《D20D通信關鍵技術與應用》全套教學課件

D2D通信關鍵技術與應用D2D通信關鍵技術與應用

全套可編輯PPT課件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(jié)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(jié)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)目刂破矫嫘帕睿帕羁刂朴蒁2D-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(jié)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?，是衡量通信系統(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(jié)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通信面臨的技術挑戰(zhàn)。同時，對D2D-U背景下的通信架構和D2D-L背景下的協(xié)議標準進行了較為全面的介紹。最后，闡述了包括資源分配、中繼選擇、緩存與卸載、功率控制、同步技術和安全傳輸?shù)腄2D關鍵技術，并總結(jié)了D2D通信系統(tǒng)性能評價指標。思考題QUESTION:1.什么是D2D通信？2.面向蜂窩網(wǎng)絡的D2D通信協(xié)議主要包括哪些？3.D2D通信的技術特點是什么？4.D2D通信的關鍵技術包括哪些？5.簡述可以衡量D2D通信系統(tǒng)性能的評價指標。2D2D信道建模2.1概述2.3D2D通信信道模型2.2隨機信道模型2.4本章小結(jié)2.1概述

為驗證、優(yōu)化和設計無線通信系統(tǒng)，前期需要對無線信道進行建模。毫米波通信信道模型可分為確定性毫米波模型和隨機性毫米波模型。本章具體描述3GPP標準TR38.901推薦的隨機模型。5G通信系統(tǒng)的3GPP標準化時間表如下圖所示：2.2隨機信道模型

隨機信道模型包括大尺度衰落和小尺度衰落兩部分。什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？大尺度衰落--當電磁波信號通過一段較長的距離時會產(chǎn)生大尺度衰落，一般是由信道的路徑損耗（關于距離和頻率的函數(shù)）和大的障礙物（如建筑物，中間地形和植被）所形成的陰影引起。小尺度衰落--當電磁波信號在較小的范圍內(nèi)傳輸時，會觀察到其瞬時接收場強的快速波動的一種現(xiàn)象。2.2.1大尺度衰落模型2.2隨機信道模型對于大尺度衰落模型，用戶首先設置應用場景、天線數(shù)量和速度參數(shù)，然后通過下圖流程獲得信道參數(shù)。2.2.1大尺度衰落模型

下面將從典型場景介紹不同的大尺度衰落模型（1）自由空間傳播模型用于預測接收機和發(fā)射機之間為完全無阻擋的視距路徑時接收信號的場強。弗里斯（Friis）公式：

2.2.1大尺度衰落模型路徑損耗：有效發(fā)射功率與接收功率之間的差值。對于沒有任何系統(tǒng)損耗（L=1）的自由空間路徑損耗：當包含天線增益時，路徑損耗：不包括天線增益時，假設天線具有單位增益路徑損耗：2.2.1大尺度衰落模型下面將從典型場景介紹不同的大尺度衰落模型。（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型距離功率斜率：實際的信道環(huán)境中，平均接收信號功率宇自由空間的路徑損耗同樣隨距離d呈對數(shù)方式衰減，引入路徑損耗指數(shù)α，可修正自由空間的路徑損耗模型。

2.2隨機信道模型環(huán)境自由空間2市區(qū)蜂窩無線傳播2.7-3.5存在陰影衰落的市區(qū)蜂窩無線傳播3-5建筑物內(nèi)的視距傳播1.6-1.8有建筑物阻擋4-62.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型不同環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)：2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型

為計算方便，通常對距離功率斜率進行變換，以分貝的形式可表示為：

2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型則上式為對數(shù)距離路徑損耗模型。表示總路徑損耗等于第1米的路徑損耗加上相對于第1米的接收功率的損耗。通常用來表示D2D通信中距離與功率的關系。如果用dB定義1米的路徑損耗為則路徑損耗為

2.2.1大尺度衰落模型（2）對數(shù)距離路徑損耗與對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型陰影衰落（慢衰落）--因為位置不同而導致信號強度變化的現(xiàn)象。因為接收信號受到建筑物等其他物體的阻礙而使得接收信號強度圍繞著平均值波動。

2.2隨機信道模型2.2.1大尺度衰落模型（3）其他路徑損耗模型大蜂窩區(qū)的路徑損耗模型宏蜂窩區(qū)的路徑損耗模型微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型室內(nèi)微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型毫微微蜂窩區(qū)的路徑損耗模型2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型小尺度衰落--是指無線電信號在短時間或短距離（若干波長）傳播后其幅度、相位或多徑時延的快速變化。計算和生成小尺度參數(shù)和系數(shù)的過程：2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型對上式升序排序：簇功率：延遲：比例延遲為：2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型對所有簇功率進行歸一化，使所有簇功率之和等于1，即：N是簇的數(shù)量對于LOS條件，向第一個簇中添加額外的鏡面分量，并且簇功率被標準化為：

2.2隨機信道模型2.2.2小尺度衰落模型

導致信號幅度快速波動的兩種效應：多徑衰落和多普勒效應。（1）多徑衰落模型多徑衰落的常見分布是Rayleigh分布，其概率密度函數(shù)：（2）Rayleigh衰落信道的多普勒頻譜模型經(jīng)典多普勒頻譜：2.3D2D通信信道模型D2D通信鏈路信道的物理特征：（1）低天線高度（2）短距離通信（3）終端移動性（4）通信頻率2.3D2D通信信道模型3GPP為了保證D2D研究的標準化，在第73次3GPPTSGRANWGI會議上，給出了D2D評估方法和信道模型標準如下：應用場景室外-室外室外-室內(nèi)室內(nèi)-室內(nèi)路徑損耗WINNERⅡB1場景加上10dB偏移雙帶模型；WINNERB4場景加上10dB偏移雙帶模型；ITU-RInH模型添加ITU-RUMi場景的視距概率陰影衰落8dB對數(shù)正態(tài)分布；假設為獨立同分布，即未進行相關性建?？焖偎ヂ洳捎脤ΨQ的角度（離開角，到達角）擴展分布；修正ITU-RUMi和InH場景模型以適應收發(fā)端的雙移性2.3D2D通信信道模型

