場(chǎng)景1.1D2D技術(shù)概況場(chǎng)景1：本地?cái)?shù)據(jù)信息交互場(chǎng)景2：超密集網(wǎng)絡(luò)情形下的多用戶內(nèi)容分發(fā)及管理場(chǎng)景3：協(xié)作通信中的中繼選擇傳輸。場(chǎng)景4：蜂窩數(shù)據(jù)卸載緩存場(chǎng)景5：蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用擴(kuò)展1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)D2D通信帶外D2D通信(非許可頻段D2D通信)OverlayD2D-L模式UnderlayD2D-L模式ControlledD2D-U模式AutonomousD2D-U模式帶內(nèi)D2D通信(許可頻段D2D通信)1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)帶內(nèi)D2D通信：在D2D-L通信中，D2D用戶和蜂窩用戶（CellularUser，CU）共享許可頻譜，因此對(duì)蜂窩頻譜控制能力較強(qiáng)。系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）由基站控制和保障，其負(fù)責(zé)處理資源分配和干擾管理等問(wèn)題。帶外D2D通信：D2D-U通信發(fā)生在未經(jīng)許可的頻譜資源中（如ISM頻段），也稱為帶外D2D通信。使用未經(jīng)許可的頻譜可以緩解D2D通信鏈路和蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信鏈路之間的干擾，D2D-U與其他無(wú)線通信系統(tǒng)共享未經(jīng)許可的頻段。1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)OverlayD2D-L模式：D2D用戶被分配專用頻譜資源，可降低D2D通信傳輸過(guò)程中對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的干擾，但與此同時(shí)降低了蜂窩通信可利用的資源量。如何確定具有更大信息相關(guān)性的D2D用戶，并賦予其ProximityService的優(yōu)先級(jí)是OverlayD2D-L模式的研究重點(diǎn)。UnderlayD2D-L模式：D2D用戶和CU共享相同的頻譜資源，與OverlayD2D-L模式相比，其提高了頻譜利用效率。然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的復(fù)用，將產(chǎn)生D2D用戶對(duì)通信和CU之間通信的相互干擾問(wèn)題。UnderlayD2D-L模式下，D2D通信的有效干擾管理和資源分配是亟待解決的重中之重。1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)ControlledD2D-U模式：在ControlledD2D-U模式中，基站提供控制平面信令，設(shè)備進(jìn)行未授權(quán)頻譜中的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏?。通過(guò)基站管理信標(biāo)信道并幫助D2D用戶發(fā)現(xiàn)和接入，使通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，同時(shí)該模式下的基站輔助還可改進(jìn)資源管理和系統(tǒng)干擾等問(wèn)題。AutonomousD2D-U模式：基站不提供傳輸?shù)目刂破矫嫘帕?，信令控制由D2D-U網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供。在集群通信中，控制信令有時(shí)也通過(guò)集群簇頭節(jié)點(diǎn)提供。由于不需要基站的干預(yù)實(shí)現(xiàn)通信，AutonomousD2D-U模式可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信的低延遲。1.2.2D2D技術(shù)特點(diǎn)1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)010305020406增強(qiáng)增益收益提高頻譜效率保證能效優(yōu)化降低用戶時(shí)延控制干擾管理擴(kuò)展覆蓋范圍1.2.2D2D技術(shù)特點(diǎn)1.2D2D通信分類及技術(shù)特點(diǎn)雖然D2D通信具有上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但隨著爆炸式增長(zhǎng)的智能接入終端和數(shù)據(jù)與緊缺的頻譜資源矛盾日益顯現(xiàn)，D2D通信也帶來(lái)了一系列新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：用戶體驗(yàn)方面的挑戰(zhàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面的挑戰(zhàn)對(duì)等發(fā)現(xiàn)；資源分配；功率控制；干擾管理；緩存卸載安全性；同步性1.3.1D2D-U通信架構(gòu)1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)D2D-U用戶發(fā)起D2D通信時(shí)，無(wú)論何種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式，用戶端通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器提供的服務(wù)內(nèi)容開(kāi)始鏈接，并且該內(nèi)容鏈接與具有D2D功能的用戶終端關(guān)聯(lián)時(shí)，D2D通信可以執(zhí)行，該過(guò)程可以通過(guò)下圖所示的D2D-U通信架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)—Prose1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)3GPP組織定義的D2D-L標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議為L(zhǎng)TE終端直通近距離服務(wù)協(xié)議（ProSe），其架構(gòu)模型如圖所示。ProSe用于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)動(dòng)作的邏輯功能表述，為用戶設(shè)備提供PLMN特定的參數(shù)，同時(shí)其功能還包括生成和維護(hù)受限的ProSe用戶ID，并分配和處理用于直接發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用程序ID和應(yīng)用程序代碼的映射。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SIDELINK傳輸1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)蜂窩通信中，gNB或eNB通過(guò)上行鏈路（Uplink，UL）和下行鏈路（Downlink，DL）與UE進(jìn)行通信，包括信令和數(shù)據(jù)，這一概念在ProSe通信中通過(guò)引入Sidelink（SL）得到了擴(kuò)展，如圖所示：ProSe描述的是端到端的應(yīng)用，即設(shè)備與設(shè)備之間的通信；而SL描述的是信道結(jié)構(gòu)，即邏輯信道、傳輸信道和物理信道，它們被用于空中接口以實(shí)現(xiàn)ProSe應(yīng)用。ProSe和sidelink之間的區(qū)別是什么？1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SL通信1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)定義的SL邏輯信道用于通信，即SL流量信道（STCH）和SL廣播控制信道（SBCCH），如圖所示，藍(lán)色的是數(shù)據(jù)路徑，而控制信號(hào)的路徑則用紅色表示。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SL通信1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)STCH用于承載ProSe應(yīng)用用戶信息的數(shù)據(jù)傳輸，它是一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信道，反映了ProSe通信的組呼特性。SBCCH攜帶信令信息，用于覆蓋范圍外或部分覆蓋場(chǎng)景下的同步，或用于位于不同小區(qū)的UE之間的同步，其與SL廣播信道（SLBroadcastChannel，SL-BCH）連接，是一種具有預(yù)定義傳輸格式的傳輸信道，原因在于來(lái)自SBCCH的資源塊具有相同的大小。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-通信資源池1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)SL傳輸和接收的核心概念是資源池（ResoucePools，RP）。資源池是分配給SL操作的一組資源，它由子幀和其中的資源塊組成。圖示為用于SL通信的資源，在子幀位圖中指示子幀是否可用于SL。在經(jīng)過(guò)一個(gè)可配置的周期之后，即SL控制周期，整個(gè)模式重復(fù)將重復(fù)執(zhí)行。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-SL直接發(fā)現(xiàn)1.3D2D通信架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)UE和ProSe功能之間的控制平面信令D2D直接發(fā)現(xiàn)的協(xié)議棧發(fā)現(xiàn)類型：類型1：在非UE指定的基礎(chǔ)上分配用于發(fā)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)馁Y源。類型2：按UE指定基礎(chǔ)分配資源：A.為發(fā)現(xiàn)信號(hào)的每個(gè)特定傳輸實(shí)例分配資源；B.資源半持久分配用于發(fā)現(xiàn)信號(hào)傳輸。1.4.1D2D通信關(guān)鍵技術(shù)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)（1）資源分配：D2D資源分配是保證蜂窩用戶和D2D用戶通信以及D2D用戶之間通信公平、可靠和頻譜共享的關(guān)鍵因素。（2）中繼選擇：D2D中繼選擇可保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)通信系統(tǒng)性能和傳輸能力的提高。（3）緩存與卸載：D2D通信使用戶之間可以直接連接，而無(wú)需與回程通信進(jìn)行任何聯(lián)系。1.4.1D2D通信關(guān)鍵技術(shù)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)（4）功率控制：當(dāng)下D2D用戶的功率控制可分為靜態(tài)功率設(shè)置與動(dòng)態(tài)功率設(shè)置。（5）同步技術(shù)：D2D同步目前可分為基站覆蓋同步和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同步；從實(shí)現(xiàn)方法上看，D2D通信中有兩種主要的定時(shí)同步方法：集中式同步和分布式同步。（6）安全傳輸：由于數(shù)據(jù)跨通信網(wǎng)絡(luò)分布的性質(zhì)，D2D通信網(wǎng)絡(luò)安全引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在D2D網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，以使用戶信息能夠避免信息泄露十分必要。1.4.2D2D通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)D2D通信技術(shù)的主要性能指標(biāo)包括以下方面：（1）中斷概率：在通信中，當(dāng)鏈路容量不一定滿足所要求的用戶速率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷事件，該事件呈概率分布，所以中斷概率即為中斷事件發(fā)生的概率。（2）系統(tǒng)容量：指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，是衡量通信系統(tǒng)和終端設(shè)備通信能力的重要標(biāo)志，與通信線路的數(shù)量、工作效能和信息通過(guò)的時(shí)間等有關(guān)。（3）能量效率：通信中的能效定義為有效信息傳輸速率與信號(hào)發(fā)射功率的比值。（4）系統(tǒng)吞吐量：在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)吞吐量指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)成功傳遞消息包的數(shù)量，是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。（5）算法復(fù)雜度：指算法在編寫(xiě)成可執(zhí)行程序后，運(yùn)行時(shí)所需要的系統(tǒng)資源，包括時(shí)間資源和空間資源。1.5本章小結(jié)D2D通信作為5G及未來(lái)6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，可有效提升資源利用效率、豐富業(yè)務(wù)類型和降低核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。本章首先介紹了D2D通信的技術(shù)概況，并給出了D2D通信的5G應(yīng)用場(chǎng)景。隨后對(duì)D2D技術(shù)分類和技術(shù)特點(diǎn)兩個(gè)方面的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了闡述，并提出D2D通信面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)D2D-U背景下的通信架構(gòu)和D2D-L背景下的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了較為全面的介紹。最后，闡述了包括資源分配、中繼選擇、緩存與卸載、功率控制、同步技術(shù)和安全傳輸?shù)腄2D關(guān)鍵技術(shù)，并總結(jié)了D2D通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。思考題QUESTION:1.什么是D2D通信？2.面向蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D通信協(xié)議主要包括哪些？3.D2D通信的技術(shù)特點(diǎn)是什么？4.D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？5.簡(jiǎn)述可以衡量D2D通信系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2隨機(jī)信道模型2.4本章小結(jié)2.1概述

