全雙工D2D通信關鍵技術及進展

丁家昕，馮大權，錢恭斌，張楠

（1.國家無線電監測中心，北京 100037；2.深圳大學，廣東 深圳 518060）

1 引言

21世紀，以智能通信終端為代表的電子信息技術蓬勃發展，手機已成為人們生活的必備產品。根據國際電信聯盟的最新統計數據[1]，截至2017年底，全球蜂窩移動通信用戶數已高達77億，滲透率為103.5%，遠超固定電話和固定互聯網寬帶接入的滲透率。工業和信息化部的數據也顯示[2]，在2017年，隨著4G的大規模商用，我國的移動互聯網接入流量消費高達246億吉比特，全年每月戶均移動互聯網接入流量達到1 775 MB，其中通過手機上網的流量占到總流量的95.6%。然而不斷增長的用戶數量以及人們對更高服務質量的追求與有限的頻譜資源的矛盾也越發突出。據國家無線電監測中心預測[3,4]：到2020年，根據現有頻譜規劃，中國5G頻譜缺口將高達600 MHz。此外，各類應用程序特別是視頻、游戲、導航等高耗能業務在智能終端的蓬勃發展，使得移動終端的電池能量消耗日益攀升。然而，由于受到尺寸和內部空間的限制，移動終端電池容量往往有限，這嚴重影響了用戶的服務體驗，阻礙了高耗能業務的發展。因此，未來如何充分利用資源，提高無線通信系統的頻譜效率和能量效率成為5G網絡面臨的難題，同時也是目前學術界和產業界關注的焦點[5-7]。

為了解決這些難題，國內外研究人員提出了很多方案思路，例如采用異構網絡和超密集網絡架構[8]，通過大量部署小型基站（small cell）來提高系統容量和用戶服務體驗。但部署小型基站需要大量資金投入，且選址和維護也是運營商需要面對的難題[9]。而終端直通（device-to-device,D2D）通信技術[10]，在不需要運營商額外投資的情況下，通過鄰近的節點，使用授權頻段、不經過基站的中繼而直接進行信息傳輸，提升網絡性能，受到廣泛關注[11]。

與此同時，隨著自干擾消除技術的進步[12-14]，無線同頻同時全雙工通信也引起了研究者的廣泛關注。相比半雙工通信，全雙工通信能潛在地提升一倍頻譜效率，實現更加靈活的頻譜使用，同時降低端到端時延，因此也被廣泛認為是下一代通信系統中提升無線頻譜效率的重要方向[15-19]。

由于D2D通信中的發射功率較小，從而避免了待接收的有用信號被自身發射信號淹沒，這一點對于全雙工通信十分有利[16]。此外，在D2D通信的應用中，通常通信雙方要相互交換信息，有著雙向的流量，特別適合進行全雙工通信。因此，二者的結合吸引了國內外眾多研究者的注意[16,19]。

基于同時同頻收發的全雙工通信可以進一步提升D2D通信的性能，但也給現有網絡帶來了更加復雜的用戶間干擾和自干擾[19]，而干擾影響接收信號質量，如果不能得到有效控制，會嚴重損害網絡的總體性能和用戶服務體驗。因此，D2D資源優化配置和干擾管理機制一直是業界研究的重點[16-20]。

2 全雙工D2D通信的特點及應用

與傳統基于基站中繼的通信方式不同， D2D通信允許鄰近的節點使用授權頻段直接進行數據傳輸，這樣可以帶來如下三大增益。

（1）信道增益

與傳統蜂窩網絡中基站與用戶間的通信鏈路相比，D2D通信鏈路距離短，路徑損耗較小，特別當用戶到基站的鏈路處于深度衰落狀態或通信雙方都處在小區邊緣時，D2D通信帶來的信道增益就十分明顯。

（2）跳數增益

不同于傳統的蜂窩基站中繼通信，數據從源節點傳到目的節點至少需要經過上行和下行兩次傳輸。D2D直通鏈路，數據只需一跳，便可完成從源節點到目的節點的傳輸，從而節約大量的傳輸資源。

（3）復用增益

D2D直接通信鏈路距離較短，發射功率小，對與其共享頻譜資源的用戶干擾小。因此，可以與距離較遠的蜂窩用戶復用頻譜資源，增大資源利用效率，同時也不損害雙方的通信質量。