從信道建模的角度來看，不同的D2D通信類型將導致不同的通信應用場景，從而可建立不同的D2D信道模型。D2D通信系統(tǒng)2.3D2D通信信道模型

常用的D2D信道模型主要會考慮大尺度路徑損耗和小尺度路徑損耗。

蜂窩小區(qū)內(nèi)子信道上發(fā)射端到接收端的瞬時信道增益可建模為：G為路徑損耗常數(shù)，h和β分別是具有對數(shù)正態(tài)陰影的大尺度衰落和具有指數(shù)分布的小尺度衰落增益。2.3D2D通信信道模型D2D通信信道建模例子:此例子定義的D2D場景分為兩類，即M2M（移動對移動）和F2M（固定對移動），同時將收發(fā)端不等高的傳統(tǒng)F2M場景稱為CF2M（傳統(tǒng)固定對移動）場景。（1）信道測試收發(fā)端均配置全向陣列天線（ODA）天線，測量系統(tǒng)主要參數(shù)如表所示：參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值中心頻率5.25GHzRx天線單元數(shù)18發(fā)射頻率+26dBmTx天線高度1.5m帶寬（空對空）200MHzRx天線高度1.5mTx天線單元數(shù)18極化類型交叉極化2.3D2D通信信道模型測試場景：樓道對樓道、樓道對房間和房間對房間三種，涵蓋LoS（視距）和NLoS（非視距）情形。對于每個場景，信道測量均涵蓋F2M、M2M同向運動以及M2M相向運動三種情形，共采集大約2500個快照的數(shù)據(jù)用于分析和信道參數(shù)提取。測量過程中，小車移動時保持1m/s勻速行駛。收發(fā)端高度為1.5m。2.3D2D通信信道模型（2）D2D信道接受信號幅度分布

設x和y為相互獨立，且服從瑞利分布的隨機變量，則z=xy服從雙瑞利分布，其概率密度函數(shù)PDF如下所示：

2.3D2D通信信道模型考慮單次、二次和多次散射環(huán)境下的多徑傳播效應，接收信號復振幅可表示為：

2.3D2D通信信道模型實驗結(jié)果表明：（1）不同于CF2M信道中LoS和NLoS接收信號幅度分別服從萊斯分布和瑞利分布的普遍結(jié)論。（2）室內(nèi)M2M信道的LoS和NLoS接收信號幅度分別更傾向于服從瑞利-萊斯混合分布和瑞利-雙瑞利混合分布。2.3D2D通信信道模型（3）D2D信道多普勒功率譜

2.3D2D通信信道模型

不失一般性，設=0。那么t時刻到t+時刻信道的自相關函數(shù)有：

式中α和β分別表示水平面和垂直面的AoA（到達角）和分別表示α和β的概率密度函數(shù)。

2.3D2D通信信道模型

2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對上式中的自相關函數(shù)進行傅里葉變換可得到對應的功率譜密度函數(shù)：第一類零階貝塞爾函數(shù)假設CF2M場景下P在（0,2π]均勻分布，Rx端使用全向天線，則2D自相關函數(shù)由下式推導得出：2.3D2D通信信道模型2.3D2D通信信道模型

對于上式中2DM2M信道自相關函數(shù)可擴展為：

為求得3D多普勒功率譜表達式，聯(lián)合自相關函數(shù)的求解是必需的，故AoA和AoD的在水平面和垂直面的分布是必要的已知條件。2.4小節(jié)本章對最新的D2D通信信道研究進行了較為全面的綜述，以促進面向信道的D2D通信系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。回顧和比較了若干典型的信道模型及其在D2D場景中應用的可行性。討論了該研究領域未來面臨的技術挑戰(zhàn)，證明了D2D信道建模是實現(xiàn)D2D通信的關鍵技術基礎。2.4小節(jié)第二章思考題QUESTION:隨機信道模型包含哪兩部分？它們之間的區(qū)別是什么？視距傳播距離和天線高度有什么關系？D2D通信鏈路具備哪些特征？并展開說明。3D2D資源分配技術3.1概述3.3干擾管理3.2資源管理3.4資源分配3.5本章小結(jié)3.1概述D2D資源分配的優(yōu)點：靈活、泛在的可用性和低成本，直連通信。D2D資源分配的特點：1）是用戶之間共享資源，2）是用戶擁有專用的資源。

多數(shù)情況下蜂窩用戶具有專用的信道（頻譜）資源，而D2D用戶占用剩余的信道資源或復用蜂窩用戶占用的信道資源。3.1概述

設計結(jié)構化功率控制算法需要考慮的重要參數(shù)是最大發(fā)射功率、每個資源塊的目標接收功率、資源塊的數(shù)量和路徑損耗，對于未來的發(fā)展方向，需要有效的資源分配技術來滿足5G及未來6G的要求，以實現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡中基站最小的信令開銷，獲得可接受的用戶數(shù)據(jù)速率，最大的網(wǎng)絡吞吐量和能量效率等需求。3.2資源管理資源管理主要分為集中式和分布式資源管理。資源管理集中式分布式3.2.1集中式資源管理3.2資源管理

集中式資源分配由一個中心基站負責為各條鏈路分配資源，其優(yōu)勢是可以進行全局優(yōu)化，獲得最優(yōu)的性能。集中式資源分配可以進一步分為集中控制和半集中控制，其中半集中式控制可以看作是集中式與分布式資源分配的結(jié)合機制。集中式資源分配半集中控制集中式分布式集中控制3.2.2分布式資源管理3.2資源管理在分布式資源管理中，每個D2D發(fā)射端所占用的資源由用戶自己決定。分布式資源管理如果實現(xiàn)用戶之間的信息交互，則可以更好地進行資源的選擇，避免沖突。如圖3-1所示：圖3-1分布式資源分配3.2.2分布式資源管理3.2資源管理用戶A和用戶C在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)送探測信號給用戶B和用戶D。用戶B和用戶D進行測量。測量包括兩個方面測量有用信號的強度，測量干擾的強度，用戶B和用戶D將測量結(jié)果反饋給用戶A和用戶C，用戶A和用戶C基于反饋信息判決是否占用相應的資源。判決需要考慮兩個因素其傳輸?shù)男盘柺艿降母蓴_強度其傳輸?shù)男盘枌ζ渌脩舢a(chǎn)生的干擾強度。圖3-1分布式資源分配3.3干擾管理在蜂窩小區(qū)中很難出現(xiàn)只存在單個用戶通信的情況，所以蜂窩小區(qū)中存在多用戶通信情況時，用戶間難免會出現(xiàn)干擾，尤其是在D2D通信場景中用戶間干擾情況將被放大，導致蜂窩網(wǎng)絡的性能下降。D2D用戶對和蜂窩網(wǎng)絡之間相互干擾的影響情況3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3干擾管理如果將網(wǎng)絡定義為D2D層和蜂窩層兩個分離的層結(jié)構，那么根據(jù)干擾源和受干擾方的層次不同，干擾可劃分為兩種形式：是干擾源（如一個D2D用戶）和受干擾方（如一個蜂窩用戶）屬于不同網(wǎng)絡層的跨層干擾。是干擾源（如一個D2D用戶）和受干擾方（如一個位置鄰近的D2D擁護）屬于相同網(wǎng)絡層的同層干擾。3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3干擾管理D2D復用蜂窩傳輸?shù)馁Y源上行鏈路（Uplink，UL）頻譜資源下行鏈路（Downlink，DL）頻譜資源3.3干擾管理3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點（a）（b）圖3-2上下行干擾場景分析（a）上行；（b）下行（1）復用UL資源的干擾特點：除了同層干擾外，跨層干擾可以分為UL蜂窩信號對DR的干擾和D2D傳輸對基站接收蜂窩信號的干擾兩個類型。（2）復用DL資源的干擾特點：除了同層干擾外，跨層干擾也可以分為DL蜂窩信號對D2D接收的干擾和D2D傳輸對蜂窩終端接收DL信號的干擾兩種類型。3.3干擾管理3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3干擾管理解決上述類型的干擾可從資源分配和功率控制兩個方面入手。此方法需要網(wǎng)絡能夠獲知CUE和DUE的空間分布情況，將通信質(zhì)量好的用戶調(diào)度到正交的資源上。此方法需要痛過限制用戶的傳輸功率來解決用戶間干擾問題。資源分配：功率控制：3.3.2干擾管理技術分類3.3干擾管理