為驗(yàn)證、優(yōu)化和設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)，前期需要對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行建模。毫米波通信信道模型可分為確定性毫米波模型和隨機(jī)性毫米波模型。本章具體描述3GPP標(biāo)準(zhǔn)TR38.901推薦的隨機(jī)模型。5G通信系統(tǒng)的3GPP標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間表如下圖所示：2.2隨機(jī)信道模型

隨機(jī)信道模型包括大尺度衰落和小尺度衰落兩部分。什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？大尺度衰落--當(dāng)電磁波信號(hào)通過(guò)一段較長(zhǎng)的距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生大尺度衰落，一般是由信道的路徑損耗（關(guān)于距離和頻率的函數(shù)）和大的障礙物（如建筑物，中間地形和植被）所形成的陰影引起。小尺度衰落--當(dāng)電磁波信號(hào)在較小的范圍內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)觀察到其瞬時(shí)接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)的一種現(xiàn)象。2.2.1大尺度衰落模型2.2隨機(jī)信道模型對(duì)于大尺度衰落模型，用戶首先設(shè)置應(yīng)用場(chǎng)景、天線數(shù)量和速度參數(shù)，然后通過(guò)下圖流程獲得信道參數(shù)。2.2.1大尺度衰落模型

下面將從典型場(chǎng)景介紹不同的大尺度衰落模型（1）自由空間傳播模型用于預(yù)測(cè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間為完全無(wú)阻擋的視距路徑時(shí)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)。弗里斯（Friis）公式：

2.2.1大尺度衰落模型路徑損耗：有效發(fā)射功率與接收功率之間的差值。對(duì)于沒(méi)有任何系統(tǒng)損耗（L=1）的自由空間路徑損耗：當(dāng)包含天線增益時(shí)，路徑損耗：不包括天線增益時(shí)，假設(shè)天線具有單位增益路徑損耗：2.2.1大尺度衰落模型下面將從典型場(chǎng)景介紹不同的大尺度衰落模型。（2）對(duì)數(shù)距離路徑損耗與對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型距離功率斜率：實(shí)際的信道環(huán)境中，平均接收信號(hào)功率宇自由空間的路徑損耗同樣隨距離d呈對(duì)數(shù)方式衰減，引入路徑損耗指數(shù)α，可修正自由空間的路徑損耗模型。

2.2隨機(jī)信道模型環(huán)境自由空間2市區(qū)蜂窩無(wú)線傳播2.7-3.5存在陰影衰落的市區(qū)蜂窩無(wú)線傳播3-5建筑物內(nèi)的視距傳播1.6-1.8有建筑物阻擋4-62.2.1大尺度衰落模型（2）對(duì)數(shù)距離路徑損耗與對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型不同環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)：2.2隨機(jī)信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對(duì)數(shù)距離路徑損耗與對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型

為計(jì)算方便，通常對(duì)距離功率斜率進(jìn)行變換，以分貝的形式可表示為：

2.2隨機(jī)信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對(duì)數(shù)距離路徑損耗與對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型則上式為對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型。表示總路徑損耗等于第1米的路徑損耗加上相對(duì)于第1米的接收功率的損耗。通常用來(lái)表示D2D通信中距離與功率的關(guān)系。如果用dB定義1米的路徑損耗為則路徑損耗為

2.2.1大尺度衰落模型（2）對(duì)數(shù)距離路徑損耗與對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型陰影衰落（慢衰落）--因?yàn)槲恢貌煌鴮?dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。因?yàn)榻邮招盘?hào)受到建筑物等其他物體的阻礙而使得接收信號(hào)強(qiáng)度圍繞著平均值波動(dòng)。

2.2隨機(jī)信道模型2.2.1大尺度衰落模型（3）其他路徑損耗模型大蜂窩區(qū)的路徑損耗模型宏蜂窩區(qū)的路徑損耗模型微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型室內(nèi)微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型毫微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指無(wú)線電信號(hào)在短時(shí)間或短距離（若干波長(zhǎng)）傳播后其幅度、相位或多徑時(shí)延的快速變化。計(jì)算和生成小尺度參數(shù)和系數(shù)的過(guò)程：2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型對(duì)上式升序排序：簇功率：延遲：比例延遲為：2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型對(duì)所有簇功率進(jìn)行歸一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的數(shù)量對(duì)于LOS條件，向第一個(gè)簇中添加額外的鏡面分量，并且簇功率被標(biāo)準(zhǔn)化為：

2.2隨機(jī)信道模型2.2.2小尺度衰落模型

導(dǎo)致信號(hào)幅度快速波動(dòng)的兩種效應(yīng)：多徑衰落和多普勒效應(yīng)。（1）多徑衰落模型多徑衰落的常見(jiàn)分布是Rayleigh分布，其概率密度函數(shù)：（2）Rayleigh衰落信道的多普勒頻譜模型經(jīng)典多普勒頻譜：2.3D2D通信信道模型D2D通信鏈路信道的物理特征：（1）低天線高度（2）短距離通信（3）終端移動(dòng)性（4）通信頻率2.3D2D通信信道模型3GPP為了保證D2D研究的標(biāo)準(zhǔn)化，在第73次3GPPTSGRANWGI會(huì)議上，給出了D2D評(píng)估方法和信道模型標(biāo)準(zhǔn)如下：應(yīng)用場(chǎng)景室外-室外室外-室內(nèi)室內(nèi)-室內(nèi)路徑損耗WINNERⅡB1場(chǎng)景加上10dB偏移雙帶模型；WINNERB4場(chǎng)景加上10dB偏移雙帶模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi場(chǎng)景的視距概率陰影衰落8dB對(duì)數(shù)正態(tài)分布；假設(shè)為獨(dú)立同分布，即未進(jìn)行相關(guān)性建?？焖偎ヂ洳捎脤?duì)稱的角度（離開(kāi)角，到達(dá)角）擴(kuò)展分布；修正ITU-RUMi和InH場(chǎng)景模型以適應(yīng)收發(fā)端的雙移性2.3D2D通信信道模型

從信道建模的角度來(lái)看，不同的D2D通信類型將導(dǎo)致不同的通信應(yīng)用場(chǎng)景，從而可建立不同的D2D信道模型。D2D通信系統(tǒng)2.3D2D通信信道模型

常用的D2D信道模型主要會(huì)考慮大尺度路徑損耗和小尺度路徑損耗。

蜂窩小區(qū)內(nèi)子信道上發(fā)射端到接收端的瞬時(shí)信道增益可建模為：G為路徑損耗常數(shù)，h和β分別是具有對(duì)數(shù)正態(tài)陰影的大尺度衰落和具有指數(shù)分布的小尺度衰落增益。2.3D2D通信信道模型D2D通信信道建模例子:此例子定義的D2D場(chǎng)景分為兩類，即M2M（移動(dòng)對(duì)移動(dòng)）和F2M（固定對(duì)移動(dòng)），同時(shí)將收發(fā)端不等高的傳統(tǒng)F2M場(chǎng)景稱為CF2M（傳統(tǒng)固定對(duì)移動(dòng)）場(chǎng)景。（1）信道測(cè)試收發(fā)端均配置全向陣列天線（ODA）天線，測(cè)量系統(tǒng)主要參數(shù)如表所示：參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值中心頻率5.25GHzRx天線單元數(shù)18發(fā)射頻率+26dBmTx天線高度1.5m帶寬（空對(duì)空）200MHzRx天線高度1.5mTx天線單元數(shù)18極化類型交叉極化2.3D2D通信信道模型測(cè)試場(chǎng)景：樓道對(duì)樓道、樓道對(duì)房間和房間對(duì)房間三種，涵蓋LoS（視距）和NLoS（非視距）情形。對(duì)于每個(gè)場(chǎng)景，信道測(cè)量均涵蓋F2M、M2M同向運(yùn)動(dòng)以及M2M相向運(yùn)動(dòng)三種情形，共采集大約2500個(gè)快照的數(shù)據(jù)用于分析和信道參數(shù)提取。測(cè)量過(guò)程中，小車移動(dòng)時(shí)保持1m/s勻速行駛。收發(fā)端高度為1.5m。2.3D2D通信信道模型（2）D2D信道接受信號(hào)幅度分布

