D2D通信關鍵技術與應用 課件 第一章

D2D通信關鍵技術與應用D2D通信關鍵技術與應用主編：王義君1緒論1.1D2D技術概況1.3D2D通信架構及標準1.2D2D通信分類及技術特點1.4D2D通信關鍵技術及評價指標1.5本章小結1.1D2D技術概況D2D（devicetodevice）技術是指通信網(wǎng)絡中近鄰設備之間直接交換信息的技術。什么是D2D技術？為什么要引進D2D技術？D2D通信鏈路建立后，數(shù)據(jù)傳輸過程無需核心設備或中間設備干預，可降低通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)壓力，提升頻譜利用率和吞吐量，擴大網(wǎng)絡容量，保證通信網(wǎng)絡能更為靈活、智能、高效地運行。1.1D2D技術概況D2D通信通常對蜂窩網(wǎng)絡是不透明的，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)絡中，即使通信雙方在基于鄰近性的D2D通信范圍內(nèi)，終端設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)速率移動服務如語音通話和短信當今蜂窩網(wǎng)絡中的移動用戶絕大多數(shù)需要高數(shù)據(jù)速率服務（如視頻共享、游戲、鄰近感知社交網(wǎng)絡）在這些服務中，D2D通信在頻譜效率、網(wǎng)絡吞吐量和公平性等方面具有絕對優(yōu)勢1.1D2D技術概況什么是蜂窩網(wǎng)絡D2D通信技術？隨著無線通信技術的發(fā)展，為了提高蜂窩通信系統(tǒng)的各方面性能指標，工程技術人員和科研學者將蜂窩移動通信與短距離設備間相互通信相結合，形成了現(xiàn)階段研究較為廣泛的蜂窩網(wǎng)絡D2D通信技術。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)絡分離，通過此方式，它不僅可以消除數(shù)據(jù)傳輸和相關信令對回程和核心網(wǎng)絡造成的負載負擔，還可以減少在中心網(wǎng)絡節(jié)點管理流量所需的額外工作。1.1.1D2D通信的5G應用場景1.1D2D技術概況場景1：本地數(shù)據(jù)信息交互場景2：超密集網(wǎng)絡情形下的多用戶內(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)絡應用擴展1.2.1D2D通信分類1.2D2D通信分類及技術特點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)絡頻譜資源的復用，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通信分類及技術特點ControlledD2D-U模式：在ControlledD2D-U模式中，基站提供控制平面信令，設備進行未授權頻譜中的數(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?，信令控制由D2D-U網(wǎng)絡設備提供。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技術特點1.2D2D通信分類及技術特點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技術特點1.2D2D通信分類及技術特點雖然D2D通信具有上述技術優(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挑戰(zhàn)，主要包括：用戶體驗方面的挑戰(zhàn)技術實現(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1.3D2D通信架構及標準當D2D-U用戶發(fā)起D2D通信時，無論何種無線網(wǎng)絡通信方式，用戶端通過應用服務器提供的服務內(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通信架構實現(xiàn)。1.3.2D2D-L通信協(xié)議標準—Prose1.3D2D通信架構及標準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協(xié)議（ProSe），其架構模型如圖所示。ProSe用于網(wǎng)絡相關動作的邏輯功能表述，為用戶設備提供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)的應用程序ID和應用程序代碼的映射。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用，即設備與設備之間的通信；而SL描述的是信道結構，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通信架構及標準STCH用于承載ProSe應用用戶信息的數(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，整個模式重復將重復執(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通信關鍵技術1.4D2D通信關鍵技術及評價指標（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鍵因素。（2）中繼選擇：D2D中繼選擇可保證網(wǎng)絡覆蓋范圍內(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通信關鍵技術1.4D2D通信關鍵技術及評價指標（4）功率控制：當下D2D用戶的功率控制可分為靜態(tài)功率設置與動態(tài)功率設置。（5）同步技術：D2D同步目前可分為基站覆蓋同步和異構網(wǎng)絡同步；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)絡分布的性質(zhì)，D2D通信網(wǎng)絡安全引起了學術界的廣泛關注。在D2D網(wǎng)絡中開發(fā)網(wǎng)絡安全協(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通信關鍵技術及評價指標D2D通信技術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浚呛饬客ㄐ畔到y(tǒng)和終端設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。（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)絡中，系統(tǒng)吞吐量指單位時間內(nèi)通過該網(wǎng)絡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D2D通信作為5G及未來6G移動通信網(wǎng)絡的關鍵技術，可有效提升資源利用效率、豐富業(yè)務類型和降低核心網(wǎng)網(wǎng)絡負擔，其技術優(yōu)勢可保證網(wǎng)絡運行的可靠性。本章首先介紹了D2D通信的技術概況，并給出了D2D通信的5G應用場景。隨后對D2D技術分類和技術特點兩個方面的相關內(nèi)容進行了闡述，并提出D2D通