D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 課件 第1、2章 緒論、D2D信道建模

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1緒論1.1D2D技術(shù)概況1.3D2D通信架構(gòu)及標準1.2D2D通信分類及技術(shù)特點1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評價指標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D2D技術(shù)？D2D通信鏈路建立后，數(shù)據(jù)傳輸過程無需核心設(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、高效地運行。1.1D2D技術(shù)概況D2D通信通常對蜂窩網(wǎng)絡(luò)是不透明的，它可以發(fā)生在蜂窩移動通信頻段或未經(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)備間都必須通過基站實現(xiàn)信息傳輸。{通信基站的通信適合傳統(tǒng)的低數(shù)據(jù)速率移動服務(wù)如語音通話和短信當今蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動用戶絕大多數(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優(yōu)勢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，工程技術(shù)人員和科研學(xué)者將蜂窩移動通信與短距離設(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D2D通信是5G系統(tǒng)的重要組成部分？D2D通信在執(zhí)行過程中允許將本地流量與蜂窩網(wǎng)絡(luò)分離，通過此方式，它不僅可以消除數(shù)據(jù)傳輸和相關(guān)信令對回程和核心網(wǎng)絡(luò)造成的負載負擔，還可以減少在中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理流量所需的額外工作。1.1.1D2D通信的5G應(yīng)用場景1.1D2D技術(shù)概況場景1：本地數(shù)據(jù)信息交互場景2：超密集網(wǎng)絡(luò)情形下的多用戶內(nèi)容分發(fā)及管理場景3：協(xié)作通信中的中繼選擇傳輸。場景4：蜂窩數(shù)據(jù)卸載緩存場景5：蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用擴展1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術(shù)特點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，因此對蜂窩頻譜控制能力較強。系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）由基站控制和保障，其負責處理資源分配和干擾管理等問題。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通信傳輸過程中對蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的干擾，但與此同時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)先級是OverlayD2D-L模式的研究重點。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用戶對通信和CU之間通信的相互干擾問題。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ControlledD2D-U模式：在ControlledD2D-U模式中，基站提供控制平面信令，設(shè)備進行未授權(quán)頻譜中的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏?。通過基站管理信標信道并幫助D2D用戶發(fā)現(xiàn)和接入，使通信系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能，同時該模式下的基站輔助還可改進資源管理和系統(tǒng)干擾等問題。AutonomousD2D-U模式：基站不提供傳輸?shù)目刂破矫嫘帕睿帕羁刂朴蒁2D-U網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供。在集群通信中，控制信令有時也通過集群簇頭節(jié)點提供。由于不需要基站的干預(yù)實現(xiàn)通信，AutonomousD2D-U模式可實現(xiàn)系統(tǒng)通信的低延遲。1.2.2D2D技術(shù)特點1.2D2D通信分類及技術(shù)特點010305020406增強增益收益提高頻譜效率保證能效優(yōu)化降低用戶時延控制干擾管理擴展覆蓋范圍1.2.2D2D技術(shù)特點1.2D2D通信分類及技術(shù)特點雖然D2D通信具有上述技術(shù)優(yōu)勢，但隨著爆炸式增長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通信也帶來了一系列新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：用戶體驗方面的挑戰(zhàn)技術(shù)實現(xiàn)方面的挑戰(zhàn)對等發(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)及標準當D2D-U用戶發(fā)起D2D通信時，無論何種無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，用戶端通過應(yīng)用服務(wù)器提供的服務(wù)內(nèi)容開始鏈接，并且該內(nèi)容鏈接與具有D2D功能的用戶終端關(guān)聯(lián)時，D2D通信可以執(zhí)行，該過程可以通過下圖所示的D2D-U通信架構(gòu)實現(xiàn)。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標準—Prose1.3D2D通信架構(gòu)及標準3GPP組織定義的D2D-L標準化協(xié)議為LTE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)，同時其功能還包括生成和維護受限的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)議標準-SIDELINK傳輸1.3D2D通信架構(gòu)及標準在傳統(tǒng)蜂窩通信中，gNB或eNB通過上行鏈路（Uplink，UL）和下行鏈路（Downlink，DL）與UE進行通信，包括信令和數(shù)據(jù)，這一概念在ProSe通信中通過引入Sidelink（SL）得到了擴展，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)議標準-SL通信1.3D2D通信架構(gòu)及標準有兩個定義的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，藍色的是數(shù)據(jù)路徑，而控制信號的路徑則用紅色表示。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標準-SL通信1.3D2D通信架構(gòu)及標準STCH用于承載ProSe應(yīng)用用戶信息的數(shù)據(jù)傳輸，它是一個點對多點的信道，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，原因在于來自SBCCH的資源塊具有相同的大小。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標準-通信資源池1.3D2D通信架構(gòu)及標準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)過一個可配置的周期之后，即SL控制周期，整個模式重復(fù)將重復(fù)執(zhí)行。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標準-SL直接發(fā)現(xiàn)1.3D2D通信架構(gòu)及標準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)信號的每個特定傳輸實例分配資源；B.資源半持久分配用于發(fā)現(xiàn)信號傳輸。1.4.1D2D通信關(guān)鍵技術(shù)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評價指標（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，而無需與回程通信進行任何聯(lián)系。1.4.1D2D通信關(guān)鍵技術(shù)1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評價指標（4）功率控制：當下D2D用戶的功率控制可分為靜態(tài)功率設(shè)置與動態(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；從實現(xiàn)方法上看，D2D通信中有兩種主要的定時同步方法：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)性能評價指標1.4D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及評價指標D2D通信技術(shù)的主要性能指標包括以下方面：（1）中斷概率：在通信中，當鏈路容量不一定滿足所要求的用戶速率時，會產(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志，與通信線路的數(shù)量、工作效能和信息通過的時間等有關(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)吞吐量指單位時間內(nèi)通過該網(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。（5）算法復(fù)雜度：指算法在編寫成可執(zhí)行程序后，運行時所需要的系統(tǒng)資源，包括時間資源和空間資源。1.5本章小結(jié)D2D通信作為5G及未來6G移動通信網(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)負擔，其技術(shù)優(yōu)勢可保證網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性。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)用場景。隨后對D2D技術(shù)分類和技術(shù)特點兩個方面的相關(guān)內(nèi)容進行了闡述，并提出D2D通信面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。同時，對D2D-U背景下的通信架構(gòu)和D2D-L背景下的協(xié)議標準進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)性能評價指標。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)特點是什么？4.D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些？5.簡述可以衡量D2D通信系統(tǒng)性能的評價指標。2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2隨機信道模型2.4本章小結(jié)2.1概述