設(shè)x和y為相互獨(dú)立，且服從瑞利分布的隨機(jī)變量，則z=xy服從雙瑞利分布，其概率密度函數(shù)PDF如下所示：

2.3D2D通信信道模型考慮單次、二次和多次散射環(huán)境下的多徑傳播效應(yīng)，接收信號(hào)復(fù)振幅可表示為：

2.3D2D通信信道模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）不同于CF2M信道中LoS和NLoS接收信號(hào)幅度分別服從萊斯分布和瑞利分布的普遍結(jié)論。（2）室內(nèi)M2M信道的LoS和NLoS接收信號(hào)幅度分別更傾向于服從瑞利-萊斯混合分布和瑞利-雙瑞利混合分布。2.3D2D通信信道模型（3）D2D信道多普勒功率譜

2.3D2D通信信道模型

不失一般性，設(shè)=0。那么t時(shí)刻到t+時(shí)刻信道的自相關(guān)函數(shù)有：

式中α和β分別表示水平面和垂直面的AoA（到達(dá)角）和分別表示α和β的概率密度函數(shù)。

2.3D2D通信信道模型

2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對(duì)上式中的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換可得到對(duì)應(yīng)的功率譜密度函數(shù)：第一類零階貝塞爾函數(shù)假設(shè)CF2M場(chǎng)景下P在（0,2π]均勻分布，Rx端使用全向天線，則2D自相關(guān)函數(shù)由下式推導(dǎo)得出：2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對(duì)于上式中2DM2M信道自相關(guān)函數(shù)可擴(kuò)展為：

為求得3D多普勒功率譜表達(dá)式，聯(lián)合自相關(guān)函數(shù)的求解是必需的，故AoA和AoD的在水平面和垂直面的分布是必要的已知條件。2.4小節(jié)本章對(duì)最新的D2D通信信道研究進(jìn)行了較為全面的綜述，以促進(jìn)面向信道的D2D通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化?；仡櫤捅容^了若干典型的信道模型及其在D2D場(chǎng)景中應(yīng)用的可行性。討論了該研究領(lǐng)域未來(lái)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，證明了D2D信道建模是實(shí)現(xiàn)D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。2.4小節(jié)第二章思考題QUESTION:隨機(jī)信道模型包含哪兩部分？它們之間的區(qū)別是什么？視距傳播距離和天線高度有什么關(guān)系？D2D通信鏈路具備哪些特征？并展開(kāi)說(shuō)明。3D2D資源分配技術(shù)3.1概述3.3干擾管理3.2資源管理3.4資源分配3.5本章小結(jié)3.1概述D2D資源分配的優(yōu)點(diǎn)：靈活、泛在的可用性和低成本，直連通信。D2D資源分配的特點(diǎn)：1）是用戶之間共享資源，2）是用戶擁有專用的資源。

多數(shù)情況下蜂窩用戶具有專用的信道（頻譜）資源，而D2D用戶占用剩余的信道資源或復(fù)用蜂窩用戶占用的信道資源。3.1概述

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化功率控制算法需要考慮的重要參數(shù)是最大發(fā)射功率、每個(gè)資源塊的目標(biāo)接收功率、資源塊的數(shù)量和路徑損耗，對(duì)于未來(lái)的發(fā)展方向，需要有效的資源分配技術(shù)來(lái)滿足5G及未來(lái)6G的要求，以實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站最小的信令開(kāi)銷，獲得可接受的用戶數(shù)據(jù)速率，最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率等需求。3.2資源管理資源管理主要分為集中式和分布式資源管理。資源管理集中式分布式3.2.1集中式資源管理3.2資源管理

集中式資源分配由一個(gè)中心基站負(fù)責(zé)為各條鏈路分配資源，其優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行全局優(yōu)化，獲得最優(yōu)的性能。集中式資源分配可以進(jìn)一步分為集中控制和半集中控制，其中半集中式控制可以看作是集中式與分布式資源分配的結(jié)合機(jī)制。集中式資源分配半集中控制集中式分布式集中控制3.2.2分布式資源管理3.2資源管理在分布式資源管理中，每個(gè)D2D發(fā)射端所占用的資源由用戶自己決定。分布式資源管理如果實(shí)現(xiàn)用戶之間的信息交互，則可以更好地進(jìn)行資源的選擇，避免沖突。如圖3-1所示：圖3-1分布式資源分配3.2.2分布式資源管理3.2資源管理用戶A和用戶C在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)送探測(cè)信號(hào)給用戶B和用戶D。用戶B和用戶D進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量包括兩個(gè)方面測(cè)量有用信號(hào)的強(qiáng)度，測(cè)量干擾的強(qiáng)度，用戶B和用戶D將測(cè)量結(jié)果反饋給用戶A和用戶C，用戶A和用戶C基于反饋信息判決是否占用相應(yīng)的資源。判決需要考慮兩個(gè)因素其傳輸?shù)男盘?hào)受到的干擾強(qiáng)度其傳輸?shù)男盘?hào)對(duì)其他用戶產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度。圖3-1分布式資源分配3.3干擾管理在蜂窩小區(qū)中很難出現(xiàn)只存在單個(gè)用戶通信的情況，所以蜂窩小區(qū)中存在多用戶通信情況時(shí)，用戶間難免會(huì)出現(xiàn)干擾，尤其是在D2D通信場(chǎng)景中用戶間干擾情況將被放大，導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能下降。D2D用戶對(duì)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間相互干擾的影響情況3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點(diǎn)3.3干擾管理如果將網(wǎng)絡(luò)定義為D2D層和蜂窩層兩個(gè)分離的層結(jié)構(gòu)，那么根據(jù)干擾源和受干擾方的層次不同，干擾可劃分為兩種形式：是干擾源（如一個(gè)D2D用戶）和受干擾方（如一個(gè)蜂窩用戶）屬于不同網(wǎng)絡(luò)層的跨層干擾。是干擾源（如一個(gè)D2D用戶）和受干擾方（如一個(gè)位置鄰近的D2D擁護(hù)）屬于相同網(wǎng)絡(luò)層的同層干擾。3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點(diǎn)3.3干擾管理D2D復(fù)用蜂窩傳輸?shù)馁Y源上行鏈路（Uplink，UL）頻譜資源下行鏈路（Downlink，DL）頻譜資源3.3干擾管理3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點(diǎn)（a）（b）圖3-2上下行干擾場(chǎng)景分析（a）上行；（b）下行（1）復(fù)用UL資源的干擾特點(diǎn)：除了同層干擾外，跨層干擾可以分為UL蜂窩信號(hào)對(duì)DR的干擾和D2D傳輸對(duì)基站接收蜂窩信號(hào)的干擾兩個(gè)類型。（2）復(fù)用DL資源的干擾特點(diǎn)：除了同層干擾外，跨層干擾也可以分為DL蜂窩信號(hào)對(duì)D2D接收的干擾和D2D傳輸對(duì)蜂窩終端接收DL信號(hào)的干擾兩種類型。3.3干擾管理3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點(diǎn)3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點(diǎn)3.3干擾管理解決上述類型的干擾可從資源分配和功率控制兩個(gè)方面入手。此方法需要網(wǎng)絡(luò)能夠獲知CUE和DUE的空間分布情況，將通信質(zhì)量好的用戶調(diào)度到正交的資源上。此方法需要痛過(guò)限制用戶的傳輸功率來(lái)解決用戶間干擾問(wèn)題。資源分配：功率控制：3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理

