D2D通信中Chief UE應(yīng)用的研究

2014-03-05 17:56:58宋曉佳于翠波

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年3期

宋曉佳+于翠波

摘要： Chief UE的作用是輔助實現(xiàn)D2D通信與蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信更好地?zé)o縫切換并且提高通信的質(zhì)量。對Chief UE的概念進(jìn)行了詳細(xì)描述，并且對于其在切換中的作用進(jìn)行了相應(yīng)的闡述和論證：在傳統(tǒng)D2D通信的基礎(chǔ)上，定義了其中一個性質(zhì)穩(wěn)定良好的UE為Chief UE，進(jìn)行D2D連接的內(nèi)部管理和通信，并且在需要切換時，能夠進(jìn)行通行保持直到整個通信切換的完成和結(jié)束。將具有Chief UE的D2D切換同不具有Chief UE的D2D切換進(jìn)行了相應(yīng)的對比和論述，以更好地論證Chief UE存在的必要性。

關(guān)鍵詞： D2D通信； Chief UE；切換； eNodeB；蜂窩通信系統(tǒng)

中圖分類號： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0010?05

Research on application of Chief UE in D2D communication

SONG Xiao?jia， YU Cui?bo

（Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China）

Abstract： Chief UE is used to aid better seamless handover between D2D communication and cellular network communication， and to improve the communication quality. The concept of Chief UE is described in detail， and the role in the switch is elaborated and demonstrated. Based on traditional D2D communication， one UE with steady performance is chosen and defined as Chief UE to conduct D2D connection inner management and communication. The communication can be kept till the handoff is over when deeded. The D2D switch with Chief UE and without Chief UE are compared and discussed， to demonstrate the necessity of the existing of UE.

Keywords： D2D communication； Chief UE； switch； eNodeB； cellular system

0 引言

Device?to?Device （D2D）通信是3GPP中LTE?A物理層通信的一個新的概念。對于LTE和LTE?A網(wǎng)絡(luò)，UMTS、EUTRA和EUTRAN為網(wǎng)絡(luò)通信提供了較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，而SAE則為網(wǎng)絡(luò)減少相應(yīng)的資源開支。近年來，隨著LTE升級成為LTE?A，由于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，用戶對于數(shù)據(jù)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的需求也不斷地加劇。而由于智能業(yè)務(wù)的不斷普及和推廣，系統(tǒng)在基于更高速率、更大帶寬和更高QoS的要求上不斷演進(jìn)。而對于LTE?A，必須滿足IMT?Advance的網(wǎng)絡(luò)要求，即LTE?A應(yīng)當(dāng)提供高達(dá)100 MHz的帶寬以支持大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這樣一來，D2D通信能夠也更好地接入互聯(lián)網(wǎng)[1]。

近年來，隨著LTE?A技術(shù)和用戶終端（UE）的不斷發(fā)展，小區(qū)域內(nèi)部通信技術(shù)的需求也大大地增加，其更加傾向于直接的、更高容量的并且消耗少的通信技術(shù)。因此，設(shè)備間的對等通信（Peer?to?Peer），例如，藍(lán)牙、WLAN和D2D被廣泛地應(yīng)用于區(qū)域間的通信之中，同時，這些通信技術(shù)都具有消耗低、接入迅速的特點。而就這些P2P技術(shù)而言，藍(lán)牙通信需要進(jìn)行身份識別驗證、并且只適用于兩個用戶之間，WLAN比起前者而言，應(yīng)用的更加廣泛，并且多個UE可以通過WLAN低消耗、低成本、快速地使用非授權(quán)頻譜資源接入因特網(wǎng)。因此，在P2P通信中，低消耗、高速率的WLAN的應(yīng)用范圍更加廣泛。然而，對于局域通信的提供商而言，在非授權(quán)頻譜資源過于緊張時，藍(lán)牙通信就變得不再適用，因此，不得不耗資購買經(jīng)過授權(quán)的頻譜資源，尋找更加適合的無線P2P通信技術(shù)，D2D就進(jìn)入了的視線。對于D2D通信而言，通信本身對于用戶是透明的，用戶只需通過URL驗證之后，網(wǎng)絡(luò)能夠自行探測到媒體服務(wù)器并且將通信由蜂窩通信自動切換為D2D通信。因此，現(xiàn)今D2D在局域通信中得到廣泛應(yīng)用并且為蜂窩通信提供很好的輔助通信的作用[2]。