近些年來的研究表明，通過天線隔離技術以及模擬域、數字域的干擾消除，全雙工通信可以潛在提升一倍頻譜效率[15-19]。此外，全雙工D2D通信可以最大限度提升用戶收發設計的自由度，適合頻譜緊缺和碎片化的多種通信場景。因此，相比于半雙工D2D通信，全雙工D2D通信可以額外帶來雙工增益，從而進一步提升網絡資源利用效率。

高速率、高連接數和低時延等指標是5G通信系統的核心性能指標。D2D通信的信道增益有助于提高5G系統的數據傳輸速率；其跳數增益、復用增益及雙工增益可節省大量的傳輸資源，并通過本地通信分流核心網的流量負載，降低擁塞風險，有助于接入更多的用戶；而且，信道增益、跳數增益及雙工增益可以降低信息端到端的傳輸時延。

全雙工D2D通信也有助于實現5G系統高頻譜效率和高能量效率的需求。其信道增益、跳數增益、復用增益和雙工增益可提高系統總體頻譜效率并減少用戶的能量消耗，其高效的頻譜利用，可顯著增加接入用戶數，從而減小未來超密集網絡中基站的部署密度，降低網絡復雜度和成本。可見，為實現5G系統高速、可靠、綠色和個性化的服務愿景，全雙工D2D通信可發揮重要的作用。

隨著智能手機、平板電腦、可穿戴設備等智能終端的普及和基于用戶地理位置信息業務（location based service，LBS）的興起，全雙工D2D通信的應用日益廣泛，舉例如下。

· 基于全雙工D2D通信的信息共享：人們可以基于全雙工D2D通信的本地傳輸，利用較短傳輸時延，交換視頻、圖片等多媒體文件及其他社交網絡應用信息，改善用戶服務體驗，同時減輕基站負載。

· 基于全雙工D2D通信的車輛通信：車輛間利用較短的傳輸時延，及時交換路況、車速等信息，提高信息傳輸的時效性。

· 基于全雙工D2D通信的中繼傳輸：通過全雙工D2D中繼的幫助，用戶與基站間的傳輸鏈路長度將大大縮短，特別是當用戶處于深度衰落環境下或小區邊緣時，傳輸速率將有明顯提升。

除了商業應用，全雙工D2D通信還能在緊急救援和公共安全領域發揮其特有的優勢。當蜂窩移動通信系統被地震、颶風等災難事件嚴重破壞時，鄰近終端仍可通過全雙工D2D通信進行信息交互，提高了移動通信系統的頑健性。圖1展示了全雙工D2D通信在這些方面的應用。

3 全雙工D2D通信研究現狀

全雙工 D2D通信技術在為用戶提供高速率、低功耗、低時延的近距離通信服務的同時，也使蜂窩系統的電磁環境更加復雜，從而增加了網絡資源優化的難度。因此，有效的資源分配機制和干擾抑制技術是利用好全雙工D2D通信的關鍵所在，目前的研究工作也主要集中在這一方面。

3.1 全雙工D2D直通通信資源分配

功率控制是簡單有效的干擾控制方法。可以通過限制D2D用戶的最大發射功率，例如，基于功率裕度（power margin）因子來進行功率分配，從而減小D2D用戶對普通蜂窩用戶的干擾[21,22]。然而在實際的網絡中，功率裕度因子的設置是個難題，較大的功率裕度因子值，會使滿足此值的普通蜂窩用戶較少，而較小的功率裕度因子值，又會造成D2D用戶的服務質量下降。參考文獻[23]提出了啟發式資源分配算法，保證D2D用戶和普通蜂窩用戶的服務質量，但該算法在進行D2D用戶和普通蜂窩用戶的信道配對時，只考慮了用戶的瞬時信道信息，未考慮D2D用戶和普通蜂窩用戶間的功率協調，造成實際結果與最優結果間的巨大差異。基于此，參考文獻[24]考慮了多對 D2D 用戶和多個普通蜂窩用戶共享上行鏈路頻譜資源的場景，在保證所有普通蜂窩用戶和可接入網絡的 D2D用戶最小信干噪比（signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR）前提下，設計了一個跨層優化資源分配算法，該算法以最大化系統總體吞吐量為目標。仿真表明，算法能顯著提高網絡中 D2D 用戶的接入率和系統總體吞吐量。