D2D用戶體驗(yàn)經(jīng)常受到兩種干擾，即小區(qū)內(nèi)干擾和小區(qū)間干擾，期中小區(qū)內(nèi)干擾是主要的干擾形式。

干擾管理技術(shù)：干擾避免、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)。

3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理（1）干擾避免：干擾避免技術(shù)用于避免D2D鏈路和蜂窩鏈路之間的干擾，是通過(guò)資源的調(diào)度或者協(xié)調(diào)將相互強(qiáng)干擾的D2D鏈路和蜂窩鏈路配置到正交的資源上以避免干擾。如圖3-3所示，一個(gè)分區(qū)中的D2D干擾避免模型。圖3-3一個(gè)分區(qū)中的D2D干擾避免模型3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理（2）干擾消除：干擾消除技術(shù)使用先進(jìn)的解碼和編碼方案來(lái)消除DUE或CUE處的干擾信號(hào)。所使用的技術(shù)可以提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量。3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理圖3-5干擾圖（3）干擾協(xié)調(diào)：干擾協(xié)調(diào)技術(shù)用于緩解蜂窩鏈路和D2D鏈路之間的干擾，干擾協(xié)調(diào)方案在帶內(nèi)D2D通信中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。如圖3-5所示，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)用戶之間的干擾構(gòu)建干擾圖，為D2D用戶尋找可以復(fù)用的信道資源。3.3.3干擾管理面臨的挑戰(zhàn)3.3干擾管理網(wǎng)絡(luò)密集化在將來(lái)的通信中將是一種趨勢(shì)，其可有效增加5G和未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)容量，同時(shí)也會(huì)使用戶間的干擾更加復(fù)雜化。此外，由于設(shè)備量大和設(shè)備位置的隨機(jī)性質(zhì)，超密集網(wǎng)絡(luò)使資源分配更具挑戰(zhàn)性。用戶的頻繁移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備位置發(fā)生轉(zhuǎn)變，用戶所受到的干擾也會(huì)發(fā)生變化，因此必須開(kāi)發(fā)一種有效的資源分配和干擾管理方案，以滿足用戶QoS的強(qiáng)烈需求。3.4資源分配無(wú)線電資源是無(wú)線電通信系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)通信介質(zhì)的特殊性，無(wú)線移動(dòng)通信的各個(gè)參與方需要共享無(wú)線電資源。因此，無(wú)線電資源在各個(gè)參與方之間的分配機(jī)制，也就是無(wú)線電資源管理，是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。3.4.1信道分配方式3.4資源分配蜂窩鏈路和D2D通信之間的信道資源共享主要分為正交式共享和復(fù)用式共享，如圖3-6所示。圖3-6復(fù)用式與正交式資源共享3.4.1信道分配方式3.4資源分配（1）正交式共享：采用正交方式進(jìn)行無(wú)線電資源共享是指在無(wú)線電資源使用上以靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的方式對(duì)無(wú)線電資源進(jìn)行正交分割，使蜂窩通信和D2D通信分別使用相互正交的資源。（2）復(fù)用式共享：采用復(fù)用方式進(jìn)行無(wú)線電資源共享是指D2D通信以復(fù)用的方式對(duì)正在使用的蜂窩資源進(jìn)行復(fù)用，并將干擾限制在一定水平范圍內(nèi)。3.4.1信道分配方式3.4資源分配方式具體內(nèi)容一對(duì)一一個(gè)正交子信道只能同時(shí)被一個(gè)D2D用戶和一個(gè)蜂窩用戶共享多對(duì)一一個(gè)正交子信道允許同時(shí)被多個(gè)D2D用戶和一個(gè)蜂窩用戶共享一對(duì)多一個(gè)正交子信道只能同時(shí)被一個(gè)D2D用戶和一個(gè)蜂窩用戶共享，并且一個(gè)D2D用戶被允許同時(shí)復(fù)用多個(gè)正交的子信道多對(duì)多一個(gè)D2D用戶可以同時(shí)復(fù)用多個(gè)正交子信道，并且多個(gè)D2D用戶允許與一個(gè)蜂窩用戶共享同一個(gè)子信道3.4.2信道分配方案3.4資源分配

功率控制與信道分配方案認(rèn)知無(wú)線電（CognitiveRadio，CR）與資源分配方案3.5本章小結(jié)

本章對(duì)D2D資源分配中的資源管理特點(diǎn)及干擾管理進(jìn)行了綜述，并探討了相關(guān)研究問(wèn)題和進(jìn)一步研究的挑戰(zhàn)。干擾會(huì)導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D通信的性能嚴(yán)重下降，因此分析了D2D通信產(chǎn)生干擾的原因并討論了干擾管理策略的必要性，以有效消除干擾，保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的性能可靠性，提高D2D通信質(zhì)量。根據(jù)產(chǎn)生干擾的原因和干擾管理特點(diǎn)將干擾管理分為三種，在此基礎(chǔ)上，比較分析了現(xiàn)有的資源分配的解決方案和方法，最后，通過(guò)對(duì)典型方案進(jìn)行了例證說(shuō)明。思考題試述資源分配的目的。資源管理的特點(diǎn)有哪兩種？請(qǐng)分別作出表述？什么是同層干擾？什么是跨層干擾？試述干擾避免和干擾消除。D2D復(fù)用蜂窩傳輸?shù)馁Y源的場(chǎng)景是什么？D2D頻譜共享方法是什么？QUESTION:思考題7.請(qǐng)分別描述正交式和復(fù)用式共享。8.本書(shū)中D2D的信道復(fù)用方式有幾種？分別是如何描述的？9.請(qǐng)分別描述系統(tǒng)容量和能量效率定義。10.用香農(nóng)公式計(jì)算一下，假定信道帶寬為3100Hz，最大信息傳輸速率為35Kbit/s，那么若想使最大信息傳輸速率增加60%。問(wèn)信噪比S/N應(yīng)增大到多少倍，如果在剛才計(jì)算出的基礎(chǔ)上將信噪比再增大到10倍，問(wèn)最大信息速率能否再增加20%？11.信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則最大數(shù)據(jù)速率為多少？QUESTION:思考題12.若要在一條50KHz的信道上傳輸1.544Mbps的下載波，信噪比至少要多大？13.下列因素中，不會(huì)影響信道數(shù)據(jù)傳輸速率的是（）。A.信噪比B.頻率寬帶C.調(diào)制速率D.信好傳播速度14.已知信道帶寬為6.8KHz，試求：若要求該信道傳輸能傳輸9600b/s的數(shù)據(jù)，則接收端要求的最小信噪比為多少dB？QUESTION:4D2D中繼選擇技術(shù)4.1概述4.3中繼選擇策略4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.4中繼選擇中的功率控制4.5本章小節(jié)（1）

AF放大轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中繼節(jié)點(diǎn)直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)而不用進(jìn)行額外的處理，具有響應(yīng)速度快、設(shè)備復(fù)雜度低的特點(diǎn)（2）傳輸信道中的噪聲也被放大轉(zhuǎn)發(fā)4.1D2D通信的基本知識(shí)D2D通信是一種短距離通信技術(shù)，基站只需提供控制信令，用戶就能夠直接傳輸數(shù)據(jù)。如下圖所示，與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信相比，D2D通信不需要數(shù)據(jù)通過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而在保證D2D通信的前提下減輕基站通信負(fù)荷。什么是D2D通信？（a）傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信

（b）D2D通信（2）DF譯碼轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別（1）中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，直接重新編碼或者經(jīng)過(guò)校驗(yàn)確認(rèn)無(wú)誤后（可選）再重新編碼，轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)（2）該協(xié)議最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)傳遞噪聲，從而保證了傳輸?shù)目裳永m(xù)性和正確性。（3）缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜度高、處理速度慢，從而導(dǎo)致一定的傳輸延遲。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）兩跳單中繼模型4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

源端與目的端相距較遠(yuǎn)，直接通信無(wú)法滿足要求時(shí)，通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以擴(kuò)大通信范圍，

通過(guò)增設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋面積，提升小區(qū)邊緣用戶的體驗(yàn)。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與兩跳協(xié)作中繼模型的不同之處在于存在直達(dá)路徑。若系統(tǒng)中增加一個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，在源端發(fā)送信號(hào)給目的端時(shí)，中繼也接收信號(hào)，然后中繼再轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，這樣目的端將收到信息的兩個(gè)副本，通過(guò)合并技術(shù)將它們?nèi)诤?，可以有效提高分集增益。?）協(xié)作兩跳單中繼模型

4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3）協(xié)作兩跳并行中繼模型將協(xié)作兩跳單中繼模型可以如下圖所示的多中繼情形。此時(shí)，可以把中繼當(dāng)做源端的虛擬多天線，并考慮發(fā)射分集，以提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（4）多跳中繼模型

可以將兩跳單中繼模型推廣到多跳從而搭建起一條多跳中繼鏈路，如圖所示。

多跳中繼模型具有擴(kuò)大覆蓋范圍的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在較大的時(shí)延和復(fù)雜的資源分配算法等缺點(diǎn)，因此在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中不適合采用多于兩跳的中繼模型。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（5）協(xié)作串行中繼模型

為了充分利用無(wú)線信道的廣播特性，可以采用多跳分集接收模式，允許任意節(jié)點(diǎn)的廣播信號(hào)均能被后續(xù)節(jié)點(diǎn)收到并解碼，

并且采用AF協(xié)議的性能要優(yōu)于DF協(xié)議，盡管AF協(xié)議在這個(gè)過(guò)程中可能也放大了噪聲。4.3.1中繼選擇分類4.3中繼選擇策略

在基于平均信道狀態(tài)信息的最優(yōu)中繼選擇過(guò)程中，根據(jù)各個(gè)備選中繼節(jié)點(diǎn)的距離、路徑損耗、平均信噪比等參數(shù)的比較判決其是否為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。因此，該通信系統(tǒng)中需要有能夠有效估計(jì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離或者地理位置信息的設(shè)備，或者需要有能夠估計(jì)其鏈路平均信噪比的設(shè)備，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)估計(jì)其平均信噪比的開(kāi)銷較大。（1）基于平均信道狀態(tài)信息的中繼選擇（2）基于瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的中繼選擇4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類最小法則：調(diào)和平均法則：