如圖1所示，在現(xiàn)行的傳統(tǒng)D2D通信中，與其他P2P通信不同，UE在通信時需要受到eNodeB的控制。即進(jìn)行D2D通信時，如為語音通信，兩個在各自的eNodeB的控制之下UE直接進(jìn)行語音通信；如為數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，例如，在一個演唱會現(xiàn)場，在場地中將會有許多UE進(jìn)行視頻或音頻的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的下載，這時，最實用的即是D2D通信，eNodeB將視頻資料下傳給其中一個UE，而其他需要視頻數(shù)據(jù)的UE則在受到eNodeB的控制的前提之下，可直接通過D2D通信從已有視頻資料并且已被選定的UE處獲取。

圖1 傳統(tǒng)的D2D連接

本文提出了一種改進(jìn)后的LTE?A蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的輔助通信，即具有Chief UE的D2D通信。對于現(xiàn)有的傳統(tǒng)的D2D通信而言，UE之間直接連接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通信。如圖1所示，在UE進(jìn)行D2D通信時，每個UE在基站eNodeB的控制管理之下進(jìn)行通信。而Chief UE是在D2D通信中，惟一受到eNodeB管理控制的UE，而在D2D中其他UE受到Chief UE的直接控制。而當(dāng)D2D通信結(jié)束時，在保持Chief UE連接的前提下，恢復(fù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接，在連接穩(wěn)定之后再斷開Chief UE與eNodeB的D2D連接。下面將傳輸業(yè)務(wù)分為語音和數(shù)據(jù)方面進(jìn)行相應(yīng)的討論。

1 LTE?A中的傳統(tǒng)D2D連接

在LTE?A的D2D通信中，如圖2所示，D2D通信與正常的通信的信令傳輸形式有所不同，在進(jìn)行了會話發(fā)起協(xié)議（SIP）初始化之后，在eNodeB、MME和S?GW的控制之下，D2D中UE直接進(jìn)行通信，并且在D2D通信結(jié)束時，必須立刻恢復(fù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)各個基站對于UE的連接管理。而如圖1所示，UE之間無論是語音通信、數(shù)據(jù)通信都在各自的eNodeB的管理之下相互進(jìn)行通信。

圖2 SAE中具有SIP的D2D的信令傳輸

2 Chief UE

在現(xiàn)行傳統(tǒng)的D2D通信中，數(shù)據(jù)或語音業(yè)務(wù)的通信連接如圖1所示，出于對高速率和良好的管理的需求，eNodeB在D2D通信過程中，對每個UE進(jìn)行管理但不進(jìn)行任何相應(yīng)的語音或是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸?；谶@一原則，在此提出了一個新的概念Chief UE：在D2D通信中，選取最適合管理即通信性質(zhì)最穩(wěn)定的UE對D2D中的其他UE設(shè)備進(jìn)行管理，并且在通信中，只有Chief UE直接和eNodeB進(jìn)行連接，對D2D通信進(jìn)行控制，Chief UE作為一個管理中繼存在于D2D通信和eNodeB之間。而此時，將D2D中的其他UE定義為Sub UE（s），如圖3（a）所示。改進(jìn)后D2D通信的信令流程如圖3（b）所示。

