D2D通信技術及應用場景分析

徐操喜 楊小英 甘金海 魏鵬耀

摘要：文章在分析D2D通信系統基本架構的基礎上，重點研究了如何建立D2D通信的會話流程，從而建立D2D通信接連；在簡要闡述D2D通信所涉及的關鍵技術的基礎上，對比分析了D2D通信的技術優勢；對D2D通信在5G時代的典型基本應用場景進行了詳細分析，最后對D2D通信在未來5G時代所扮演的重要角色做了展望。

關鍵詞：LTE； D2D通信；技術優勢；應用場景

近年來，隨著多媒體業務急劇暴增，移動通信技術高速發展，4G長期演進（Long Term Evolution，LTE）系統已全面鋪設完成，5G系統已然向我們揮手，未來移動通信技術將進一步快速發展。通信帶寬資源隨著用戶需求的增加越來越緊缺，可以利用的無線信道頻譜道資源，又存在無法滿足業務需求的問題。如何提高LTE系統吞吐量、最大化利用現有系統頻譜資源必將成為未來移動通信技術的發展研究方向，設備到設備（Device-to-Device，D2D）通信技術正是為解決這一問題應運而生。

1 系統架構

D2D技術即終端直連傳輸技術，又稱為鄰近服務（Proximity Service），是指在LET網絡系統控制下，允許處在相近位置的終端用戶可以直接進行數據通信，而不需要通過基站進行中轉傳輸的新型技術[1]。

按照蜂窩網絡覆蓋范圍區分，可以把D2D通信分成3種場景：（1）蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信，LTE基站首先需要發現D2D通信設備，建立邏輯連接，然后控制D2D設備的資源分配，進行資源調度和干擾管理，用戶可以獲得高質量的通信。（2）部分蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信，基站只需引導設備雙方建立連接，而不再進行資源調度，其網絡復雜度比第一類D2D通信有大幅降低。（3）完全沒有蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信，用戶設備直接進行D2D通信，該場景對應于蜂窩網絡癱瘓的時候，用戶可以經過多跳，相互通信或者接入網絡。

2 會話建立

在LTE網絡中的D2D通信，用戶需滿足諸如距離、對主網絡的限制干擾等相應的條件才能建立D2D通信鏈路實現數據傳輸。具體會話建立過程：首先，LTE網絡需要通過設備發現機制識別出能夠進行D2D通信的用戶終端設備，目前主要有先驗機制和后驗機制兩種發現機制，分別對應LTE網絡控制下的D2D通信與LTE網絡輔助控制下的D2D通信[2-4]。

對于LTE網絡控制下的D2D通信，終端A向移動管理節點（Mobility Management Entity，MME）主動發起會話請求，MME接收并處理該請求，并分配一個專用IP地址給終端A；同時，MME檢測終端A、終端B是否在相同或相鄰小區，如果在相同或相鄰小區，則MME要求基站為這兩個D2D用戶終端設備建立承載。基站分別向終端A和終端B發送測量請求，檢測通信環境，并發回檢測結果報告。基站根據檢測結果判斷是否建立D2D連接，如果可以建立D2D通信鏈路，那么基站就會給終端A、終端B分配無線資源和設置相應的發送功率，從而建立D2D通信連接。

LTE網絡輔助控制下的D2D通信，兩個終端通信時由網關處理每個發送包的IP頭，通過分析它們所在小區，便可判斷雙方是否在同一個小區或相鄰小區覆蓋范圍內，如果是，則就將其標識為可能的D2D通信，然后交給基站檢測能否進行D2D通信[2]。具體過程如下所示：（1）用戶終端A發起會話請求。（2）媒體網關檢測用戶IP數據包，判斷通信雙方是否在相同或相鄰小區覆蓋區域內。（3）媒體網關根據距離等標準，將該終端標記為可能的D2D通信。（4）基站向可能的D2D通信終端請求上傳信道測量報告，決定是否建立D2D連接。（5）如果兩個終端都具備D2D通信功能且其性能比蜂窩移動通信更好，基站則為其建立D2D承載。

而對于兩個終端用戶都不在LTE網絡覆蓋范圍時，分兩種類型：（1）當兩個用戶終端距離較近時，則可直接利用D2D技術來進行通信。（2）兩個終端用戶距離較遠時，則必須尋找一個或多個用戶作為中繼終端，通過中繼節點，轉發兩個用戶終端的業務數據（通過兩段D2D通信實現）或者接入LTE網絡，在LTE基站的協助下，實現D2D通信[5-7]。