D2D用戶體驗經(jīng)常受到兩種干擾，即小區(qū)內(nèi)干擾和小區(qū)間干擾，期中小區(qū)內(nèi)干擾是主要的干擾形式。

干擾管理技術：干擾避免、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)。

3.3.2干擾管理技術分類3.3干擾管理（1）干擾避免：干擾避免技術用于避免D2D鏈路和蜂窩鏈路之間的干擾，是通過資源的調(diào)度或者協(xié)調(diào)將相互強干擾的D2D鏈路和蜂窩鏈路配置到正交的資源上以避免干擾。如圖3-3所示，一個分區(qū)中的D2D干擾避免模型。圖3-3一個分區(qū)中的D2D干擾避免模型3.3.2干擾管理技術分類3.3干擾管理（2）干擾消除：干擾消除技術使用先進的解碼和編碼方案來消除DUE或CUE處的干擾信號。所使用的技術可以提高蜂窩網(wǎng)絡的容量。3.3.2干擾管理技術分類3.3干擾管理圖3-5干擾圖（3）干擾協(xié)調(diào)：干擾協(xié)調(diào)技術用于緩解蜂窩鏈路和D2D鏈路之間的干擾，干擾協(xié)調(diào)方案在帶內(nèi)D2D通信中具有顯著的優(yōu)勢。如圖3-5所示，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)用戶之間的干擾構建干擾圖，為D2D用戶尋找可以復用的信道資源。3.3.3干擾管理面臨的挑戰(zhàn)3.3干擾管理網(wǎng)絡密集化在將來的通信中將是一種趨勢，其可有效增加5G和未來6G網(wǎng)絡中的系統(tǒng)容量，同時也會使用戶間的干擾更加復雜化。此外，由于設備量大和設備位置的隨機性質(zhì)，超密集網(wǎng)絡使資源分配更具挑戰(zhàn)性。用戶的頻繁移動會導致設備位置發(fā)生轉(zhuǎn)變，用戶所受到的干擾也會發(fā)生變化，因此必須開發(fā)一種有效的資源分配和干擾管理方案，以滿足用戶QoS的強烈需求。3.4資源分配無線電資源是無線電通信系統(tǒng)運行的基礎。由于無線移動通信系統(tǒng)通信介質(zhì)的特殊性，無線移動通信的各個參與方需要共享無線電資源。因此，無線電資源在各個參與方之間的分配機制，也就是無線電資源管理，是影響系統(tǒng)性能的關鍵因素。3.4.1信道分配方式3.4資源分配蜂窩鏈路和D2D通信之間的信道資源共享主要分為正交式共享和復用式共享，如圖3-6所示。圖3-6復用式與正交式資源共享3.4.1信道分配方式3.4資源分配（1）正交式共享：采用正交方式進行無線電資源共享是指在無線電資源使用上以靜態(tài)或動態(tài)的方式對無線電資源進行正交分割，使蜂窩通信和D2D通信分別使用相互正交的資源。（2）復用式共享：采用復用方式進行無線電資源共享是指D2D通信以復用的方式對正在使用的蜂窩資源進行復用，并將干擾限制在一定水平范圍內(nèi)。3.4.1信道分配方式3.4資源分配方式具體內(nèi)容一對一一個正交子信道只能同時被一個D2D用戶和一個蜂窩用戶共享多對一一個正交子信道允許同時被多個D2D用戶和一個蜂窩用戶共享一對多一個正交子信道只能同時被一個D2D用戶和一個蜂窩用戶共享，并且一個D2D用戶被允許同時復用多個正交的子信道多對多一個D2D用戶可以同時復用多個正交子信道，并且多個D2D用戶允許與一個蜂窩用戶共享同一個子信道3.4.2信道分配方案3.4資源分配

功率控制與信道分配方案認知無線電（CognitiveRadio，CR）與資源分配方案3.5本章小結(jié)

本章對D2D資源分配中的資源管理特點及干擾管理進行了綜述，并探討了相關研究問題和進一步研究的挑戰(zhàn)。干擾會導致蜂窩網(wǎng)絡和D2D通信的性能嚴重下降，因此分析了D2D通信產(chǎn)生干擾的原因并討論了干擾管理策略的必要性，以有效消除干擾，保證蜂窩網(wǎng)絡通信的性能可靠性，提高D2D通信質(zhì)量。根據(jù)產(chǎn)生干擾的原因和干擾管理特點將干擾管理分為三種，在此基礎上，比較分析了現(xiàn)有的資源分配的解決方案和方法，最后，通過對典型方案進行了例證說明。思考題試述資源分配的目的。資源管理的特點有哪兩種？請分別作出表述？什么是同層干擾？什么是跨層干擾？試述干擾避免和干擾消除。D2D復用蜂窩傳輸?shù)馁Y源的場景是什么？D2D頻譜共享方法是什么？QUESTION:思考題7.請分別描述正交式和復用式共享。8.本書中D2D的信道復用方式有幾種？分別是如何描述的？9.請分別描述系統(tǒng)容量和能量效率定義。10.用香農(nóng)公式計算一下，假定信道帶寬為3100Hz，最大信息傳輸速率為35Kbit/s，那么若想使最大信息傳輸速率增加60%。問信噪比S/N應增大到多少倍，如果在剛才計算出的基礎上將信噪比再增大到10倍，問最大信息速率能否再增加20%？11.信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則最大數(shù)據(jù)速率為多少？QUESTION:思考題12.若要在一條50KHz的信道上傳輸1.544Mbps的下載波，信噪比至少要多大？13.下列因素中，不會影響信道數(shù)據(jù)傳輸速率的是（）。A.信噪比B.頻率寬帶C.調(diào)制速率D.信好傳播速度14.已知信道帶寬為6.8KHz，試求：若要求該信道傳輸能傳輸9600b/s的數(shù)據(jù)，則接收端要求的最小信噪比為多少dB？QUESTION:4D2D中繼選擇技術4.1概述4.3中繼選擇策略4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構4.4中繼選擇中的功率控制4.5本章小節(jié)（1）