圖3 D2D通信的改進(jìn)及改進(jìn)后D2D通信的信令流程

2.1 Chief UE 的選取

根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同，對于Chief UE的選擇方式有所區(qū)別。當(dāng)D2D是數(shù)據(jù)傳輸或是應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交互時，D2D通信可能會涉及到兩個或是兩個以上的UE通信，而對于這樣的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，應(yīng)用D2D是十分合適的，由于在現(xiàn)行的D2D中，在數(shù)據(jù)通信時，會選取幾個DUE（D2D UE）中的一個進(jìn)行eNodeB對數(shù)據(jù)的下發(fā)和D2D中的數(shù)據(jù)分發(fā)，它在DUE中具有最適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件，因此，此時就將這個在現(xiàn)行傳統(tǒng)D2D中與eNodeB進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的UE選擇作為Chief UE，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸和連接管理。

當(dāng)D2D是語音業(yè)務(wù)時，D2D通信涉及到兩個UE之間的連接，此時將上報給MME測量報告中信號強(qiáng)度最強(qiáng)的UE作為Chief UE。而測量報告（Measurement Report）是由E?UTRAN提供給UE在通信中進(jìn)行上報給eNodeB的通信相關(guān)數(shù)據(jù)信息，其中就包括信號強(qiáng)度的信息。信號強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系如下：

[P=P0-lgdd0+ξ]

式中：[P0]表示UE的初始位置（參考位置）時的信號強(qiáng)度，此時，UE與eNodeB之間的原始距離為[d0，]當(dāng)UE運(yùn)動時，由于eNodeB之間的距離產(chǎn)生了改變成為[d，]而[ξ]表示外部環(huán)境對于信號的干擾強(qiáng)度。由公式可知，UE的信號強(qiáng)度與UE同基站之間的距離成正比，因此，在語音通信中，將選擇測量報告中，與基站距離最近的UE作為D2D通信中的Chief UE。

2.2 Chief UE對D2D通信的管理即Chief UE與NodeB

之間的連接

前面提出，將UE的管理權(quán)限由eNodeB轉(zhuǎn)移交給Chief UE，如圖3（a）所示。在此D2D通信期間，Chief UE不僅有本身的通信功能，更重要的是它扮演者一個微型服務(wù)器的角色以對其他的UE進(jìn)行D2D期間的管理和監(jiān)控，即包括D2D通信的整個過程和由D2D向蜂窩通信進(jìn)行切換的過程。

在D2D的通信期間，eNodeB和D2D之間的管理由Chief UE進(jìn)行，即D2D連接期間的測量報告和信令傳輸由Chief UE進(jìn)行管理和收集，而在通信時，通過PUCCH（物理上行控制信道）傳輸至eNodeB，經(jīng)過eNodeB的處理之后，將測量報告形式和內(nèi)容進(jìn)行重新配置通過PDSCH（物理下行共享信道）進(jìn)行控制信息的重配置，具體的協(xié)議變化如圖4所示。采用Chief UE之后的D2D通信，在協(xié)議平面上，通過PDCP、RLC、MAC和PHY層進(jìn)行在用戶平面進(jìn)行協(xié)議交互，如圖4（b）所示。而傳統(tǒng)的UE與eNodeB之間的協(xié)議交互（如圖4（a）所示）則不再進(jìn)行。

3 D2D通信向蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的切換

為了使得通信保持較高的吞吐量和QoS，D2D通信應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)臅r候和條件下切換回到蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，而現(xiàn)在提出一個具有Chief UE的更加穩(wěn)定并且無縫的切換技術(shù)，如下所述：

圖4 通信協(xié)議示意圖

首先，就切換的場景和條件而言，對于切換的條件，將沿用傳統(tǒng)D2D通信時的切換條件，即在語音通信時，當(dāng)兩個UE之間的距離超過25 m或是信噪比超過-6 dB時[3]，需要將UE由D2D模式切換至蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模式。而當(dāng)在數(shù)據(jù)通信時，通信之間的傳輸是成對出現(xiàn)的，當(dāng)兩個UE之間的距離在25 m以上需要切換[4]。

