面向5G通信網的D2D技術綜述

面向5G通信網的D2D技術綜述摘要：隨著智能終端設備不斷增加和網絡流量的持續(xù)上升，現(xiàn)有的通信技術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(5G)的關鍵技術能有效緩解數(shù)據壓力，提高頻譜利用率。本文介紹了D2D的優(yōu)點，詳細分析了D2D通信中的關鍵技術環(huán)節(jié)，展望了D2D未來發(fā)展重點及主要方向。關鍵詞：D2D5G資源分配MIMO一、 D2D技術的含義D2D(devicetodevice)技術是指通信網絡中近鄰設備之間直接交換信息的技術。通信系統(tǒng)或網絡中，一旦D2D通信鏈路建立起來，傳輸數(shù)據就無需核心設備或中間設備的干預，這樣可降低通信系統(tǒng)核心網絡的數(shù)據壓力，大大提升頻譜利用率和吞吐量，擴大網絡容量，保證通信網絡能更為靈活、智能、高效地運行，為大規(guī)模網絡的零延遲通信、移動終端的海量接入及大數(shù)據傳輸開辟了新的途徑。目前，標準化組織3GPP已經把D2D技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(5G,5-generation)的關鍵技術之一近年來，爆炸式增長的智能設備與緊缺的頻譜資源矛盾日現(xiàn)，國內外很多學者試圖通過頻譜資源再分配等方法解決這個矛盾，而事實上很難實現(xiàn)。2015年3月，李克強總理在政府工作報告中首次提出"互聯(lián)網+”行動計劃，以推動移動互聯(lián)網、云計算、大數(shù)據、物聯(lián)網(IoT’Intemetofthings)等與現(xiàn)代制造業(yè)結合。同年5月，國務院發(fā)布了和德國工業(yè)4.0同樣壯觀的“中國制造2025”計劃。這意味著新興的通信技術和網絡技術將滲透業(yè)、農業(yè)、軍事、交通、醫(yī)療和城市建設的各個方面，將形成一個智能化、個性化、大規(guī)模的通信網，將產生智慧城市D2D、智能家居D2D、車載D2D和可穿戴設備D2D。即利用下一代移動通信技術、物聯(lián)網技術和D2D技術，實現(xiàn)物理層面和網絡層面的近距離、大規(guī)模通信。反之，離開上述新興技術，“中國制造2025”將沒有內涵。二、 通信網絡整體結構D2D通信可以分為基于互聯(lián)網的D2D連接和基于移動通信技術的D2D連接。拋開網絡的整體而孤立地談D2D是沒有意義的?；诨ヂ?lián)網的D2D連接，網絡架構相對比較簡單，但在新的短距離通信技術誕生之前，依靠現(xiàn)有的wi-Fi、Bluetooth、ZigBee技術，無法承載大規(guī)模的D2D連接，況且，拋開移動通信龐大的基礎設施、科研群體及長期積累的理論、應用方面的研究成果，搭建相對獨立或僅依賴于互聯(lián)網的D2D通信系統(tǒng)，大規(guī)模接入時，系統(tǒng)性能無法保證，拓展空間有限；而基于移動通信技術的D2D連接，相對比較復雜，其研發(fā)過程與5G移動通信技術是綁定的。國內外相關組織先后啟動了56、后5G的研究，如我國的IMT-2020推進組、歐盟的5GPPP(5Gpublicprivatepartnership)等，計劃2020年運營。屆時，基于5G的D2D將充分利用新一代移動通信技術的前所未有的超大帶寬、超高數(shù)據傳輸速率、大規(guī)模接入能力和大數(shù)據處理能力，彰顯其優(yōu)勢，這是基于互聯(lián)網的D2D連接無法比擬的。這意味著2020年產生的移動通信網是一個超大規(guī)模的網絡，是一個空前復雜的網絡，是一個真正意義上的異構網絡。對此，研究者們引入網絡功能虛擬化、數(shù)據面與控制面分離等思想，將網絡功能虛擬化NVFnetworkfunctionvirtualization)、軟件定義網絡(SDN，softwaredefinednetwork)、邊緣計算（edgecomputing）引、窄帶物聯(lián)網B—IoT,narrowbandintemetofthings）和D2D通信等作為5G的關鍵技術，充分利用和發(fā)揮網絡虛擬化功能，提升網絡整體的承載和計算能力，簡化網絡管理，實現(xiàn)網絡終端設備的大規(guī)模接入。三、D2D通信關鍵技術3.1D2D設備發(fā)現(xiàn)D2D設備發(fā)現(xiàn)是指一個終端設備識別附近的另一個終端設備的過程，也是D2D通信連接的前提條件。目前D2D設備的發(fā)現(xiàn)方案有兩種：基于核心網的發(fā)現(xiàn)方案和基于direct空口的發(fā)現(xiàn)方案?；诤诵木W的發(fā)現(xiàn)方案中，通過精準的定位技術，核心網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絡對定位功能的依賴，即使地理位置上并非臨近，只要信號可達即可發(fā)現(xiàn)。3.2D2D資源分配在D2D通信與傳統(tǒng)通信方式并存的網絡中，由于D2D復用資源，系統(tǒng)必須保證蜂窩用戶通信和D2D用戶通信都能順利進行。而D2D對于資源的復用由基站控制，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，可根據以下原則進行資源分配:（1） 根據用戶距離，基站搜索所有可以接入網絡的D2D用戶，并為其找到所有可供復用通道的蜂窩用戶。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量，從而提高資源利用效率。（2） 在D2D用戶和蜂窩用戶復用信道時進行最優(yōu)功率分配。根據凸優(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。采用圖論中加權二部圖最優(yōu)匹配算法，為可接入網絡的D2D用戶找到最合適的復用搭檔以最大化網絡中蜂窩用戶和D2D用戶的總體吞吐量。3.3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：3.3.1功率控制當一個信道同時被多個用戶復用時，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。3.3.2數(shù)字信號處理技術通過基站預編碼設計，把蜂窩用戶的信號集中在D2D用戶接收端的零空間上進行傳輸，從而減小對D2D用戶的干擾。3.3.3調配機制合理地調配時域、頻域和空域資源，可以有效減少用戶間的干擾。在時域方面利用跳時機制來分散D2D用戶在同一時間上的干擾；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用其信道的D2D用戶間的距離來控制相互直接的干擾。3.4D2D-MIMO技術MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(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天線傳送和接收，從而改善通信質量。在D2D-MIMO系統(tǒng)中，通過在基站進行合理的下行預編碼，將發(fā)射波束對準其復用的蜂窩用戶，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，將多個數(shù)據子流同時發(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。同時可以使無線信號的傳輸距離、天線的接受范圍進一步擴大，信號抗干擾性更強，無線傳輸更為精準快速，提升通信的QoS?？偨Y與展望：本文對D2D關鍵技術進行了總結與概括，分別從D2D設備發(fā)現(xiàn)與資源分配、干擾管理、D2D-MIMO四個方面對現(xiàn)有研究方案進行分類與總結。D2D通信技術利用通信雙方距離近的優(yōu)勢，可以給用戶提供高速率、低時延和低功耗的本地化通信服務，而且能減輕基站的負擔、提高系統(tǒng)頻譜利用率，從而降低運營商由于擴容帶來的運行成本。但是，D2D通信和普通蜂窩通信共享運營商頻譜資源，給現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)帶來了更加復雜的電磁干擾，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。參考文獻：王斌.提高LTE下含D2D通信的蜂窩網絡公平性方案[J].北京郵電大學學報，2015，38(2)：21—26