面向5G的D2D通信技術(shù)評述

王建灃

摘 要 隨著智能終端設(shè)備不斷增加和網(wǎng)絡(luò)流量的持續(xù)上升，現(xiàn)有的通信技術(shù)已無法滿足未來通信要求。終端直通（Device-to-Device，D2D）通信作為第五代移動通信網(wǎng)（5G）的關(guān)鍵技術(shù)能有效緩解數(shù)據(jù)壓力，提高頻譜利用率。本文介紹了D2D的優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)分析了D2D通信中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，展望了D2D未來發(fā)展重點(diǎn)及主要方向。

【關(guān)鍵詞】D2D 5G 資源分配 MIMO

1 引言

移動通信技術(shù)產(chǎn)生至今已近半個(gè)世紀(jì)，用戶數(shù)量不斷增加，業(yè)務(wù)量不斷增長，網(wǎng)絡(luò)流量也持續(xù)上升，這些都對現(xiàn)有的4G通信技術(shù)提出了更高的要求。相比較起來5G通信技術(shù)有更大的優(yōu)勢，包括容量更高、數(shù)據(jù)速率更快、端到端時(shí)延更小、開銷更低、大規(guī)模設(shè)備連接和始終如一的用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoS）等。終端直通（Device-to-Device，D2D）通信技術(shù) 是指臨近的移動終端通過運(yùn)營商授權(quán)頻譜直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP列入新一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展框架中，成為第五代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中，一旦D2D通信鏈路建立起來，傳輸數(shù)據(jù)就無需核心設(shè)備或中間設(shè)備的干預(yù)，這樣可降低通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓力，大大提升頻譜利用率和吞吐量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量。具體優(yōu)勢可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)備與設(shè)備間的通信距離縮短，用較小的傳輸功率獲得較大的傳輸速率；

（2）傳統(tǒng)蜂窩通信方式需要基站進(jìn)行中繼傳輸，D2D通信不需要網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)從而有效減輕基站負(fù)擔(dān)；

（3）D2D通信模式下，用戶可以復(fù)用小區(qū)中其他用戶的頻譜資源接入網(wǎng)絡(luò)，從而提高頻譜利用率；

（4）D2D通信因?yàn)椴恍枰局欣^，因此在基站故障或損壞情況下也能正常通信。

2 D2D通信關(guān)鍵技術(shù)

未來的無線通信系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)融合的方向發(fā)展，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D技術(shù)，在提高數(shù)據(jù)傳輸速率、降低傳輸功率、提升網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí)，也給通信系統(tǒng)帶來新的問題。比如，無線資源分配更加復(fù)雜、通信干擾等問題。因此，必須解決D2D通信中的關(guān)鍵技術(shù)問題，其中包括：D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)、資源分配、干擾管理和D2D-MIMO等多種通信網(wǎng)絡(luò)與通信過程。

2.1 D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)

D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)是指一個(gè)終端設(shè)備識別附近的另一個(gè)終端設(shè)備的過程，也是D2D通信連接的前提條件。目前D2D設(shè)備的發(fā)現(xiàn)方案有兩種：基于核心網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)方案和基于direct空口的發(fā)現(xiàn)方案?；诤诵木W(wǎng)的發(fā)現(xiàn)方案中，通過精準(zhǔn)的定位技術(shù)，核心網(wǎng)可以很快速地獲取到移動終端的地理位置信息，因此也可以比較簡單的判斷一個(gè)移動終端附近存在哪些其他移動終端，并將這些位置判決信息，包括移動終端的身份信息告知給有D2D發(fā)現(xiàn)請求的移動終端，從而完成發(fā)現(xiàn)過程。而基于direct空口的發(fā)現(xiàn)，是通過移動終端間直接進(jìn)行D2D發(fā)現(xiàn)信號的發(fā)射和檢測，來感知并識別相鄰的移動終端，這種方案可以降低終端和網(wǎng)絡(luò)對定位功能的依賴，即使地理位置上并非臨近，只要信號可達(dá)即可發(fā)現(xiàn)。

2.2 D2D資源分配

在D2D通信與傳統(tǒng)通信方式并存的網(wǎng)絡(luò)中，由于D2D復(fù)用資源，系統(tǒng)必須保證蜂窩用戶通信和D2D用戶通信都能順利進(jìn)行。而D2D對于資源的復(fù)用由基站控制，只要通過合理的功率控制和資源分配，就能夠保證D2D和蜂窩用戶正常通信。綜合考慮用戶QoS需求和功率控制等因素，可根據(jù)以下原則進(jìn)行資源分配：