4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（3）基于中斷概率的中繼選擇基于中斷概率的中繼選擇方法以系統(tǒng)的中斷概率最小化為目標(biāo)，選擇鏈路瞬時(shí)信噪比最大的中繼節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的整體中斷概率：4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（4）基于誤碼率的中繼選擇

基于誤碼率的中繼選擇方法是以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標(biāo)的。在中繼選擇過(guò)程中，在考慮傳輸速率和信噪比的基礎(chǔ)上，還考慮了物理層中的調(diào)制傳輸方式和目的節(jié)點(diǎn)端的分集合并方式等因素，因此此類中繼選擇算法更適用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（5）基于社交網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇

基于社交網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇是以通信鏈路穩(wěn)定性為目標(biāo)，通過(guò)選擇社交關(guān)系強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，該方法不僅僅考慮到了物理層的信道狀態(tài)、傳輸速率，還考慮現(xiàn)實(shí)生活中人們的主觀意愿，更加貼合實(shí)際。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（6）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的中繼選擇

4.3.2典型算法分析

(1)系統(tǒng)模型4.3中繼選擇策略

由單一宏基站或微基站控制的超密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備與設(shè)備之間的通信鏈路包括中繼鏈路、直通鏈路和蜂窩鏈路3種形式。4.3中繼選擇策略4.3.2典型算法分析在D2D中繼通信的第一跳鏈路中，第r個(gè)RE的信干噪比在第二跳鏈路中，DUE的SINR可表示為：提高邊緣用戶的通信質(zhì)量問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)換為在用戶通信時(shí)所在鏈路的吞吐量問(wèn)題，由香農(nóng)公式可知，改進(jìn)的鏈路吞吐量可表示為：

一般情況下，影響用戶之間社交關(guān)系的因素主要體現(xiàn)在時(shí)間性因素。平均通信時(shí)間表示為4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡(luò)的典型算法分析基于時(shí)間因子可以推斷出社交值：當(dāng)存在多個(gè)潛在中繼的情況下，為了減少探測(cè)次數(shù)，首先利用節(jié)點(diǎn)之間的社交關(guān)系，移除不可用的中繼節(jié)點(diǎn)。由上述分析可知，與SUE有較強(qiáng)社交關(guān)系的潛在中繼用戶更有可能為SUE、DUE提供中繼服務(wù)。結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)模型，提出基于整個(gè)系統(tǒng)的社交門限ω'的概念，表示為：4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡(luò)的典型算法分析4.3中繼選擇策略

①中繼識(shí)別因子排除自私節(jié)點(diǎn)從下面幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析：中繼識(shí)別因子共包括3個(gè)屬性，負(fù)責(zé)判斷RE中具有自私行為的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而明確何種節(jié)點(diǎn)可以中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)的三個(gè)屬性分別為：聯(lián)合興趣度、轉(zhuǎn)發(fā)歷史比率和中繼物理狀態(tài)。(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法

②權(quán)值計(jì)算

在定義了屬性表達(dá)式之后，如何確定每個(gè)屬性的權(quán)重是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。利用三角模糊函數(shù)將三個(gè)屬性權(quán)重劃分為三個(gè)層次，即優(yōu)先級(jí)、中間級(jí)和一般級(jí)。根據(jù)三角模糊數(shù)隸屬函數(shù)的定義，給出屬性權(quán)重的隸屬函數(shù)表達(dá)式：③自私中繼確認(rèn)

2.算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法由下式可以計(jì)算出SUE和RE之間的屬性差：如果屬性差的閾值為Δth，當(dāng)ΔS,R比Δth小時(shí)，這樣的RE被認(rèn)為具有自私行為，并且不能作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中繼設(shè)備，也就是說(shuō)自私中繼被確認(rèn)的條件為：4.3中繼選擇策略4.4中繼選擇中的功率控制

假設(shè)小區(qū)有一個(gè)基站、N個(gè)可作為中繼的空閑蜂窩用戶RUE、M個(gè)蜂窩用戶CUE以及X個(gè)D2D通信對(duì)(SUE、DUE)。4.4中繼選擇中的功率控制

一旦通信鏈路的最小SINR閾值不能滿足，通信鏈路會(huì)發(fā)生中斷，中斷概率如下：4.4中繼選擇中的功率控制

4.5本章小結(jié)本章對(duì)D2D通信的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，針對(duì)所面臨的通信距離遠(yuǎn)、信道衰落大造成的通信中斷問(wèn)題，分析了中繼協(xié)作的必要性，根據(jù)通信場(chǎng)景的不同，對(duì)現(xiàn)有協(xié)作中繼的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)發(fā)模式進(jìn)行了概括。協(xié)作通信系統(tǒng)中源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息都要消耗功率，以往采用的等功率分配方案并不能最大程度利用節(jié)點(diǎn)的功率，針對(duì)這種情況，拍賣算法，通過(guò)貨幣獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)反饋通信系統(tǒng)，在保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，可提高D2D通信的可靠性。D2D通信轉(zhuǎn)發(fā)模式包括幾種？各自區(qū)別主要是什么？資源共享方式有幾種？簡(jiǎn)單介紹一下？有哪些常見(jiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？D2D功率控制可分為靜態(tài)功率設(shè)置與動(dòng)態(tài)功率設(shè)置，請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明二者之間的區(qū)別？思考題QUESTION:5D2D同步技術(shù)5.1概述5.3LTE同步與D2D同步5.2同步的分類5.4分布式同步策略5.5本章小結(jié)5.1概述同步的方式：頻率同步、相位同步、時(shí)間同步。頻率同步：指設(shè)備A和設(shè)備B以相同的速度接收到信號(hào)前沿，但不是在同一時(shí)刻。相位同步：即設(shè)備A和設(shè)備B在同一時(shí)刻但不同時(shí)間間隔接收到信號(hào)的前沿。時(shí)間同步：設(shè)備A和設(shè)備B在同一時(shí)刻、同一時(shí)間間隔接收到信號(hào)前沿。5.2同步的分類

從場(chǎng)景上看，D2D同步分為基站覆蓋、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和分布式網(wǎng)絡(luò)下的同步。5.2同步的分類

從分布角度看，在D2D網(wǎng)絡(luò)中有兩種主要的定時(shí)同步方法：集中式和分布式。集中式方法：?jiǎn)⒂肈2D通信的終端在終端集群中扮演協(xié)調(diào)者的角色，以便將其傳輸范圍內(nèi)的參考計(jì)時(shí)器交付給其他啟用D2D的終端。分布式方法：支持D2D通信的UE要為其傳輸范圍內(nèi)的其他UE提供計(jì)時(shí)參考，因無(wú)固定AP可用，加上移動(dòng)AP帶來(lái)的不確定性，若AP失去與網(wǎng)絡(luò)的連接，則其它UE要重新選擇AP5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點(diǎn)及改進(jìn)：提供時(shí)間參考時(shí)嚴(yán)重依賴簇頭（CH）在選擇一個(gè)新的CH之后，由于傳輸范圍的限制，可能很難保證整個(gè)集群都能搜索到新的CH。簇間通信變得更加困難。需要重新選擇一個(gè)新的同步源引入一種機(jī)制來(lái)中繼或傳輸CH的傳輸范圍之外的參考計(jì)時(shí)器在附近獨(dú)立創(chuàng)建的集群提供一種機(jī)制5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點(diǎn)及改進(jìn)圖示5.3LTE同步與D2D同步D2D同步是以LTE同步技術(shù)為基礎(chǔ)，沿用LTE的幀結(jié)構(gòu)、同步信號(hào)生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術(shù)。并對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行了改造，以此適應(yīng)D2D通信中的應(yīng)用場(chǎng)景。

在LTE同步技術(shù)中，初始同步和新小區(qū)識(shí)別過(guò)程采用3GPP規(guī)定的兩種物理信號(hào)，分別是主同步信號(hào)（PSS）和輔同步信號(hào)（SSS）。5.3LTE同步與D2D同步

在D2D通信中，D2D同步信號(hào)在6個(gè)物理資源塊（PRB）中間填充4個(gè)單載波頻分多址（SC-FDMA)符號(hào)。

UE通過(guò)對(duì)其進(jìn)行解碼獲取物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)和每個(gè)傳輸符號(hào)的循環(huán)前綴長(zhǎng)度，從而得到小區(qū)使用的是頻分雙工（FDD）還是時(shí)分雙工（TDD）。這兩種雙工模式所對(duì)應(yīng)的是兩種不同的無(wú)線幀結(jié)構(gòu)。FDD無(wú)線幀結(jié)構(gòu)5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步TDD無(wú)線幀結(jié)構(gòu)5.3LTE同步與D2D同步TDD相對(duì)于FDD的優(yōu)勢(shì)有:（1）靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；（2）可以通過(guò)調(diào)整上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，靈活支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低設(shè)備成本；（4）接收上下行數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)需收發(fā)隔離器，只需一個(gè)開(kāi)關(guān)，可降低了設(shè)備的復(fù)雜度。5.3LTE同步與D2D同步TDD相對(duì)于FDD的缺點(diǎn)有:（1）TDD系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射功率的時(shí)間比FDD短；（2）TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無(wú)法進(jìn)行干擾隔離；（3）為避免與其他無(wú)線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預(yù)留較大的保護(hù)帶，影響了整體頻譜利用效率；（4）因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)下信道變化快，TDD分時(shí)系統(tǒng)導(dǎo)致UE報(bào)告的信道消息有延遲。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書(shū)P83的例子及5.2小結(jié)中的三種同步場(chǎng)景可知，自適應(yīng)分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：