AF放大轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構（1）結(jié)構簡單、中繼節(jié)點直接對信號進行轉(zhuǎn)發(fā)而不用進行額外的處理，具有響應速度快、設備復雜度低的特點（2）傳輸信道中的噪聲也被放大轉(zhuǎn)發(fā)4.1D2D通信的基本知識D2D通信是一種短距離通信技術，基站只需提供控制信令，用戶就能夠直接傳輸數(shù)據(jù)。如下圖所示，與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡通信相比，D2D通信不需要數(shù)據(jù)通過基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而在保證D2D通信的前提下減輕基站通信負荷。什么是D2D通信？（a）傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡通信

（b）D2D通信（2）DF譯碼轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別（1）中繼節(jié)點會對接收到的信號進行解碼，直接重新編碼或者經(jīng)過校驗確認無誤后（可選）再重新編碼，轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點（2）該協(xié)議最大的一個優(yōu)點是不會傳遞噪聲，從而保證了傳輸?shù)目裳永m(xù)性和正確性。（3）缺點是設備復雜度高、處理速度慢，從而導致一定的傳輸延遲。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構（1）兩跳單中繼模型4.2.2中繼網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

源端與目的端相距較遠，直接通信無法滿足要求時，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以擴大通信范圍，

通過增設中繼節(jié)點擴大小區(qū)的覆蓋面積，提升小區(qū)邊緣用戶的體驗。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構

與兩跳協(xié)作中繼模型的不同之處在于存在直達路徑。若系統(tǒng)中增加一個協(xié)作中繼節(jié)點，在源端發(fā)送信號給目的端時，中繼也接收信號，然后中繼再轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，這樣目的端將收到信息的兩個副本，通過合并技術將它們?nèi)诤?，可以有效提高分集增益。?）協(xié)作兩跳單中繼模型

4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構4.2.2中繼網(wǎng)絡拓撲結(jié)構（3）協(xié)作兩跳并行中繼模型將協(xié)作兩跳單中繼模型可以如下圖所示的多中繼情形。此時，可以把中繼當做源端的虛擬多天線，并考慮發(fā)射分集，以提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構4.2.2中繼網(wǎng)絡拓撲結(jié)構4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構4.2.2中繼網(wǎng)絡拓撲結(jié)構（4）多跳中繼模型

可以將兩跳單中繼模型推廣到多跳從而搭建起一條多跳中繼鏈路，如圖所示。

多跳中繼模型具有擴大覆蓋范圍的優(yōu)點，但同時也存在較大的時延和復雜的資源分配算法等缺點，因此在蜂窩網(wǎng)絡中不適合采用多于兩跳的中繼模型。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構4.2.2中繼網(wǎng)絡拓撲結(jié)構（5）協(xié)作串行中繼模型

為了充分利用無線信道的廣播特性，可以采用多跳分集接收模式，允許任意節(jié)點的廣播信號均能被后續(xù)節(jié)點收到并解碼，

并且采用AF協(xié)議的性能要優(yōu)于DF協(xié)議，盡管AF協(xié)議在這個過程中可能也放大了噪聲。4.3.1中繼選擇分類4.3中繼選擇策略

在基于平均信道狀態(tài)信息的最優(yōu)中繼選擇過程中，根據(jù)各個備選中繼節(jié)點的距離、路徑損耗、平均信噪比等參數(shù)的比較判決其是否為最優(yōu)中繼節(jié)點。因此，該通信系統(tǒng)中需要有能夠有效估計各個節(jié)點的距離或者地理位置信息的設備，或者需要有能夠估計其鏈路平均信噪比的設備，對于實際系統(tǒng)來說估計其平均信噪比的開銷較大。（1）基于平均信道狀態(tài)信息的中繼選擇（2）基于瞬時信道狀態(tài)信息的中繼選擇4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類最小法則：調(diào)和平均法則：

4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（3）基于中斷概率的中繼選擇基于中斷概率的中繼選擇方法以系統(tǒng)的中斷概率最小化為目標，選擇鏈路瞬時信噪比最大的中繼節(jié)點為最優(yōu)中繼節(jié)點。系統(tǒng)的整體中斷概率：4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（4）基于誤碼率的中繼選擇

基于誤碼率的中繼選擇方法是以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標的。在中繼選擇過程中，在考慮傳輸速率和信噪比的基礎上，還考慮了物理層中的調(diào)制傳輸方式和目的節(jié)點端的分集合并方式等因素，因此此類中繼選擇算法更適用于實際網(wǎng)絡。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（5）基于社交網(wǎng)絡的中繼選擇

基于社交網(wǎng)絡的中繼選擇是以通信鏈路穩(wěn)定性為目標，通過選擇社交關系強的節(jié)點來幫助源節(jié)點進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，該方法不僅僅考慮到了物理層的信道狀態(tài)、傳輸速率，還考慮現(xiàn)實生活中人們的主觀意愿，更加貼合實際。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（6）基于機器學習的中繼選擇

4.3.2典型算法分析

(1)系統(tǒng)模型4.3中繼選擇策略

由單一宏基站或微基站控制的超密集蜂窩網(wǎng)絡中，設備與設備之間的通信鏈路包括中繼鏈路、直通鏈路和蜂窩鏈路3種形式。4.3中繼選擇策略4.3.2典型算法分析在D2D中繼通信的第一跳鏈路中，第r個RE的信干噪比在第二跳鏈路中，DUE的SINR可表示為：提高邊緣用戶的通信質(zhì)量問題都可以轉(zhuǎn)換為在用戶通信時所在鏈路的吞吐量問題，由香農(nóng)公式可知，改進的鏈路吞吐量可表示為：

一般情況下，影響用戶之間社交關系的因素主要體現(xiàn)在時間性因素。平均通信時間表示為4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡的典型算法分析基于時間因子可以推斷出社交值：當存在多個潛在中繼的情況下，為了減少探測次數(shù)，首先利用節(jié)點之間的社交關系，移除不可用的中繼節(jié)點。由上述分析可知，與SUE有較強社交關系的潛在中繼用戶更有可能為SUE、DUE提供中繼服務。結(jié)合社交網(wǎng)絡模型，提出基于整個系統(tǒng)的社交門限ω'的概念，表示為：4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡的典型算法分析4.3中繼選擇策略

①中繼識別因子排除自私節(jié)點從下面幾個點進行分析：中繼識別因子共包括3個屬性，負責判斷RE中具有自私行為的節(jié)點，進而明確何種節(jié)點可以中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所設計的三個屬性分別為：聯(lián)合興趣度、轉(zhuǎn)發(fā)歷史比率和中繼物理狀態(tài)。(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法

②權值計算

在定義了屬性表達式之后，如何確定每個屬性的權重是需要解決的關鍵問題。利用三角模糊函數(shù)將三個屬性權重劃分為三個層次，即優(yōu)先級、中間級和一般級。根據(jù)三角模糊數(shù)隸屬函數(shù)的定義，給出屬性權重的隸屬函數(shù)表達式：③自私中繼確認