3 技術優勢

D2D通信的關鍵技術主要包括：實現鄰近D2D終端的檢測及識別的D2D發現技術、同步技術、無線資源管理、功率控制和干擾協調、通信模式切換等[8-9]。

3.1 頻譜利用率顯著提高

通信鏈路和資源復用產生的增益都可以將無線頻譜資源的效率大大提高，網絡吞吐量得到顯著改善。在D2D通信模式下，兩個終端用戶之間的數據無需經過移動通信網絡的中轉，直接進行傳輸，通信鏈路進而產生增益；另外，網絡存在資源復用增益，在D2D用戶、D2D與蜂窩間的資源都可以復用。

3.2 提升用戶體驗

引入基于鄰近用戶感知的D2D技術，用戶體驗大大提升。隨著通信技術和服務的發展，小范圍的社交和商業活動、面向本地特定用戶的特定業務以及具有鄰近特性的用戶間近距離的數據共享，都成為當前及未來無線平臺效益來源中一個不可忽視的增長點。

3.3 擴展應用范圍

移動通信網絡對通信設備要求較高，核心網或接入網設備的損壞都可能使得通信系統癱瘓。引入D2D通信，使得在蜂窩通信終端建立Ad Hoc網絡成為可能，終端可實現端到端的通信甚至接入蜂窩網絡，即使通信基礎設施出現故障或者存在網絡覆蓋盲區時，其應用場景得到進一步的擴展。

4 5G D2D通信主要應用場景

作為面向5G的關鍵候選技術，D2D通信固有的技術優勢，受到廣泛關注。下面對D2D通信在未來5G時代的潛在應用場景作初步分析[10-11]。

4.1 本地業務

4.1.1社交應用

D2D通信技術最基本的應用場景就是基于鄰近特性的社交應用。通過D2D通信功能，可以進行如內容分享、互動游戲等鄰近用戶之間數據的傳輸，用戶通過D2D的發現功能尋找鄰近區域的感興趣用戶。

4.1.2 本地數據傳輸

利用D2D的鄰近特性及數據直通特性實現本地數據傳輸，在節省頻譜資源的同時擴展移動通信應用場景。如基于鄰近特性的本地廣告服務可向用戶推送商品打折促銷、影院新片預告等信息，通過精確定位目標用戶使得效益最大化。

4.1.3 蜂窩網絡流量卸載

隨著高清視頻等大流量特性的多媒體業務日益增長，給網絡的核心層和頻譜資源帶來巨大挑戰。利用D2D通信的本地特性開展的本地多媒體業務，可以大大節省網絡核心層及頻譜的資源。例如，運營商或內容提供商可以在熱點區域設置服務器，將當前熱門的媒體業務存儲在服務器中，服務器以D2D模式向有業務需求的用戶提供業務；用戶也可從鄰近的已獲得該媒體業務的用戶終端處獲得所需的媒體內容，從而緩解蜂窩網絡的下行傳輸壓力。另外，近距離用戶之間的蜂窩通信可切換到D2D通信模式以實現對蜂窩網絡流量的卸載。

4.2 應急通信

D2D通信可以解決極端自然災害引起通信基礎設施損壞導致通信中斷而給救援帶來障礙的問題。在D2D通信模式下，兩個鄰近的移動終端之間仍然能夠建立無線通信，為災難救援提供保障。另外，在無線通信網絡覆蓋盲區，用戶通過一跳或多跳D2D通信可以連接到無線網絡覆蓋區域內的用戶終端，借助該用戶終端連接到無線通信網絡。

4.3 物聯網增強

根據業界預測，在2020年時全球范圍內將會存在大約500億部蜂窩接入終端，而其中大部分將是具有物聯網特征的機器通信終端。如果D2D通信技術與物聯網結合，則有可能產生真正意義上的互聯互通無線通信網絡。車聯網中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信就是典型的物聯網增強的D2D通信應用場景。基于終端直通的D2D由于在通信時延、鄰近發現等方面的特性，使得其應用于車聯網車輛安全領域具有先天優勢。

4.4 其他場景

LTE系統D2D應用場景還包括多用戶多輸入多輸出系統（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）增強、協作中繼、虛擬MIMO等。另外還可協助解決新的無線通信場景的問題及需求。如室內定位，基于傳統衛星定位方式的室內終端將無法正常工作，通過預部署的已知位置信息的終端或者位于室外的普通已定位終端，基于D2D的室內定位可以準確確定待定位終端的位置，實現LTE網絡中對室內定位的支持。

5 結語

本文對LTE網絡中D2D通信技術的基本原理和技術優勢進行了研究分析，隨著多媒體業務需求的不斷多樣化，終端數量的日益增長，5G時代的到來，D2D技術將會扮演越來越重要的角色，為實現真正意義上廣泛互聯互通移動網絡的無線通信發展愿景提供重要支撐。

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