（1）部分覆蓋同步場(chǎng)景中，如何快速可靠地傳播SL的時(shí)鐘值，特別是當(dāng)存在多個(gè)SL時(shí)，顯得尤為重要，此時(shí)的冗余的SL也會(huì)成為傳播的優(yōu)勢(shì)。（2）對(duì)于覆蓋外同步場(chǎng)景，如何設(shè)計(jì)分布式操作來(lái)實(shí)現(xiàn)全局時(shí)鐘的一致性。（3）在覆蓋外同步場(chǎng)景中，當(dāng)一個(gè)新設(shè)備加入一個(gè)幾乎同步的組時(shí)，如何保證新設(shè)備不會(huì)對(duì)該組產(chǎn)生較大的影響。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書(shū)P83的例子及5.2小結(jié)中的三種同步場(chǎng)景可知，自適應(yīng)分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：（4）即使使用MAC層時(shí)間戳，仍然會(huì)存在延遲，時(shí)間戳過(guò)程本身也存在不確定性。因此，如何處理不正確的時(shí)間戳來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的同步？（5）在這兩個(gè)不同的場(chǎng)景以及它們各自的同步挑戰(zhàn)中，SF最初并不知道它們所處的覆蓋場(chǎng)景。其次，對(duì)于SF來(lái)說(shuō)，如何確定要遵循哪種類型的同步方法仍是需要解決的重點(diǎn)。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)在挑戰(zhàn)4中，有兩種消除時(shí)間戳的不準(zhǔn)確性從而得到精確估計(jì)的方法:遞歸估計(jì)和和分層結(jié)構(gòu)。設(shè)備必須收集足夠數(shù)量的有效時(shí)間戳，來(lái)估計(jì)回歸系數(shù)。

有效時(shí)間戳--接收設(shè)備用于SL設(shè)備時(shí)鐘的時(shí)間戳。在快速傳播中引入了兩種策略：Pseudo-syncleader（PSL）和合作同步。當(dāng)一個(gè)設(shè)備開(kāi)始充當(dāng)PSL時(shí)，傳輸?shù)母怕蕰?huì)因此提高。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步

在D2D系統(tǒng)中，自組網(wǎng)系統(tǒng)研究的許多同步協(xié)議存在一定的結(jié)構(gòu)局限性。本章節(jié)介紹一種新的D2D系統(tǒng)定時(shí)同步方法。當(dāng)蜂窩基站的存在時(shí)：考慮了蜂窩上行過(guò)程中基于隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程的蜂窩輔助(CA)同步方法。

當(dāng)蜂窩基站不可用時(shí)：用戶設(shè)備執(zhí)行獨(dú)立(SA)同步方式。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步

基于上述提出的CA同步方法和SA同步方法。圖示如下：D2D通信類型5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步下圖為SA-D2D通信的框架結(jié)構(gòu)：

在傳輸間隔內(nèi)，終端只以參考時(shí)鐘的速度向其他終端發(fā)送自己的全局同步信號(hào)(GSS)。在整個(gè)系統(tǒng)過(guò)程中，終端將參考時(shí)鐘作為自身的時(shí)鐘；在傳輸間隔中，終端只以參考時(shí)鐘的速度向其它終端發(fā)送自己的GSS；在接收間隔中，終端只偵聽(tīng)鄰UE的GSS一幀。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步下圖為L(zhǎng)TE系統(tǒng)中eNB與終端上行同步的隨機(jī)接入過(guò)程：

適合于D2D通信的隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程如下：在蜂窩通信的隨機(jī)接入過(guò)程中，終端直接應(yīng)用TA信息；而對(duì)于D2D通信的同步，UE在定時(shí)調(diào)整過(guò)程中使用TA值的一半,該值等于eNB和UE之間的時(shí)間差。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步下面介紹CA-D2D通信類型:CA-D2D同步方法示例如下:假設(shè)eNB和UE之間的距離為30個(gè)樣本，然后，在原始隨機(jī)訪問(wèn)過(guò)程中，UE在30個(gè)樣本的位置發(fā)送信號(hào)，eNB在第0個(gè)樣本的位置接收信號(hào)。UE在15個(gè)樣本的位置發(fā)射信號(hào)。通過(guò)提出的基于TA信息使用不同的流程，可以實(shí)現(xiàn)所有終端具有相同的參考時(shí)鐘，而不需要額外的流程。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步

在初始觀測(cè)區(qū)間中，確定Tx-Rx區(qū)間的順序。由于Tx-Rx的重復(fù)結(jié)構(gòu)，Tx-Rx的順序在GSS交換過(guò)程中非常重要。下表為Tx-Rx順序規(guī)則：最大GSS位置Tx-Rx命令第一幀第二幀無(wú)GSS檢測(cè)Rx-TxTx-Rx(Tx-Rx)或者(Rx-Tx)5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步功率加權(quán)是參考時(shí)鐘由GSS到達(dá)時(shí)間的接收功率加權(quán)平均決定的決策規(guī)則之一，如下式所示：

5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步同時(shí)，通過(guò)下述公式所述的等增益平均，對(duì)所有接收到的功率大于檢測(cè)閾值的GSS的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行等平均。

5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步在廣域網(wǎng)環(huán)境下，同步所有終端的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，使用一個(gè)只考慮最大功率的GSS的決策規(guī)則來(lái)進(jìn)行群同步。首先，在決策規(guī)則中不考慮距離較遠(yuǎn)的UE，可通過(guò)分組過(guò)程來(lái)切斷傳播問(wèn)題。同步鎖（SynchronizationLock，SL）--是參考時(shí)鐘在一定間隔內(nèi)不斷保持的一種狀態(tài)，是指在某一幀間隔內(nèi)參考時(shí)鐘的平均值與下一幀間隔內(nèi)參考時(shí)鐘的平均值之差在某一樣本內(nèi)。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步檢測(cè)終端是否進(jìn)入SL狀態(tài)，可以通過(guò)下式判斷：因此，SL條件通過(guò)這種方法，可以使兩個(gè)SL組同步，并且可以應(yīng)用于所有SL組。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步綜上所述，UE在D2D系統(tǒng)中的同步流程如圖下所示。首先，UE嘗試在幾秒鐘內(nèi)檢測(cè)下行信號(hào)，以使用CA方法。如果沒(méi)有下行信號(hào)，則采用SA方式。5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析

根據(jù)前面所提出的D2D同步的幀結(jié)構(gòu)，假設(shè)信道特性在一個(gè)同步周期內(nèi)不發(fā)生變化，采用的仿真參數(shù)如下:UE數(shù)量50，UE均勻隨機(jī)分布在300m×300m的區(qū)域內(nèi)。鏈路范圍閾值設(shè)置為70m。注意：所有UE都可以通過(guò)多跳連接。

為了正確反映同步所需的時(shí)間，模擬時(shí)間被歸一化為幀的數(shù)量。5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析