2.算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法由下式可以計算出SUE和RE之間的屬性差：如果屬性差的閾值為Δth，當ΔS,R比Δth小時，這樣的RE被認為具有自私行為，并且不能作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中繼設備，也就是說自私中繼被確認的條件為：4.3中繼選擇策略4.4中繼選擇中的功率控制

假設小區(qū)有一個基站、N個可作為中繼的空閑蜂窩用戶RUE、M個蜂窩用戶CUE以及X個D2D通信對(SUE、DUE)。4.4中繼選擇中的功率控制

一旦通信鏈路的最小SINR閾值不能滿足，通信鏈路會發(fā)生中斷，中斷概率如下：4.4中繼選擇中的功率控制

4.5本章小結(jié)本章對D2D通信的優(yōu)缺點進行了簡要概述，針對所面臨的通信距離遠、信道衰落大造成的通信中斷問題，分析了中繼協(xié)作的必要性，根據(jù)通信場景的不同，對現(xiàn)有協(xié)作中繼的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構及轉(zhuǎn)發(fā)模式進行了概括。協(xié)作通信系統(tǒng)中源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)送信息都要消耗功率，以往采用的等功率分配方案并不能最大程度利用節(jié)點的功率，針對這種情況，拍賣算法，通過貨幣獎勵來反饋通信系統(tǒng)，在保證蜂窩網(wǎng)絡性能的同時，可提高D2D通信的可靠性。D2D通信轉(zhuǎn)發(fā)模式包括幾種？各自區(qū)別主要是什么？資源共享方式有幾種？簡單介紹一下？有哪些常見中繼網(wǎng)絡拓撲結(jié)構？它們之間的優(yōu)缺點是什么？D2D功率控制可分為靜態(tài)功率設置與動態(tài)功率設置，請簡要說明二者之間的區(qū)別？思考題QUESTION:5D2D同步技術5.1概述5.3LTE同步與D2D同步5.2同步的分類5.4分布式同步策略5.5本章小結(jié)5.1概述同步的方式：頻率同步、相位同步、時間同步。頻率同步：指設備A和設備B以相同的速度接收到信號前沿，但不是在同一時刻。相位同步：即設備A和設備B在同一時刻但不同時間間隔接收到信號的前沿。時間同步：設備A和設備B在同一時刻、同一時間間隔接收到信號前沿。5.2同步的分類

從場景上看，D2D同步分為基站覆蓋、異構網(wǎng)絡和分布式網(wǎng)絡下的同步。5.2同步的分類

從分布角度看，在D2D網(wǎng)絡中有兩種主要的定時同步方法：集中式和分布式。集中式方法：啟用D2D通信的終端在終端集群中扮演協(xié)調(diào)者的角色，以便將其傳輸范圍內(nèi)的參考計時器交付給其他啟用D2D的終端。分布式方法：支持D2D通信的UE要為其傳輸范圍內(nèi)的其他UE提供計時參考，因無固定AP可用，加上移動AP帶來的不確定性，若AP失去與網(wǎng)絡的連接，則其它UE要重新選擇AP5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點及改進：提供時間參考時嚴重依賴簇頭（CH）在選擇一個新的CH之后，由于傳輸范圍的限制，可能很難保證整個集群都能搜索到新的CH。簇間通信變得更加困難。需要重新選擇一個新的同步源引入一種機制來中繼或傳輸CH的傳輸范圍之外的參考計時器在附近獨立創(chuàng)建的集群提供一種機制5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點及改進圖示5.3LTE同步與D2D同步D2D同步是以LTE同步技術為基礎，沿用LTE的幀結(jié)構、同步信號生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術。并對同步信號進行了改造，以此適應D2D通信中的應用場景。

在LTE同步技術中，初始同步和新小區(qū)識別過程采用3GPP規(guī)定的兩種物理信號，分別是主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）。5.3LTE同步與D2D同步

在D2D通信中，D2D同步信號在6個物理資源塊（PRB）中間填充4個單載波頻分多址（SC-FDMA)符號。

UE通過對其進行解碼獲取物理層小區(qū)標識和每個傳輸符號的循環(huán)前綴長度，從而得到小區(qū)使用的是頻分雙工（FDD）還是時分雙工（TDD）。這兩種雙工模式所對應的是兩種不同的無線幀結(jié)構。FDD無線幀結(jié)構5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步TDD無線幀結(jié)構5.3LTE同步與D2D同步TDD相對于FDD的優(yōu)勢有:（1）靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；（2）可以通過調(diào)整上下行時隙轉(zhuǎn)換點，靈活支持非對稱業(yè)務；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低設備成本；（4）接收上下行數(shù)據(jù)時，無需收發(fā)隔離器，只需一個開關，可降低了設備的復雜度。5.3LTE同步與D2D同步TDD相對于FDD的缺點有:（1）TDD系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射功率的時間比FDD短；（2）TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進行干擾隔離；（3）為避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率；（4）因為高速運動下信道變化快，TDD分時系統(tǒng)導致UE報告的信道消息有延遲。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書P83的例子及5.2小結(jié)中的三種同步場景可知，自適應分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：

（1）部分覆蓋同步場景中，如何快速可靠地傳播SL的時鐘值，特別是當存在多個SL時，顯得尤為重要，此時的冗余的SL也會成為傳播的優(yōu)勢。（2）對于覆蓋外同步場景，如何設計分布式操作來實現(xiàn)全局時鐘的一致性。（3）在覆蓋外同步場景中，當一個新設備加入一個幾乎同步的組時，如何保證新設備不會對該組產(chǎn)生較大的影響。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書P83的例子及5.2小結(jié)中的三種同步場景可知，自適應分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：（4）即使使用MAC層時間戳，仍然會存在延遲，時間戳過程本身也存在不確定性。因此，如何處理不正確的時間戳來實現(xiàn)高精度的同步？（5）在這兩個不同的場景以及它們各自的同步挑戰(zhàn)中，SF最初并不知道它們所處的覆蓋場景。其次，對于SF來說，如何確定要遵循哪種類型的同步方法仍是需要解決的重點。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)在挑戰(zhàn)4中，有兩種消除時間戳的不準確性從而得到精確估計的方法:遞歸估計和和分層結(jié)構。設備必須收集足夠數(shù)量的有效時間戳，來估計回歸系數(shù)。

有效時間戳--接收設備用于SL設備時鐘的時間戳。在快速傳播中引入了兩種策略：Pseudo-syncleader（PSL）和合作同步。當一個設備開始充當PSL時，傳輸?shù)母怕蕰虼颂岣摺?.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步

在D2D系統(tǒng)中，自組網(wǎng)系統(tǒng)研究的許多同步協(xié)議存在一定的結(jié)構局限性。本章節(jié)介紹一種新的D2D系統(tǒng)定時同步方法。當蜂窩基站的存在時：考慮了蜂窩上行過程中基于隨機訪問過程的蜂窩輔助(CA)同步方法。

當蜂窩基站不可用時：用戶設備執(zhí)行獨立(SA)同步方式。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步

