无线通信网络中的D2D技术发展范文

摘要:

分析了当前无线通信技术的局限性,以及分析未来无线通信技术的需求和演进方向;在分析未来通信技术特点的基础上,介绍了面向5G的关键候选技术——设备到设备通信D2D技术,并分析了D2D技术的原理、网络架构,以及D2D技术的应用效果。最后,在未来的无线通信中,提出D2D技术将主要从高用户密度下的D2D机制、功率控制、资源分配三个方向发展。

关键词:

D2D；高用户密度；功率控制；资源分配

1D2D通信的重要性

蜂窝通信经历了从第1代以话音业务为代表的模拟式移动电话系统,到正大规模商用的第4代(4G)以移动数据、移动计算及移动多媒体为代表的无线宽带系统的持续演进。当前阶段,随着智能终端的快速普及以及网络通信容量的爆炸式增长,面向5G的无线通信技术的演进需求也更加明确及迫切,开始受到业界极大的关注。在面向5G的无线通信技术的演进中,一方面,传统的无线通信性能指标,比如网络容量、频谱效率等需要持续提升以进一步提高有限且日益紧张的无线频谱利用率;另一方面,更丰富的通信模式以及由此带来的终端用户体验的提升以及蜂窝通信应用的扩展也是一个需要考虑的演进方向。作为面向5G的关键候选技术,D2D具有潜在的提高系统性能、提升用户体验、扩展蜂窝通信应用的前景,受到广泛关注[1-6]。

2D2D通信的原理及意义

2.1D2D通信原理

基于蜂窝通信网络的D2D通信,或称为邻近服务(ProximityService,ProSe),是指用户数据可不经基站中转而直接在终端之间传输。D2D通信与传统的蜂窝通信网络架构有显著区别,如图1所示。蜂窝通信网络引入D2D通信,基站只负责用户之间的控制信令,极大地减轻基站侧的传输负担,提升频谱效率,降低终端发射功率,同时可以提高网络吞吐量,满足用户对高数据速率业务的需求[7-9]。当移动通信基础设施受到损坏(如地震破坏、人为破坏等),或在蜂窝通信网络的覆盖盲区,终端通过D2D技术实现与其它终端的通信,甚至可以通过其它终端中继接入蜂窝通信网络[10-11]。

2.2D2D通信的意义

(1)提高频谱利用率。在D2D通信模式下,用户数据直接在终端之间传输,避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输,由此产生链路增益;其次,D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源可以复用,由此可产生资源复用增益;通过链路增益和资源复用增益则可提高无线频谱资源的效率,进而提高网络吞吐量。(2)提升用户体验。随着移动通信服务和技术的发展,具有邻近特性的用户间近距离的数据共享、小范围的社交和商业活动以及面向本地特定用户的特定业务,都在成为当前及下阶段无线平台中一个不可忽视的增长点。基于邻近用户感知的D2D技术的引入,有望提升上述业务模式下的用户体验。(3)扩展通信应用。传统无线通信网络对通信基础设施的要求较高,核心网设施或接入网设备的损坏都可能导致通信系统的瘫痪。D2D通信的引入使得蜂窝通信终端建立AdHoc网络成为可能。当无线通信基础设施损坏,或者在无线网络的覆盖盲区,终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络,无线通信的应用场景得到进一步的扩展。值得注意的是,D2D通信在3GPPLTE系统中的标准化工作已经从LTERelease-12版本开始讨论。遗憾的是,LTERelease-12系统的D2D通信是一个只包括广播通信模式的功能非常有限的版本。D2D的潜在增益及应用场景需要在未来的5G系统中进一步发掘。

3D2D通信研究现状

D2D通信作为4G以及未来5G技术中的一项关键技术,一直备受关注,3GPP组织从2013年4月的RAN1#72BIS会议开始,着重对D2D技术进行研讨,D2D技术日趋成熟。与物联网中的M2M(Machine-to-Machine)概念类似,D2D旨在使一定距离范围内的用户通信设备直接通信,以降低对服务基站的负荷。在D2D技术出现之前,已有类似通信技术出现,如10几年前的蓝牙(短距离时分双工通信),Wi-FiDirect(更快的传输速度和更远的传输距离)和高通提出的FlashLinQ技术(极大地提高了Wi-Fi的传输距离)。后两种技术由于各种原因都没能大范围商用,而3GPP组织致力研究的D2D技术会在一定程度上弥补点对点通信的短板。对于其它不依靠基础网络设施的直通技术而言,D2D更加灵活。既可以在基站控制下进行连接及资源分配,也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互。最近又提出一种中继情况,处于无网络覆盖情况下的用户可以把处在网络覆盖中的用户设备作为跳板,从而接入网络。3GPP组织制定的Release12版本中,将D2D定义为LTEDevicetoDeviceProximityServices,并通过TR36.843技术报告不断完善D2D的标准[12]。

4D2D通信网络的发展趋势与关键技术

4.1高用户密度下的D2D机制

未来无线通信的特点是高密度,大流量的无线网络需求,而目前的无线网络中,的基站大都由专有平台开发,运营商很难实现大量基站的统一管理和维护,需要大量专业人员来维护这些不兼容的平台,这将导致网络的运营和维护成本又进一步增加。因此未来5G技术已经将新型网络架构作为其关键技术,而D2D技术在新型网络构架下的具体机制就成为一个有意义的研究方向。

4.2资源分配

由于共享无线信道资源是无线通信的特点,而D2D与传统的无线通信比较,其用户的模式不仅有传统的用户到基站的通信方式,而且还有用户之间直连的通信模式。再加上未来通信的特点是用户密度高,业务流量大,用户业务多样的特点,这就使得网络中的资源分配更加复杂,因此研究这种情况下的无线资源分配就会成为一个有意义的研究方向。

4.3功率控制

随着无线通信技术的发展以及移动设备成本的降低,移动终端用户的数量呈现迅速增加的状态,而这就会带来终端之间的相互干扰,需要对终端进行功率控制,一方面保证用户能够正常的通信,另一方面降低用户之间的干扰。而应用D2D以后,使得网络状态变得更加复杂,因此适应该种环境的功率控制就成为一个有意义的研究方向。

5结语

未来的5G通信技术特点是节点密度大,业务类型繁杂,而D2D通信技术正是适应了改应用特点,从而必将成为未来5G的关键技术之一,本文在介绍了D2D技术原理的基础上对D2D技术的技术特点进行分析,得出该技术具有提高频谱利用率、提高用户体验和扩展用户应用的特点,并且结合未来5G网络的特点提出高用户密度特点下的D2D机制,以及功率控制和资源分配是未来D2D技术的重要发展方向。

参考文献：

[7]西安电子科技大学.一种基于负载的小区间D2D用户模式选择方法.中国:103313309[P].2013-09-18.

[8]上海交通大学.蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法.中国:103338452[P].2013-10-02.

[9]华为技术有限公司.基于稀疏多维扩频的终端协作的系统和方法.中国:104838371[P].2015-08-12.

[10]浙江大学.宏蜂窝与小蜂窝异构网络下的用户接入方法.中国:103442409[P].2013-12-11.

[11]富士通株式会社.无线通信系统.中国:104080097[P].2014-10-01.

作者：梁玮 李云鹏 覃凤谢 单位：国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心审查业务部 重庆邮电大学通信与信息工程学院