5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析下圖為UE數(shù)量為50時(shí)的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析下圖為UE數(shù)量為200時(shí)的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析論證結(jié)果：可以看出自適應(yīng)分布式同步方法可以實(shí)現(xiàn)100%的同步率，但前提是不良同步包比例的閾值要設(shè)定得極低。當(dāng)同步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，STD-15.8僅為50個(gè)UE和200個(gè)UE實(shí)現(xiàn)了大約75%和68%的同步率。圖2中的高密度UE數(shù)量比圖1中的低密度UE數(shù)量更快地實(shí)現(xiàn)同步，特別是對(duì)于所提出的方法。5.5本章小結(jié)本章針對(duì)D2D同步中的同步分類進(jìn)行了綜述，大體分為集中式與分布式兩種，其中重點(diǎn)闡述了分類中的分布式策略，并探討了LTE同步技術(shù)發(fā)展對(duì)D2D同步的影響。D2D同步沿用了LTE的幀結(jié)構(gòu)、同步信號(hào)生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術(shù)，但是對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行了改造，以適應(yīng)D2D通信中的三種覆蓋場(chǎng)景。在分布式策略中，分析了目前存在的困難與挑戰(zhàn)，針對(duì)自組網(wǎng)系統(tǒng)中同步協(xié)議的結(jié)構(gòu)局限性，討論了蜂窩輔助同步與D2D獨(dú)立同步，以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度同步。仿真測(cè)試了與STD-15.8的性能對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分布式D2D同步技術(shù)的同步性能優(yōu)于STD-15.8。5.5本章小結(jié)第五章思考題QUESTION:對(duì)于部分覆蓋同步場(chǎng)景，如何快速可靠地傳播同步領(lǐng)導(dǎo)者的時(shí)鐘值？在整個(gè)D2D同步流程中，蜂窩輔助同步和獨(dú)立同步流程是什么？PSS和SSS序列共同組成PCI,請(qǐng)問(wèn)LTE系統(tǒng)的PCI個(gè)數(shù)為多少？6D2D緩存與卸載6.1概述6.3緩存策略6.2D2D緩存6.4計(jì)算卸載6.5本章小節(jié)6.1概述移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量趨勢(shì)：（1）在過(guò)去五年中，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)了40倍，其中視頻流量超過(guò)一半。（2）移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)超基站增長(zhǎng)速率6.1概述龐大的數(shù)據(jù)與計(jì)算任務(wù)給通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響有哪些？存儲(chǔ)空間－－請(qǐng)求次數(shù)與日俱增給基站和服務(wù)器帶來(lái)巨大負(fù)荷?；爻替溌罚脩舭l(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器，要先經(jīng)過(guò)基站，然后將需要的資源傳送到核心網(wǎng)，大量流行度較高的重復(fù)內(nèi)容經(jīng)過(guò)回程鏈路會(huì)造成核心網(wǎng)絡(luò)擁堵。服務(wù)質(zhì)量－－當(dāng)大量請(qǐng)求在隊(duì)列中時(shí)，不僅會(huì)造成排隊(duì)等候的時(shí)延，還會(huì)造成用戶被迫降低分辨率和碼率，以減少請(qǐng)求時(shí)間。D2D緩存的概念6.2D2D緩存D2D緩存是指用戶設(shè)備不直接使用BS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，與本地緩存、微基站緩存和宏基站緩存不同的是，D2D緩存是通過(guò)直連鏈路的形式向附近UE請(qǐng)求已經(jīng)緩存好的內(nèi)容，而自身也會(huì)緩存相關(guān)數(shù)據(jù)以滿足自身以后的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，或者滿足鄰近用戶的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。圖6-2本地緩存、微基站緩存、宏基站緩存和D2D緩存D2D緩存的優(yōu)點(diǎn)6.2D2D緩存提升通信系統(tǒng)整體容量－－UE無(wú)論是從數(shù)量還是分布密度上，都遠(yuǎn)大于宏基站和微基站，雖然單個(gè)UE的收發(fā)功率、能量效率、存儲(chǔ)能力都落后于BS和邊緣服務(wù)器，但是數(shù)量和分布上的優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)這些缺陷。服務(wù)時(shí)延－－這里的時(shí)延是指發(fā)起請(qǐng)求到結(jié)束任務(wù)的全過(guò)程時(shí)延，考慮到用戶可能在發(fā)起請(qǐng)求后由于時(shí)延較長(zhǎng)、不可抗因素等原因產(chǎn)生放棄行為，距離發(fā)送端較近的設(shè)備時(shí)延更低。緩存策略分類6.3緩存策略

物根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求，D2D緩存策略可以分為以下六個(gè)類別。圖6-4緩存策略分類6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略

主動(dòng)緩存是根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量動(dòng)態(tài)，在非高峰時(shí)段，主動(dòng)將熱門內(nèi)容存儲(chǔ)在選定的緩存節(jié)點(diǎn)中，從而緩解網(wǎng)絡(luò)流量壓力。被動(dòng)緩存是在用戶請(qǐng)求內(nèi)容之后確定是否緩存內(nèi)容。圖6-5LRU（Leastrecentlyused）緩存替換算法常見(jiàn)的主動(dòng)緩存6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略

LRU緩存的特點(diǎn)：（1）無(wú)法完全預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的請(qǐng)求內(nèi)容，因此存在緩存污染的情況。（2）如果存儲(chǔ)空間小于或者稍大于文件體積，則不能完成緩存列表更新。（3）空間利用率較低。可通過(guò)文件預(yù)處理與分級(jí)緩存改進(jìn)該策略6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略將請(qǐng)求文件分為前綴緩存與后綴緩存，后綴緩存進(jìn)一步平均細(xì)分或者不規(guī)則分段一級(jí)緩存空間存儲(chǔ)前綴部分各級(jí)空間滿載后將末尾文件淘汰到下一級(jí)6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略用戶在請(qǐng)求之前會(huì)優(yōu)先考慮本地搜索，自緩存命中率為：除去少量的自我緩存外，絕大部分需要臨近UE緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)，D2D緩存命中率：

6.3.1主動(dòng)與被動(dòng)緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-12平均時(shí)延緩存數(shù)量對(duì)緩存命中率的影響6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略集中式與分布式緩存對(duì)比：集中式緩存下數(shù)據(jù)交互需要跨越的地理距離較遠(yuǎn)，造成數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，網(wǎng)絡(luò)鏈路不夠穩(wěn)定。當(dāng)BS不屬于同一服務(wù)提供商時(shí)，集中解決方案很難實(shí)現(xiàn)。分布式解決方案可以更快地響應(yīng)本地更改，并且對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的緩存決策影響較小。6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略分布式緩存網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略移動(dòng)輔助設(shè)備能夠預(yù)測(cè)周圍的UE在接下來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能訪問(wèn)的內(nèi)容，從而最大程度地利用分布式緩存的多設(shè)備、高密度等優(yōu)勢(shì)，克服分布式設(shè)備的移動(dòng)性帶來(lái)的不穩(wěn)定性。假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)UE的平均內(nèi)容請(qǐng)求數(shù)R表示為：

6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-17命中率性能圖6-18命中率與移動(dòng)輔助設(shè)備的移動(dòng)速度6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真分析：在分布緩存中，假設(shè)移動(dòng)輔助設(shè)備具有恒定的速度，并且能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其移動(dòng)路徑，對(duì)于高密度的移動(dòng)輔助設(shè)備，即使有些移動(dòng)輔助設(shè)備偏離了預(yù)測(cè)路徑，也可能存在其他能夠提供內(nèi)容的移動(dòng)輔助設(shè)備。6.3.3編碼緩存6.3緩存策略編碼緩存是指在緩存數(shù)據(jù)之前處理掉冗余的數(shù)據(jù)或者擴(kuò)充已有的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)量的壓縮和擴(kuò)張，然后再進(jìn)行緩存。圖6-21D2D通信建立及編碼傳輸過(guò)程6.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可為D2D緩存帶來(lái)如下優(yōu)勢(shì)：圖6-22蝶形網(wǎng)絡(luò)（1）提高緩存吞吐量

能夠提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)。該方式通過(guò)對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行有效的線性編碼重組，可以使網(wǎng)絡(luò)用更少的傳輸次數(shù)傳輸更多的數(shù)據(jù)信息，吞吐量隨之提升。節(jié)點(diǎn)S1向節(jié)點(diǎn)S2發(fā)送數(shù)據(jù)包b1，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)S2向節(jié)點(diǎn)S1發(fā)送數(shù)據(jù)包b26.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可為D2D緩存帶來(lái)如下優(yōu)勢(shì)：（2）提升網(wǎng)絡(luò)健壯性

在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，編碼操作使得每個(gè)數(shù)據(jù)包之間產(chǎn)生了相關(guān)性和聯(lián)系，即使傳輸過(guò)程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，由于采用了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，接收節(jié)點(diǎn)可以避免在整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)中尋找新的路由，然后進(jìn)行解碼恢復(fù)。（3）節(jié)約無(wú)線資源

在使用網(wǎng)絡(luò)編碼的D2D通信系統(tǒng)之中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提升，傳輸時(shí)隙減少，無(wú)線資源的需求量也隨之降低。終端數(shù)量較多的大型D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)會(huì)使得無(wú)線資源需求明顯減少，優(yōu)勢(shì)更加突出。6.4計(jì)算卸載根據(jù)移動(dòng)設(shè)備的任務(wù)卸載進(jìn)行建模時(shí)，任務(wù)劃分粒度的不同，定義兩種卸載模型：（1）完全卸載適用于高度集成或相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)，用戶的任務(wù)程序被封裝后卸載至輔助節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，這種方式無(wú)需對(duì)任務(wù)代碼或數(shù)據(jù)塊進(jìn)行額外處理，能夠簡(jiǎn)化卸載步驟。在完全卸載中，用戶任務(wù)不能進(jìn)行分割，必須完全在移動(dòng)設(shè)備本地執(zhí)行或者作為一個(gè)整體卸載到輔助節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。（2）部分卸載