基于上述提出的CA同步方法和SA同步方法。圖示如下：D2D通信類型5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步下圖為SA-D2D通信的框架結(jié)構：

在傳輸間隔內(nèi)，終端只以參考時鐘的速度向其他終端發(fā)送自己的全局同步信號(GSS)。在整個系統(tǒng)過程中，終端將參考時鐘作為自身的時鐘；在傳輸間隔中，終端只以參考時鐘的速度向其它終端發(fā)送自己的GSS；在接收間隔中，終端只偵聽鄰UE的GSS一幀。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步下圖為LTE系統(tǒng)中eNB與終端上行同步的隨機接入過程：

適合于D2D通信的隨機訪問過程如下：在蜂窩通信的隨機接入過程中，終端直接應用TA信息；而對于D2D通信的同步，UE在定時調(diào)整過程中使用TA值的一半,該值等于eNB和UE之間的時間差。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步下面介紹CA-D2D通信類型:CA-D2D同步方法示例如下:假設eNB和UE之間的距離為30個樣本，然后，在原始隨機訪問過程中，UE在30個樣本的位置發(fā)送信號，eNB在第0個樣本的位置接收信號。UE在15個樣本的位置發(fā)射信號。通過提出的基于TA信息使用不同的流程，可以實現(xiàn)所有終端具有相同的參考時鐘，而不需要額外的流程。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步

在初始觀測區(qū)間中，確定Tx-Rx區(qū)間的順序。由于Tx-Rx的重復結(jié)構，Tx-Rx的順序在GSS交換過程中非常重要。下表為Tx-Rx順序規(guī)則：最大GSS位置Tx-Rx命令第一幀第二幀無GSS檢測Rx-TxTx-Rx(Tx-Rx)或者(Rx-Tx)5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步功率加權是參考時鐘由GSS到達時間的接收功率加權平均決定的決策規(guī)則之一，如下式所示：

5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步同時，通過下述公式所述的等增益平均，對所有接收到的功率大于檢測閾值的GSS的到達時間進行等平均。

5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步在廣域網(wǎng)環(huán)境下，同步所有終端的時間過長。因此，使用一個只考慮最大功率的GSS的決策規(guī)則來進行群同步。首先，在決策規(guī)則中不考慮距離較遠的UE，可通過分組過程來切斷傳播問題。同步鎖（SynchronizationLock，SL）--是參考時鐘在一定間隔內(nèi)不斷保持的一種狀態(tài)，是指在某一幀間隔內(nèi)參考時鐘的平均值與下一幀間隔內(nèi)參考時鐘的平均值之差在某一樣本內(nèi)。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步檢測終端是否進入SL狀態(tài)，可以通過下式判斷：因此，SL條件通過這種方法，可以使兩個SL組同步，并且可以應用于所有SL組。5.4分布式同步策略5.4.2自適應分布式同步綜上所述，UE在D2D系統(tǒng)中的同步流程如圖下所示。首先，UE嘗試在幾秒鐘內(nèi)檢測下行信號，以使用CA方法。如果沒有下行信號，則采用SA方式。5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析

根據(jù)前面所提出的D2D同步的幀結(jié)構，假設信道特性在一個同步周期內(nèi)不發(fā)生變化，采用的仿真參數(shù)如下:UE數(shù)量50，UE均勻隨機分布在300m×300m的區(qū)域內(nèi)。鏈路范圍閾值設置為70m。注意：所有UE都可以通過多跳連接。

為了正確反映同步所需的時間，模擬時間被歸一化為幀的數(shù)量。5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析

5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析下圖為UE數(shù)量為50時的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析下圖為UE數(shù)量為200時的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析論證結(jié)果：可以看出自適應分布式同步方法可以實現(xiàn)100%的同步率，但前提是不良同步包比例的閾值要設定得極低。當同步達到穩(wěn)定狀態(tài)時，STD-15.8僅為50個UE和200個UE實現(xiàn)了大約75%和68%的同步率。圖2中的高密度UE數(shù)量比圖1中的低密度UE數(shù)量更快地實現(xiàn)同步，特別是對于所提出的方法。5.5本章小結(jié)本章針對D2D同步中的同步分類進行了綜述，大體分為集中式與分布式兩種，其中重點闡述了分類中的分布式策略，并探討了LTE同步技術發(fā)展對D2D同步的影響。D2D同步沿用了LTE的幀結(jié)構、同步信號生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術，但是對同步信號進行了改造，以適應D2D通信中的三種覆蓋場景。在分布式策略中，分析了目前存在的困難與挑戰(zhàn)，針對自組網(wǎng)系統(tǒng)中同步協(xié)議的結(jié)構局限性，討論了蜂窩輔助同步與D2D獨立同步，以在短時間內(nèi)實現(xiàn)高精度同步。仿真測試了與STD-15.8的性能對比，實驗結(jié)果表明，分布式D2D同步技術的同步性能優(yōu)于STD-15.8。5.5本章小結(jié)第五章思考題QUESTION:對于部分覆蓋同步場景，如何快速可靠地傳播同步領導者的時鐘值？在整個D2D同步流程中，蜂窩輔助同步和獨立同步流程是什么？PSS和SSS序列共同組成PCI,請問LTE系統(tǒng)的PCI個數(shù)為多少？6D2D緩存與卸載6.1概述6.3緩存策略6.2D2D緩存6.4計算卸載6.5本章小節(jié)6.1概述移動互聯(lián)網(wǎng)流量趨勢：（1）在過去五年中，移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量增長了40倍，其中視頻流量超過一半。（2）移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)增長速率遠超基站增長速率6.1概述龐大的數(shù)據(jù)與計算任務給通信網(wǎng)絡帶來的影響有哪些？存儲空間－－請求次數(shù)與日俱增給基站和服務器帶來巨大負荷?；爻替溌罚脩舭l(fā)送請求到服務器，要先經(jīng)過基站，然后將需要的資源傳送到核心網(wǎng)，大量流行度較高的重復內(nèi)容經(jīng)過回程鏈路會造成核心網(wǎng)絡擁堵。服務質(zhì)量－－當大量請求在隊列中時，不僅會造成排隊等候的時延，還會造成用戶被迫降低分辨率和碼率，以減少請求時間。D2D緩存的概念6.2D2D緩存D2D緩存是指用戶設備不直接使用BS數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，與本地緩存、微基站緩存和宏基站緩存不同的是，D2D緩存是通過直連鏈路的形式向附近UE請求已經(jīng)緩存好的內(nèi)容，而自身也會緩存相關數(shù)據(jù)以滿足自身以后的數(shù)據(jù)請求，或者滿足鄰近用戶的數(shù)據(jù)請求。圖6-2本地緩存、微基站緩存、宏基站緩存和D2D緩存D2D緩存的優(yōu)點6.2D2D緩存提升通信系統(tǒng)整體容量－－UE無論是從數(shù)量還是分布密度上，都遠大于宏基站和微基站，雖然單個UE的收發(fā)功率、能量效率、存儲能力都落后于BS和邊緣服務器，但是數(shù)量和分布上的優(yōu)勢足以彌補這些缺陷。服務時延－－這里的時延是指發(fā)起請求到結(jié)束任務的全過程時延，考慮到用戶可能在發(fā)起請求后由于時延較長、不可抗因素等原因產(chǎn)生放棄行為，距離發(fā)送端較近的設備時延更低。緩存策略分類6.3緩存策略