（1）根據(jù)用戶距離，基站搜索所有可以接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶，并為其找到所有可供復(fù)用通道的蜂窩用戶。由于D2D直通鏈路距離短，用戶可以使用較小的發(fā)射功率滿足其QoS需求，而不損害雙方的通信質(zhì)量，從而提高資源利用效率。

（2）在D2D用戶和蜂窩用戶復(fù)用信道時(shí)進(jìn)行最優(yōu)功率分配。根據(jù)凸優(yōu)化理論得到最優(yōu)功率值的閉合解。

（3）D2D用戶和蜂窩用戶最優(yōu)信道分配。采用圖論中加權(quán)二部圖最優(yōu)匹配算法，為可接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶找到最合適的復(fù)用搭檔以最大化網(wǎng)絡(luò)中蜂窩用戶和D2D用戶的總體吞吐量。

2.3 干擾管理

D2D通信與傳統(tǒng)通信方式并存的局面也將帶來D2D用戶與蜂窩用戶間的干擾，其中包括蜂窩內(nèi)干擾與蜂窩間干擾。因此減小用戶間干擾，提升通信的QoS，是D2D通信必須解決的重要問題。目前有效的干擾管理方式主要有：

2.3.1 功率控制

當(dāng)一個(gè)信道同時(shí)被多個(gè)用戶復(fù)用時(shí)，由于鏈路之間的相互干擾，通過功率控制來最大化通信速率。

2.3.2 數(shù)字信號處理技術(shù)

通過基站預(yù)編碼設(shè)計(jì)，把蜂窩用戶的信號集中在D2D用戶接收端的零空間上進(jìn)行傳輸，從而減小對D2D用戶的干擾。

2.3.3 調(diào)配機(jī)制

合理地調(diào)配時(shí)域、頻域和空域資源，可以有效減少用戶間的干擾。在時(shí)域方面利用跳時(shí)機(jī)制來分散D2D用戶在同一時(shí)間上的干擾；在頻域方面，利用著色理論優(yōu)化D2D用戶和蜂窩用戶的信道配對來提高系統(tǒng)總體性能；在空域方面，通過限制蜂窩用戶和復(fù)用其信道的D2D用戶間的距離來控制相互直接的干擾。

2.4 D2D-MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。在D2D-MIMO系統(tǒng)中，通過在基站進(jìn)行合理的下行預(yù)編碼，將發(fā)射波束對準(zhǔn)其復(fù)用的蜂窩用戶，而在D2D用戶方向上形成零陷，從而減小D2D用戶和蜂窩用戶間的干擾。MIMO技術(shù)的優(yōu)勢還在于通過增大天線的數(shù)量來傳輸信息子流，將多個(gè)數(shù)據(jù)子流同時(shí)發(fā)送到信道上，各發(fā)射信號占用同一頻帶，從而在不增加頻帶寬度的情況下增加頻譜利用率。同時(shí)可以使無線信號的傳輸距離、天線的接受范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，信號抗干擾性更強(qiáng)，無線傳輸更為精準(zhǔn)快速，提升通信的QoS。

3 總結(jié)與展望

本文對D2D關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與概括，分別從D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)與資源分配、干擾管理、D2D-MIMO四個(gè)方面對現(xiàn)有研究方案進(jìn)行分類與總結(jié)。D2D通信技術(shù)利用通信雙方距離近的優(yōu)勢，可以給用戶提供高速率、低時(shí)延和低功耗的本地化通信服務(wù)，而且能減輕基站的負(fù)擔(dān)、提高系統(tǒng)頻譜利用率，從而降低運(yùn)營商由于擴(kuò)容帶來的運(yùn)行成本。但是，D2D通信和普通蜂窩通信共享運(yùn)營商頻譜資源，給現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)帶來了更加復(fù)雜的電磁干擾，而干擾是影響系統(tǒng)容量和保證用戶QoS需求的關(guān)鍵因素。如果干擾不能得到有效控制，D2D通信會損害普通蜂窩通信用戶的通信質(zhì)量從而降低系統(tǒng)的總體性能。因此，D2D通信干擾管理和資源分配將是未來的研究重點(diǎn)。

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作者單位

華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北省保定市 071051