為驗證、優(yōu)化和設(shè)計無線通信系統(tǒng)，前期需要對無線信道進行建模。毫米波通信信道模型可分為確定性毫米波模型和隨機性毫米波模型。本章具體描述3GPP標準TR38.901推薦的隨機模型。5G通信系統(tǒng)的3GPP標準化時間表如下圖所示：2.2隨機信道模型

隨機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--當電磁波信號通過一段較長的距離時會產(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--當電磁波信號在較小的范圍內(nèi)傳輸時，會觀察到其瞬時接收場強的快速波動的一種現(xiàn)象。2.2.1大尺度衰落模型2.2隨機信道模型對于大尺度衰落模型，用戶首先設(shè)置應(yīng)用場景、天線數(shù)量和速度參數(shù)，然后通過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)測接收機和發(fā)射機之間為完全無阻擋的視距路徑時接收信號的場強。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。對于沒有任何系統(tǒng)損耗（L=1）的自由空間路徑損耗：當包含天線增益時，路徑損耗：不包括天線增益時，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景介紹不同的大尺度衰落模型。（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型距離功率斜率：實際的信道環(huán)境中，平均接收信號功率宇自由空間的路徑損耗同樣隨距離d呈對數(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隨機信道模型環(huán)境自由空間2市區(qū)蜂窩無線傳播2.7-3.5存在陰影衰落的市區(qū)蜂窩無線傳播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）對數(shù)距離路徑損耗與對數(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隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型

為計算方便，通常對距離功率斜率進行變換，以分貝的形式可表示為：

2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型則上式為對數(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于第1米的接收功率的損耗。通常用來表示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）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型陰影衰落（慢衰落）--因為位置不同而導(dǎo)致信號強度變化的現(xiàn)象。因為接收信號受到建筑物等其他物體的阻礙而使得接收信號強度圍繞著平均值波動。

2.2隨機信道模型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隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指無線電信號在短時間或短距離（若干波長）傳播后其幅度、相位或多徑時延的快速變化。計算和生成小尺度參數(shù)和系數(shù)的過程：2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型對上式升序排序：簇功率：延遲：比例延遲為：2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型對所有簇功率進行歸一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的數(shù)量對于LOS條件，向第一個簇中添加額外的鏡面分量，并且簇功率被標準化為：

2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型

導(dǎo)致信號幅度快速波動的兩種效應(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）終端移動性（4）通信頻率2.3D2D通信信道模型3GPP為了保證D2D研究的標準化，在第73次3GPPTSGRANWGI會議上，給出了D2D評估方法和信道模型標準如下：應(yīng)用場景室外-室外室外-室內(nèi)室內(nèi)-室內(nèi)路徑損耗WINNERⅡB1場景加上10dB偏移雙帶模型；WINNERB4場景加上10dB偏移雙帶模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi場景的視距概率陰影衰落8dB對數(shù)正態(tài)分布；假設(shè)為獨立同分布，即未進行相關(guān)性建?？焖偎ヂ洳捎脤ΨQ的角度（離開角，到達角）擴展分布；修正ITU-RUMi和InH場景模型以適應(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看，不同的D2D通信類型將導(dǎo)致不同的通信應(yīng)用場景，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場景分為兩類，即M2M（移動對移動）和F2M（固定對移動），同時將收發(fā)端不等高的傳統(tǒng)F2M場景稱為CF2M（傳統(tǒng)固定對移動）場景。（1）信道測試收發(fā)端均配置全向陣列天線（ODA）天線，測量系統(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通信信道模型測試場景：樓道對樓道、樓道對房間和房間對房間三種，涵蓋LoS（視距）和NLoS（非視距）情形。對于每個場景，信道測量均涵蓋F2M、M2M同向運動以及M2M相向運動三種情形，共采集大約2500個快照的數(shù)據(jù)用于分析和信道參數(shù)提取。測量過程中，小車移動時保持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信道接受信號幅度分布

設(shè)x和y為相互獨立，且服從瑞利分布的隨機變量，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)，接收信號復(fù)振幅可