物根據(jù)不同的應用場景和性能要求，D2D緩存策略可以分為以下六個類別。圖6-4緩存策略分類6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略

主動緩存是根據(jù)當前網(wǎng)絡流量動態(tài)，在非高峰時段，主動將熱門內(nèi)容存儲在選定的緩存節(jié)點中，從而緩解網(wǎng)絡流量壓力。被動緩存是在用戶請求內(nèi)容之后確定是否緩存內(nèi)容。圖6-5LRU（Leastrecentlyused）緩存替換算法常見的主動緩存6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略

LRU緩存的特點：（1）無法完全預測下一時刻的請求內(nèi)容，因此存在緩存污染的情況。（2）如果存儲空間小于或者稍大于文件體積，則不能完成緩存列表更新。（3）空間利用率較低?？赏ㄟ^文件預處理與分級緩存改進該策略6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略將請求文件分為前綴緩存與后綴緩存，后綴緩存進一步平均細分或者不規(guī)則分段一級緩存空間存儲前綴部分各級空間滿載后將末尾文件淘汰到下一級6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略用戶在請求之前會優(yōu)先考慮本地搜索，自緩存命中率為：除去少量的自我緩存外，絕大部分需要臨近UE緩存來實現(xiàn)，D2D緩存命中率：

6.3.1主動與被動緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-12平均時延緩存數(shù)量對緩存命中率的影響6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略集中式與分布式緩存對比：集中式緩存下數(shù)據(jù)交互需要跨越的地理距離較遠，造成數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，網(wǎng)絡鏈路不夠穩(wěn)定。當BS不屬于同一服務提供商時，集中解決方案很難實現(xiàn)。分布式解決方案可以更快地響應本地更改，并且對其他節(jié)點的緩存決策影響較小。6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略分布式緩存網(wǎng)絡構成6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略移動輔助設備能夠預測周圍的UE在接下來一段時間內(nèi)可能訪問的內(nèi)容，從而最大程度地利用分布式緩存的多設備、高密度等優(yōu)勢，克服分布式設備的移動性帶來的不穩(wěn)定性。假設單位時間內(nèi)單個UE的平均內(nèi)容請求數(shù)R表示為：

6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真圖6-17命中率性能圖6-18命中率與移動輔助設備的移動速度6.3.2集中式與分布式緩存6.3緩存策略性能仿真分析：在分布緩存中，假設移動輔助設備具有恒定的速度，并且能夠準確地預測其移動路徑，對于高密度的移動輔助設備，即使有些移動輔助設備偏離了預測路徑，也可能存在其他能夠提供內(nèi)容的移動輔助設備。6.3.3編碼緩存6.3緩存策略編碼緩存是指在緩存數(shù)據(jù)之前處理掉冗余的數(shù)據(jù)或者擴充已有的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對存儲量的壓縮和擴張，然后再進行緩存。圖6-21D2D通信建立及編碼傳輸過程6.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡編碼技術可為D2D緩存帶來如下優(yōu)勢：圖6-22蝶形網(wǎng)絡（1）提高緩存吞吐量

能夠提升網(wǎng)絡吞吐量是網(wǎng)絡編碼技術最突出的優(yōu)勢。該方式通過對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行有效的線性編碼重組，可以使網(wǎng)絡用更少的傳輸次數(shù)傳輸更多的數(shù)據(jù)信息，吞吐量隨之提升。節(jié)點S1向節(jié)點S2發(fā)送數(shù)據(jù)包b1，同時，節(jié)點S2向節(jié)點S1發(fā)送數(shù)據(jù)包b26.3.3編碼緩存6.3緩存策略網(wǎng)絡編碼技術可為D2D緩存帶來如下優(yōu)勢：（2）提升網(wǎng)絡健壯性

在基于網(wǎng)絡編碼的無線網(wǎng)絡傳輸過程中，編碼操作使得每個數(shù)據(jù)包之間產(chǎn)生了相關性和聯(lián)系，即使傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，由于采用了網(wǎng)絡編碼技術，接收節(jié)點可以避免在整個傳輸網(wǎng)絡中尋找新的路由，然后進行解碼恢復。（3）節(jié)約無線資源

在使用網(wǎng)絡編碼的D2D通信系統(tǒng)之中，網(wǎng)絡系統(tǒng)容量提升，傳輸時隙減少，無線資源的需求量也隨之降低。終端數(shù)量較多的大型D2D通信網(wǎng)絡中，引入網(wǎng)絡編碼技術會使得無線資源需求明顯減少，優(yōu)勢更加突出。6.4計算卸載根據(jù)移動設備的任務卸載進行建模時，任務劃分粒度的不同，定義兩種卸載模型：（1）完全卸載適用于高度集成或相對簡單的任務，用戶的任務程序被封裝后卸載至輔助節(jié)點執(zhí)行，這種方式無需對任務代碼或數(shù)據(jù)塊進行額外處理，能夠簡化卸載步驟。在完全卸載中，用戶任務不能進行分割，必須完全在移動設備本地執(zhí)行或者作為一個整體卸載到輔助節(jié)點執(zhí)行。（2）部分卸載

多應用程序或任務通常由多個組件組成，或者會涉及到數(shù)據(jù)塊的處理（例如視頻中的目標檢測涉及到的圖像幀序列處理），這種情況適用于部分卸載。部分卸載允許在計算任務被劃分為若干個子任務后，將這些子任務卸載至不同的實體上進行計算。6.4.1系統(tǒng)模型6.4計算卸載用戶首先通過諸如基站收發(fā)信臺（BTS，BaseTransceiverStation）、基站控制器（BSC，BaseStationController）和移動交換中心（MSC，MobileSwitchingCenter）之類的設備連接到無線網(wǎng)絡以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦矓?shù)據(jù)網(wǎng)絡。然后，通信數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關傳輸?shù)匠休d高性能計算機的任何本地網(wǎng)絡。圖6-23卸載架構6.4.1系統(tǒng)模型6.4計算卸載包括數(shù)據(jù)傳輸和代碼卸載的時間

6.4.1系統(tǒng)模型6.4計算卸載

6.4.2卸載方法6.4計算卸載（1）強化學習（2）社交感知

D2D通信可以有效地卸載基站流量，在D2D網(wǎng)絡中不僅需要共享大眾化內(nèi)容還需要個性化內(nèi)容緩存，社交感知算法不僅可以降低時延也可以減少緩存替換次數(shù)降低緩存成本。6.4.2卸載方法6.4計算卸載社交感知圖6-25