圖1 蜂窩網絡中全雙工D2D通信的應用

合理地調配時域、頻域和空域資源，可以有效地減少用戶間干擾。參考文獻[25]提出利用跳時機制來分散D2D用戶在同一時間上的干擾并減小用戶遠近效應；參考文獻[26]提出利用著色理論來避免相互間干擾嚴重的 D2D用戶使用相同的信道；參考文獻[27, 28]利用匹配理論來優化D2D用戶和普通蜂窩用戶間的信道配對。在空域方面，參考文獻[29-31]提出干擾限制區域的概念，通過限制普通蜂窩用戶和D2D用戶間的最小距離，減小相互之間的干擾。此外，還有基于博弈論的資源調度算法，如參考文獻[32]中提出的第二價格連續競拍機制、參考文獻[33]中的反向迭代組合拍賣以及參考文獻[34]中的斯塔克爾伯格博弈等。

在D2D通信中，用戶可以采用正交模式、復用模式和基站中繼模式[35,36]3種不同的傳輸模式進行通信。更多的通信傳輸模式，意味著更多的通信自由度，因此有助于提高網絡性能。參考文獻[35,36]設計了以最大化網絡頻譜效率和能量效率為目標的最優模式選擇算法。仿真表明，經過最優模式選擇的 D2D 通信能顯著提高系統的頻譜效率和能量效率。

以上這些功率控制算法、調度機制和模式選擇方案雖然能提高網絡性能，但大部分研究只考慮D2D通信的半雙工通信模式，全雙工D2D通信的資源分配有待進一步研究。

針對網絡中全雙工D2D用戶直通通信場景，在參考文獻[37, 38]中，分別給出了最大化網絡遍歷容量和保障用戶時延服務質量的最優功率分配算法，沒有考慮D2D用戶復用普通蜂窩用戶的資源。參考文獻[39]針對網絡中多對全雙工D2D通信節點復用蜂窩用戶上行鏈路頻譜資源的系統總體吞吐量最大化問題，提出了基于點著色理論的聯合時頻資源塊和功率分配方案，仿真結果顯示該方案能達到近似最優的結果并顯著降低計算復雜度。參考文獻[40]針對網絡中全雙工D2D通信節點大規模部署的場景，利用隨機幾何理論分析了網絡中用戶的中斷概率性能，并指出網絡中所有D2D用戶都工作在全雙工模式并不是最優的選擇。類似地，在參考文獻[41]中，利用隨機幾何理論分析了網絡中全雙工D2D通信帶來的吞吐量提升，并提出了動態蜂窩鏈路保護機制，避免全雙工D2D用戶對普通蜂窩用戶的干擾。值得注意的是，以上參考文獻并沒有涉及多對D2D用戶場景下，聯合用戶雙工模式選擇、用戶接入控制、功率控制和信道分配的跨層資源分配優化方案，因此有待進一步研究。

3.2 全雙工D2D中繼通信資源分配

參考文獻[42]給出了在不同雙工模式下最大化用戶頻譜效率的功率分配策略，但未考慮用戶的QoS要求。參考文獻[43]基于參考文獻[42]中的最優功率分配策略，提出了全雙工中繼網絡中用戶信息傳輸和能量傳輸之間的最佳時間分配策略。參考文獻[44]考慮了用戶的 QoS要求，提出D2D全雙工中繼節點部分功率用于蜂窩用戶中繼傳輸，部分用于自身數據傳輸的最優功率分配策略。參考文獻[45]提出了一種基于全雙工D2D輔助協同的非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）方案，其中弱NOMA用戶在具有全雙工D2D通信能力的強NOMA用戶的幫助下改善中斷性能。但這些文獻僅考慮了網絡中單個D2D全雙工中繼用戶的場景。參考文獻[46]針對網絡中存在多組全雙工中繼輔助的 D2D用戶組，提出了基于線性松弛算法的系統吞吐量最大化解決方案。在參考文獻[47]中，針對網絡中全雙工D2D中繼節點大規模部署的場景，利用隨機幾何理論分析了網絡中用戶的覆蓋概率性能，分析結果顯示，當用戶的目標信干噪比小于5 dB時，全雙工中繼更加有利于提升用戶的覆蓋概率。此外參考文獻[48]概述了在全雙工異構網絡中，基于博弈論的用戶資源分配策略。

4 全雙工D2D通信未來研究方向

目前 D2D通信的研究主要集中在半雙工模式，大量研究工作針對D2D通信干擾控制，從功率控制、資源調度和D2D通信模式選擇等各個方面提出了很多有效的協議、機制和算法。但應注意，全雙工D2D通信的研究還處于起步階段，雖有不少研究成果公開報道，但尚未形成完整的理論和技術體系，仍有不少關鍵技術亟待解決，具體如下。

