5G關鍵技術：D2D通信技術應用

文/黃桔林 盧旭文

現代移動通信網絡正從以宏基站為主的二維平面覆蓋網絡（2G/3G）向宏微結合、立體覆蓋的異構網絡（4G/5G）發展，網絡覆蓋更加全面、精細，接入網絡的智能終端數量正在快速增長。智能終端（如智能手機、智能家電、可穿戴式設備，智能車載設備等）的普及，使得各種新興業務不斷涌現，同時移動互聯網數據流量持續膨脹，網絡負荷越來越重。根據工信部發布的數據，2019年1月-4月，移動互聯網累計流量達351億GB，同比增長122.2%。4月DOU達到7.32GB，同比增長110.2%。2013年，3GPP在Release12協議中對D2D通信技術進行了深入探討，定義了鄰近服務功能（Proximity-based services，ProSe），可以說ProSe技術就是D2D技術的標準化。隨著D2D通信技術的不斷發展、成熟及完善，其已被納入到第五代移動通信系統框架內，成為5G關鍵技術之一。

1 D2D通信系統簡介

1.1 D2D通信系統網絡架構

D2D通信技術（Device-to-Device Commu nication）是指通信終端無需經過基站轉發，可直接建立通信連接進行數據交互的通信方式。D2D通信系統在網絡側新增了2個功能實體ProSe Function（鄰近服務功能實體）和ProSe Application server（鄰近服務應用服務器），用戶側終端則需支持ProSe Application（鄰近服務應用），其具體網絡架構如圖1所示。

1.2 D2D通信功能

蜂窩系統要實現設備間的直接通信，需具備以下功能：

（1）基于蜂窩網絡EPC的設備發現，也就是終端A/B間經由蜂窩網絡EPC統一調度、控制，發現彼此的會話請求，從而在終端A/B間建立通信連接。

（2）設備直接發現，也就是終端A/B間無需蜂窩網絡的參與即可發現彼此建立連接。

（3）設備直連通信，即終端A/B間通信連接建立后，數據傳輸無需經由蜂窩網絡轉發，終端A/B間可以直接進行信息交互。終端設備通過復用對應蜂窩小區的頻率資源來達到流量分流的效果，從而提升小區吞吐量。

（4）終端到網絡的中繼功能，也就是多跳功能，以終端作為中繼節點，經多跳接入蜂窩網絡。

1.3 D2D通信技術優勢

（1）近距離通信時可以較小的功率獲得較快的傳輸速率；

（2）數據傳輸無需依賴移動通信網絡，直通終端間直接建立通信鏈路進行數據交互，分流數據流量，降低基站負荷，緩解核心網壓力；

（3）D2D通信可通過復用移動通信網絡小區頻譜資源，提高頻譜資源利用率，從而增加系統吞吐量；

（4）具備完整的端到端QoS機制，用戶服務質量有保障，可以滿足不同業務的服務質量需求；

（5）具備多跳中繼功能，網絡覆蓋范圍外的終端設備可借助小區邊緣終端，通過多跳的方式接入移動通信網絡，間接擴展了蜂窩小區的覆蓋范圍；

（6）相較其他近距離通信技術（藍牙、Wi-Fi Direct等），D2D通信更靈活，即可工作于授權頻譜，也可工作于非授權頻譜。另外相比藍牙技術，D2D通信無需進行繁瑣的匹配，時延更小，傳輸速率更快。

圖1：基于LTE-A的D2D網絡架構示意圖

2 應用場景分析

根據D2D通信技術的特點和技術優勢，其主要應用場景有以下幾方面。

2.1 車聯網

車聯網，其實就是車對萬物的互聯，是D2D通信技術在物聯網領域的重要應用。車聯網需滿足多方面的技術需求。首先車輛在蜂窩網絡的協調、調度下，能夠與周邊支持直通技術的終端進行信息交互，即便是在極端條件下（蜂窩網絡故障或損毀），車輛與周邊終端仍可進行直通通信；其次由于車輛行駛速度較快，網絡拓撲變換頻繁，對移動性管理要求較高；另外由于城市內車輛行駛環境復雜、多變，為應對突發情況，對于傳輸時延的要求也很苛刻。

針對車聯網的技術需求，車聯網主要有以下四大應用類型，如圖2所示。

（1）V2V（車輛對車輛）：鄰近車輛間直接進行通信。

（2）V2P（車輛對行人）：車輛與附近行人攜帶的終端（如可穿戴設備）直接進行通信。

（3）V2I（車輛對基礎設施）：車輛與路邊單位（各類基礎設施如燈桿，交通信號桿，監控桿等）直接進行通信。

（4）V2N（車輛對網絡）：支持V2N應用的終端借助蜂窩網絡直接與V2N應用服務器進行通信。

為搭建一張安全、高效、可靠的車聯網，車輛與車輛之間，車輛與行人之間，車輛與燈桿、廣告牌、監控桿等基礎設施之間，乃至車輛與萬物都可以直接建立通信鏈路進行信息交互。通過它們之間的通信，車輛得到了更詳細、全面的路況信息，從而能夠更精準的預判路況變化，更靈活高效的規劃路線，更安全可靠的行駛。

依托5G網絡更快的傳輸速率、更低的端到端時延，基于D2D的車聯網技術將得到進一步的完善，諸如車輛編隊行駛、自動駕駛、遠程駕駛等應用都將得以實現。

2.2 大型活動現場本地數據共享

對于大型活動現場現場，人員密集，數據流量巨大，會對附近的蜂窩網絡造成很大壓力，可以通過在現場設置服務器的方式，將熱門數據存儲到服務器，服務器以D2D的模式向有需要的用戶提供服務。例如在大型商場或超市舉辦促銷活動，可以通過現場服務器將實時促銷信息投放到顯示屏和客戶的終端上；又如在大型演唱會或晚會現場，用戶可以D2D形式從服務器或者已獲得所需多媒體內容的鄰近終端處獲取表演嘉賓或節目的資料，可以服務器位置為參考精確定位在室內現場的位置，與他人共享位置信息等。再如大型展覽活動，展覽者可以突破場地的限制，想游客展示更多的產品或者技術細節，游客也可以D2D模式直接對展覽者提供建議。

D2D通信模式將數據傳輸控制在本地范圍，蜂窩網絡無需為大量重復并發的業務需求配置無線資源，很好的緩解了無線空口及核心層的壓力。

2.3 災難應急通信

D2D通信技術還有一大應用場景就是災后應急通信。應急通信網絡以保障救援、緊急救助的基本通信為主，確保災區與外界良好的通信，可以有效地引導救援工作，提高救援效率。這對應網絡健壯性有更高的要求。

D2D技術可以在由極端自然災害導致的蜂窩網絡完全損毀的情況下，通過預置在公共災害服務單元或者終端內的配置信息，在鄰近用戶終端間建立直通鏈路，實現數據傳輸，滿足災后救援通信需求。

3 結束語

本文總結了D2D通信技術的特點和優勢，詳細介紹了D2D技術的應用場景。D2D技術通過復用蜂窩網絡的頻譜資源，能有效的提升頻譜利用率，增加系統容量。D2D技術是實現車聯網V2X的基礎支撐技術，另外在本地數據共享、災難應急等方面也有廣闊應用前景。D2D通信技術標準正在不斷補充完善，但尚有多方面問題需解決，例如普通蜂窩網絡用戶與D2D用戶間的干擾協調問題以及D2D通信隱私安全保障問題，這也將是本文下一步的探討方向。

圖2：車聯網應用類型示意