多應(yīng)用程序或任務(wù)通常由多個(gè)組件組成，或者會(huì)涉及到數(shù)據(jù)塊的處理（例如視頻中的目標(biāo)檢測(cè)涉及到的圖像幀序列處理），這種情況適用于部分卸載。部分卸載允許在計(jì)算任務(wù)被劃分為若干個(gè)子任務(wù)后，將這些子任務(wù)卸載至不同的實(shí)體上進(jìn)行計(jì)算。6.4.1系統(tǒng)模型6.4計(jì)算卸載用戶首先通過(guò)諸如基站收發(fā)信臺(tái)（BTS，BaseTransceiverStation）、基站控制器（BSC，BaseStationController）和移動(dòng)交換中心（MSC，MobileSwitchingCenter）之類的設(shè)備連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦矓?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。然后，通信數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)匠休d高性能計(jì)算機(jī)的任何本地網(wǎng)絡(luò)。圖6-23卸載架構(gòu)6.4.1系統(tǒng)模型6.4計(jì)算卸載包括數(shù)據(jù)傳輸和代碼卸載的時(shí)間

6.4.1系統(tǒng)模型6.4計(jì)算卸載

6.4.2卸載方法6.4計(jì)算卸載（1）強(qiáng)化學(xué)習(xí)（2）社交感知

D2D通信可以有效地卸載基站流量，在D2D網(wǎng)絡(luò)中不僅需要共享大眾化內(nèi)容還需要個(gè)性化內(nèi)容緩存，社交感知算法不僅可以降低時(shí)延也可以減少緩存替換次數(shù)降低緩存成本。6.4.2卸載方法6.4計(jì)算卸載社交感知圖6-25

社會(huì)感知混合計(jì)算卸載系統(tǒng)應(yīng)用集群中移動(dòng)用戶的狀態(tài)空間定義：

思考題

思考題

7D2D安全傳輸技術(shù)7.1概述7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒?.2D2D通信的安全性7.4移動(dòng)云計(jì)算與D2D安全傳輸7.5

本章小結(jié)7.1概述與傳統(tǒng)的蜂窩通信相比，D2D通信不再需要通過(guò)基站完成信令轉(zhuǎn)發(fā)，且受限于移動(dòng)終端的計(jì)算能力，其安全性能下降較為明顯，因此導(dǎo)致D2D通信鏈路更容易遭受安全威脅。日常的通信活動(dòng)能否保證相關(guān)信息可以及時(shí)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)信息接收方，避免出現(xiàn)信息丟失的情況至關(guān)重要。引言：對(duì)于LTE系統(tǒng)定義五個(gè)安全級(jí)別：網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)安全；網(wǎng)絡(luò)域安全；用戶域安全；應(yīng)用程序域安全；安全性的可視性和可配置性。7.1概述如今在D2D通信中，基站僅作為控制中心，而由于無(wú)線信道的開(kāi)放性D2D通信很容易受到竊聽(tīng)攻擊。威脅安全的幾個(gè)方面？（1）：如果竊聽(tīng)者或入侵者出現(xiàn)在該范圍內(nèi)，竊聽(tīng)者將有可能接收到重要信息而導(dǎo)致信息泄漏。（2）：D2D設(shè)備旨在從基站卸載數(shù)據(jù)，從而降低成本開(kāi)銷，但這樣會(huì)使設(shè)備無(wú)法對(duì)連接的設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證。（3）：D2D用戶與蜂窩用戶共享信道資源，對(duì)蜂窩用戶造成安全威脅。7.2.1安全威脅7.2D2D通信的安全性竊聽(tīng)攻擊：竊聽(tīng)攻擊者通過(guò)被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)用戶設(shè)備之間的無(wú)線信道獲取敏感數(shù)據(jù)。利用加密技術(shù)可以避免這種威脅。冒充攻擊：攻擊者可以假冒成合法的用戶設(shè)備或基站來(lái)訪問(wèn)流量數(shù)據(jù)?？墒褂蒙矸蒡?yàn)證來(lái)抵御這種威脅。偽造攻擊：攻擊者偽造特定內(nèi)容向用戶發(fā)送虛假數(shù)據(jù)，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)造成危害的目的?？梢允褂胔ash函數(shù)和數(shù)字簽名進(jìn)行完整性控制來(lái)抵御此類攻擊。搭便車攻擊：為了降低D2D通信中的系統(tǒng)可用性，攻擊者可能會(huì)鼓勵(lì)某些用戶設(shè)備的自私行為，以節(jié)省能量消耗。為了防御這種攻擊，有必要開(kāi)發(fā)合作性鼓勵(lì)機(jī)制。7.2.1安全威脅7.2D2D通信的安全性主動(dòng)攻擊控制數(shù)據(jù)：攻擊者試圖更改控制數(shù)據(jù)。使用密碼學(xué)方法的身份驗(yàn)證、機(jī)密性和完整性可以避開(kāi)這種威脅。侵犯隱私：一些隱私敏感數(shù)據(jù)（如身份、位置等）與D2D服務(wù)更相關(guān)，這些個(gè)人信息必須對(duì)非授權(quán)方保密。拒絕服務(wù)（Denial-of-service，DoS）攻擊：它是指在D2D通信中使服務(wù)不可用。惡意設(shè)備可以暗中破壞甚至完全阻斷底層網(wǎng)絡(luò)中合法設(shè)備的連接。7.2.2安全要求7.2D2D通信的安全性D2D用戶的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)僅需在授權(quán)用戶之間傳輸。即使在存在拒絕服務(wù)攻擊或干擾的情況下，設(shè)備也必須通信。為了保護(hù)D2D通信免受冒充攻擊，必須進(jìn)行授權(quán)應(yīng)驗(yàn)證授權(quán)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)未被更改設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須使用加密機(jī)制保密必須檢查通信方的標(biāo)識(shí)指如果檢測(cè)到D2D服務(wù)是惡意的則可以撤銷該服務(wù)的用戶權(quán)限有必要跟蹤安全違規(guī)企圖的來(lái)源用戶設(shè)備訪問(wèn)其服務(wù)時(shí)針對(duì)指定的訪問(wèn)規(guī)則進(jìn)行細(xì)粒度的控制。指防止用戶設(shè)備拒絕發(fā)送或接收消息的能力。7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒ňW(wǎng)絡(luò)安全分層通信中的安全問(wèn)題主要集中于圖示的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層。所有層必須協(xié)同工作來(lái)為D2D通信中涉及的用戶設(shè)備提供所需保護(hù)。解決D2D安全傳輸?shù)难芯恐饕性谖锢韺?，因?yàn)槔脽o(wú)線信道特性的物理層安全傳輸技術(shù)在提高D2D通信的安全性方面具有巨大潛力。7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒ㄈ绾巫龅轿锢韺影踩珎鬏?？物理層安全傳輸?shù)幕舅枷胧窃谖锢韺永脽o(wú)線信道的屬性來(lái)保證合法用戶的安全可靠通信。物理層安全技術(shù)從香農(nóng)信息論的角度出發(fā)，借助物理層安全編碼，依靠傳輸信道的動(dòng)態(tài)物理特性，改善合法用戶的信道質(zhì)量，惡化竊聽(tīng)者的信道質(zhì)量。利用干擾信號(hào)作為安全障礙的安全技術(shù)：為了防止D2D用戶對(duì)蜂窩用戶造成較大的干擾，D2D用戶的傳輸功率往往保持在較低水平，但是由于資源塊的復(fù)用，干擾信號(hào)對(duì)竊聽(tīng)者起到了有利的干擾作用。7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒?/p>

7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒?/p>

7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒◤膽?yīng)用場(chǎng)景看，D2D通信安全傳輸針對(duì)不同場(chǎng)景要求也有所不同，具體可分為如下類別：基于綠色通信的D2D安全傳輸基于社交應(yīng)用的安全傳輸基于醫(yī)療的安全傳輸基于移動(dòng)性的D2D安全傳輸基于無(wú)人機(jī)的D2D安全傳輸7.3.3用于D2D安全傳輸?shù)娜肭謾z測(cè)系統(tǒng)7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒S著通信技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了大量惡意應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以破解設(shè)備中存儲(chǔ)的身份驗(yàn)證密鑰、信用卡信息等敏感信息。應(yīng)用層攻擊無(wú)法通過(guò)物理層安全來(lái)阻止。因此，還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)得檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)惡意攻擊。入侵檢測(cè)系統(tǒng)IDS能夠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量、系統(tǒng)日志、運(yùn)行進(jìn)程、應(yīng)用程序和系統(tǒng)配置更改、文件的訪問(wèn)和修改。IDS會(huì)將正常的活動(dòng)模式與可疑活動(dòng)進(jìn)行比較，一旦檢測(cè)到惡意活動(dòng)，它會(huì)將信息發(fā)送給服務(wù)器和系統(tǒng)管理員處理。7.3.4保密指標(biāo)7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒ūＣ苤笜?biāo)是衡量D2D安全傳輸技術(shù)的關(guān)鍵，為了抵御上述潛在威脅，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）保密容量：存在竊聽(tīng)者威脅的情況下，從發(fā)送端向接收端發(fā)送機(jī)密信息的最大速率。（2）保密速率：主通信信道的速率與竊聽(tīng)者的最大速率之差。（3）保密吞吐量：D2D接收機(jī)單位時(shí)間內(nèi)接收到的保密信息的平均信息量。（4）保密中斷概率：瞬時(shí)容量大于冗余率的概率，冗余率是傳輸速率和保密速率的差值。（5）保密能量效率：保密容量或保密速率與總能耗的比值。