其次，在進(jìn)行切換時，最重要的是保持原有的Chief UE的連接和管理，在此情況下進(jìn)行蜂窩網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)，即將UE還原至各個蜂窩網(wǎng)絡(luò)中eNodeB的管理連接。在各個UE與eNodeB的連接建立穩(wěn)定之后，再斷開Chief UE與eNodeB的連接。

D2D通信結(jié)束并且向蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換的具體過程：

（1） MME收到來自Chief UE通過PUCCH （物理上行控制信道）上傳給eNodeB的測量報告，顯示當(dāng)下的相關(guān)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了需要進(jìn)行切換回蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，即達(dá)到了上文中所屬判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。由于MME對于eNodeB的控制，此時，就將由MME對測量報告進(jìn)行判斷下發(fā)切換指令。

（2）在切換過程中，最重要的是，在切換之初，將保持原有的Chief UE與eNodeB之間的連接和Chief UE對其余D2D中UE的管理。與此同時，進(jìn)行蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信恢復(fù)，如圖5（a）所示。

（3）當(dāng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信恢復(fù)連接并且穩(wěn)定時，此時，再將包含Chief UE管理的整個D2D連接斷開，這樣能夠很好地達(dá)到無縫切換的目的。

（4）創(chuàng)建D2D連接和對D2D連接進(jìn)行斷開的信令流程分別如圖3（b）和圖5（b）所示。

（5）而通過上述的切換過程，能夠很好地達(dá)到與傳統(tǒng)D2D相比更加無縫切換的目的。而且，由于只有一個Chief UE與eNodeB進(jìn)行連接，此切換方法能夠很好地節(jié)約連接時的資源消耗。

圖5 通信切換過程中的連接及D2D切換時的信令流程

4 結(jié) 語

本文主要提出了兩個新的想法：提出了關(guān)于D2D中Chief UE的概念，并且優(yōu)化了具有Chief UE的D2D的切換的具體過程。

首先，對于Chief UE概念的提出，在D2D通信中有助于信令開銷的減少和對于通信中資源的節(jié)約。由圖3（b）可知，具有Chief UE的D2D通信仍然需要進(jìn)行會話發(fā)起協(xié)議的初始化，但是與傳統(tǒng)D2D通信不同的是，由于D2D將管理權(quán)限交給了Chief UE，所以在整個D2D通信過程中，UE與eNodeB之間沒有了信令交互，惟一存在的即是Chief UE與eNodeB之間的通信。

其次，在切換中，提出了新的切換流程，為了達(dá)到更好的無縫切換的目的。再切換開始之時，將保持D2D的各項連接的同時進(jìn)行正常的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信恢復(fù)，而其目的就在于可以通過這一方法很好地避免在切換過程中不穩(wěn)定情況的出現(xiàn)，即在保證正常地對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)的同時，不中斷D2D的連接，即在蜂窩網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定連接之前保證通信能夠穩(wěn)定地進(jìn)行。而在此提出的切換方法，能夠有效地進(jìn)行D2D到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。

最后，需要注意的是，采用了新的對于UE的管理方法——將D2D中的其他UE的管理權(quán)限交給了Chief UE，通過Chief UE進(jìn)行通信和管理，這樣一來在區(qū)域通信中，就使得一部分的eNodeB處于空閑狀態(tài)從而可以更有效地進(jìn)行其他UE的管理和通信，提高資源的利用率。由于現(xiàn)今對于D2D的研究還不是非常全面，相信在D2D通信方面還有很多值得研究和改進(jìn)的方面，而在未來的通信中，由于移動互聯(lián)網(wǎng)的廣泛的推廣和應(yīng)用，相信D2D將會成為LTE-A通信中重要的通信技術(shù)，并且由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)有限的頻譜資源，D2D將成為P2P通信中應(yīng)用最廣的通信技術(shù)。

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