社會感知混合計算卸載系統(tǒng)應用集群中移動用戶的狀態(tài)空間定義：

思考題

思考題

7D2D安全傳輸技術7.1概述7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒?.2D2D通信的安全性7.4移動云計算與D2D安全傳輸7.5

本章小結(jié)7.1概述與傳統(tǒng)的蜂窩通信相比，D2D通信不再需要通過基站完成信令轉(zhuǎn)發(fā)，且受限于移動終端的計算能力，其安全性能下降較為明顯，因此導致D2D通信鏈路更容易遭受安全威脅。日常的通信活動能否保證相關信息可以及時傳輸?shù)綄畔⒔邮辗?，避免出現(xiàn)信息丟失的情況至關重要。引言：對于LTE系統(tǒng)定義五個安全級別：網(wǎng)絡訪問安全；網(wǎng)絡域安全；用戶域安全；應用程序域安全；安全性的可視性和可配置性。7.1概述如今在D2D通信中，基站僅作為控制中心，而由于無線信道的開放性D2D通信很容易受到竊聽攻擊。威脅安全的幾個方面？（1）：如果竊聽者或入侵者出現(xiàn)在該范圍內(nèi)，竊聽者將有可能接收到重要信息而導致信息泄漏。（2）：D2D設備旨在從基站卸載數(shù)據(jù)，從而降低成本開銷，但這樣會使設備無法對連接的設備進行身份驗證。（3）：D2D用戶與蜂窩用戶共享信道資源，對蜂窩用戶造成安全威脅。7.2.1安全威脅7.2D2D通信的安全性竊聽攻擊：竊聽攻擊者通過被動監(jiān)聽用戶設備之間的無線信道獲取敏感數(shù)據(jù)。利用加密技術可以避免這種威脅。冒充攻擊：攻擊者可以假冒成合法的用戶設備或基站來訪問流量數(shù)據(jù)?？墒褂蒙矸蒡炞C來抵御這種威脅。偽造攻擊：攻擊者偽造特定內(nèi)容向用戶發(fā)送虛假數(shù)據(jù)，達到對系統(tǒng)造成危害的目的?？梢允褂胔ash函數(shù)和數(shù)字簽名進行完整性控制來抵御此類攻擊。搭便車攻擊：為了降低D2D通信中的系統(tǒng)可用性，攻擊者可能會鼓勵某些用戶設備的自私行為，以節(jié)省能量消耗。為了防御這種攻擊，有必要開發(fā)合作性鼓勵機制。7.2.1安全威脅7.2D2D通信的安全性主動攻擊控制數(shù)據(jù)：攻擊者試圖更改控制數(shù)據(jù)。使用密碼學方法的身份驗證、機密性和完整性可以避開這種威脅。侵犯隱私：一些隱私敏感數(shù)據(jù)（如身份、位置等）與D2D服務更相關，這些個人信息必須對非授權方保密。拒絕服務（Denial-of-service，DoS）攻擊：它是指在D2D通信中使服務不可用。惡意設備可以暗中破壞甚至完全阻斷底層網(wǎng)絡中合法設備的連接。7.2.2安全要求7.2D2D通信的安全性D2D用戶的數(shù)據(jù)和控制信號僅需在授權用戶之間傳輸。即使在存在拒絕服務攻擊或干擾的情況下，設備也必須通信。為了保護D2D通信免受冒充攻擊，必須進行授權應驗證授權設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)未被更改設備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須使用加密機制保密必須檢查通信方的標識指如果檢測到D2D服務是惡意的則可以撤銷該服務的用戶權限有必要跟蹤安全違規(guī)企圖的來源用戶設備訪問其服務時針對指定的訪問規(guī)則進行細粒度的控制。指防止用戶設備拒絕發(fā)送或接收消息的能力。7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒ňW(wǎng)絡安全分層通信中的安全問題主要集中于圖示的應用層、網(wǎng)絡層、MAC層和物理層。所有層必須協(xié)同工作來為D2D通信中涉及的用戶設備提供所需保護。解決D2D安全傳輸?shù)难芯恐饕性谖锢韺?，因為利用無線信道特性的物理層安全傳輸技術在提高D2D通信的安全性方面具有巨大潛力。7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒ㄈ绾巫龅轿锢韺影踩珎鬏?？物理層安全傳輸?shù)幕舅枷胧窃谖锢韺永脽o線信道的屬性來保證合法用戶的安全可靠通信。物理層安全技術從香農(nóng)信息論的角度出發(fā)，借助物理層安全編碼，依靠傳輸信道的動態(tài)物理特性，改善合法用戶的信道質(zhì)量，惡化竊聽者的信道質(zhì)量。利用干擾信號作為安全障礙的安全技術：為了防止D2D用戶對蜂窩用戶造成較大的干擾，D2D用戶的傳輸功率往往保持在較低水平，但是由于資源塊的復用，干擾信號對竊聽者起到了有利的干擾作用。7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒?/p>

7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒?/p>

7.3.1物理層及其他層安全傳輸7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒◤膽脠鼍翱矗珼2D通信安全傳輸針對不同場景要求也有所不同，具體可分為如下類別：基于綠色通信的D2D安全傳輸基于社交應用的安全傳輸基于醫(yī)療的安全傳輸基于移動性的D2D安全傳輸基于無人機的D2D安全傳輸7.3.3用于D2D安全傳輸?shù)娜肭謾z測系統(tǒng)7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒S著通信技術的進步，出現(xiàn)了大量惡意應用程序，這些應用程序可以破解設備中存儲的身份驗證密鑰、信用卡信息等敏感信息。應用層攻擊無法通過物理層安全來阻止。因此，還需要設計相應得檢測系統(tǒng)來檢測惡意攻擊。入侵檢測系統(tǒng)IDS能夠監(jiān)控網(wǎng)絡流量、系統(tǒng)日志、運行進程、應用程序和系統(tǒng)配置更改、文件的訪問和修改。IDS會將正常的活動模式與可疑活動進行比較，一旦檢測到惡意活動，它會將信息發(fā)送給服務器和系統(tǒng)管理員處理。7.3.4保密指標7.3D2D安全傳輸?shù)姆椒ūＣ苤笜耸呛饬緿2D安全傳輸技術的關鍵，為了抵御上述潛在威脅，主要包括以下幾個方面：（1）保密容量：存在竊聽者威脅的情況下，從發(fā)送端向接收端發(fā)送機密信息的最大速率。（2）保密速率：主通信信道的速率與竊聽者的最大速率之差。（3）保密吞吐量：D2D接收機單位時間內(nèi)接收到的保密信息的平均信息量。（4）保密中斷概率：瞬時容量大于冗余率的概率，冗余率是傳輸速率和保密速率的差值。（5）保密能量效率：保密容量或保密速率與總能耗的比值。