面向5G的D2D通信技術評述

王建灃

摘 要 隨著智能終端設備不斷增加和網絡流量的持續上升，現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據壓力，提高頻譜利用率。本文介紹了D2D的優點，詳細分析了D2D通信中的關鍵技術環節，展望了D2D未來發展重點及主要方向。

【關鍵詞】D2D 5G 資源分配 MIMO

1 引言

移動通信技術產生至今已近半個世紀，用戶數量不斷增加，業務量不斷增長，網絡流量也持續上升，這些都對現有的4G通信技術提出了更高的要求。相比較起來5G通信技術有更大的優勢，包括容量更高、數據速率更快、端到端時延更小、開銷更低、大規模設備連接和始終如一的用戶體驗質量（QoS）等。終端直通（Device-to-Device，D2D）通信技術 是指臨近的移動終端通過運營商授權頻譜直接進行點對點的數據傳輸技術，已經被標準化組織3GPP列入新一代移動通信系統的發展框架中，成為第五代移動通信的關鍵技術之一。通信系統或網絡中，一旦D2D通信鏈路建立起來，傳輸數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核心網絡的數據壓力，大大提升頻譜利用率和吞吐量，擴大網絡容量。具體優勢可以體現在以下幾個方面：

（1）設備與設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）傳統蜂窩通信方式需要基站進行中繼傳輸，D2D通信不需要網絡中轉從而有效減輕基站負擔；

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

（4）D2D通信因為不需要基站中繼，因此在基站故障或損壞情況下也能正常通信。

2 D2D通信關鍵技術

未來的無線通信系統將向網絡融合的方向發展，在傳統的蜂窩網絡中引入D2D技術，在提高數據傳輸速率、降低傳輸功率、提升網絡容量的同時，也給通信系統帶來新的問題。比如，無線資源分配更加復雜、通信干擾等問題。因此，必須解決D2D通信中的關鍵技術問題，其中包括：D2D設備發現、資源分配、干擾管理和D2D-MIMO等多種通信網絡與通信過程。

2.1 D2D設備發現

D2D設備發現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設備的發現方案有兩種：基于核心網的發現方案和基于direct空口的發現方案?；诤诵木W的發現方案中，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發現請求的移動終端，從而完成發現過程。而基于direct空口的發現，是通過移動終端間直接進行D2D發現信號的發射和檢測，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現。

2.2 D2D資源分配

在D2D通信與傳統通信方式并存的網絡中，由于D2D復用資源，系統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功率分配。根據凸優化理論得到最優功率值的閉合解。

（3）D2D用戶和蜂窩用戶最優信道分配。采用圖論中加權二部圖最優匹配算法，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。

2.3 干擾管理

D2D通信與傳統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：

2.3.1 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。

2.3.2 數字信號處理技術

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。

2.3.3 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，利用著色理論優化D2D用戶和蜂窩用戶的信道配對來提高系統總體性能；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。

2.4 D2D-MIMO技術

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發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系統中，通過在基站進行合理的下行預編碼，將發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技術的優勢還在于通過增大天線的數量來傳輸信息子流，將多個數據子流同時發送到信道上，各發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。

3 總結與展望

本文對D2D關鍵技術進行了總結與概括，分別從D2D設備發現與資源分配、干擾管理、D2D-MIMO四個方面對現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，給現有蜂窩通信系統帶來了更加復雜的電磁干擾，而干擾是影響系統容量和保證用戶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

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作者單位

華北電力大學科技學院 河北省保定市 071051