（1）D2D混合雙工通信跨層優化資源分配

在全雙工 D2D直通通信中，對于多對 D2D用戶和多個 CU用戶共享資源的場景，資源分配問題較為復雜，大量研究對用戶接入控制、功率控制和信道分配等多是分開進行的，而且沒有考慮用戶的雙工模式選擇問題，這樣容易造成設計冗余。因此一個整體性的跨層設計方案，聯合優化用戶雙工模式選擇、接入控制、功率分配和信道分配值得進一步研究。

（2）全雙工D2D通信中繼激勵機制

通過全雙工D2D中繼通信，基站到小區邊緣用戶的傳輸鏈路長度大大縮短，從而提升傳輸速率。然而小區邊緣用戶傳輸速率的增加是以犧牲D2D中繼用戶的功率或時間等資源為代價的。在實際系統中，由于用戶的電池容量有限，而且在全雙工D2D中繼通信中，用戶因自干擾消除，需要消耗更多的能量。而且現有文獻大部分都假設D2D用戶愿意為其他用戶服務。因此，如何設計合理的用戶激勵機制來驅動D2D用戶來充當其他用戶的中繼，并實現雙方的合作需要進一步研究。

（3）全雙工D2D通信中頻譜效率與能量效率的折中優化機制

目前，在全雙工D2D通信無線資源分配的優化設計中，研究者往往固定地以能量效率最優或頻譜效率最優的方式對系統進行配置，而沒有考慮業務需求動態變化的影響，得到的算法或機制無法在動態業務條件下保證系統性能。例如，在全雙工D2D直通通信中，當用戶的傳輸速率要求不高時，D2D用戶可以工作在半雙工模式來滿足用戶需求，以降低系統能耗。在全雙工模式下，用戶由于要進行自干擾消除，需要消耗更多的能量。如果一味地追求頻譜效率，用戶的能量效率就可能受到損失。因此，如何根據業務動態的特點，研究全雙工D2D通信中的能效與譜效的折中優化模型，對系統進行動態優化配置，也有待進一步深入研究。

（4）多小區環境下的全雙工D2D通信資源分配

目前研究多集中在單小區環境下全雙工D2D通信的資源分配問題。在多小區環境下，用戶的資源分配變得更加復雜。因此，需建立理論模型，針對多小區異構網絡場景，設計更適合于實際系統的算法。

（5）多天線環境下的全雙工D2D干擾協調和資源分配

目前的研究大部分只考慮了基站和用戶單根天線時的干擾協調和資源分配，未來的研究應著重設計聯合空域、時域、頻域和碼域資源的優化分配方案，以提升系統性能。

（6）非授權頻段全雙工D2D通信資源分配

非授權頻譜是開放性的資源，允許任何無線接入技術使用；而D2D通信用戶通信距離短，發射功率小，從而干擾也少，因此易與其他部署在免授權頻段的無線接入系統（如 Wi-Fi系統）公平共存。目前全雙工D2D通信的研究主要集中在授權頻段上，而非授權頻段的研究主要集中在MAC層機制，因此關于非授權頻段的全雙工D2D通信的資源分配需要進一步研究。

（7）全雙工D2D通信的安全機制

基于全雙工D2D中繼通信，小區邊緣或者與處于深度衰落狀態的用戶可以通過周圍用戶的中繼接入網絡，從而提升用戶服務體驗。然而通過中繼傳輸，源節點發送的信息要交付給中繼節點，面臨信息泄露風險。特別是當中繼節點不可信時，信息安全問題更加突出。目前全雙工D2D中繼通信中關于如何確保用戶數據安全的研究較少，值得進一步研究。

5 結束語

全雙工 D2D通信技術可以為用戶提供高速率、低功耗、低時延的近距離通信服務，提高系統頻譜效率和能量效率，減輕基站的負載，降低運營商的運行成本，對于實現5G系統具有重要意義。然而全雙工D2D通信也給蜂窩系統帶來了更復雜的電磁環境，增加了網絡資源管理優化的難度。本文綜述了全雙工D2D通信資源分配方面的研究現狀和存在問題，同時探討了全雙工D2D通信的未來研究方向，相信隨著5G標準化進程的加快，全雙工D2D通信的研究將更加深入并在不久的將來成為現實。

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