D2D技术研究现状及发展前景

焦岩，高月红，杨鸿文，杨大成

（北京邮电大学，北京 100876）

2013年12月4日，工业和信息化部正式向全国三大运营商颁发了TD-LTE牌照，这也预示着中国4G时代的到来。随着各种移动通信系统的演进，如LTEAdvanced及WiMAX（802.16）等，带宽需求逐渐增加，无线频谱资源日趋紧缺，商用移动通信的频段逐步向高频发展，可用带宽虽然变多，但是高频同样带来许多问题，空间损耗及路径损耗变大，绕射能力较低，覆盖范围相对较小。据工信部相关资料显示，共有162 MHz的频谱用于2G系统，335 MHz的频谱用于3G系统，而TD-LTE系统则占用了210 MHz，到2020年，中国城区国际移动通信（IMT，International Mobile Telecommunication）的频谱需求为1 864 MHz，而用于IMT的频谱缺口为1 177 MHz。分配的频带资源已经满足不了无线通信系统的发展需求，如何充分利用有限的资源成了研究的热点问题。

为了应对这些挑战，进一步提高资源利用率，3GPP组织启动了一系列标准化工作，如构建异构网络、小区分簇等，运营商也不断加大对Small Cell的投资，相对于投入大量资金铺设小型基站，运营商更倾向于系统的平滑演进，D2D技术可直接在现网中升级而来。

如今，随着4G技术标准的逐步完善，5G技术已经进入了人们的视线，D2D技术与大规模MIMO、超密集部署、灵活双工等一并确定为IMT-2020研究的关键技术。

D2D技术可以通过复用小区频谱资源的方式提高频谱利用率，有效降低基站负荷，由于其可以在无网络基础设施的情况下通信，无疑保证了网络的QoS及鲁棒性。

1 D2D技术发展历程

D2D通信作为4G技术中的一项关键技术，一直备受关注，3GPP组织从2013年4月的RAN1 #72BIS会议开始，着重对D2D技术进行研讨，D2D技术日趋成熟。

与物联网中的M2M（Machine to Machine）概念类似，D2D旨在使一定距离范围内的用户通信设备直接通信，以降低对服务基站的负荷。在D2D技术出现之前，已有类似通信技术出现，如10几年前的蓝牙（短距离时分双工通信），Wi-Fi Direct（更快的传输速度和更远的传输距离）和高通提出的FlashLinQ技术（极大地提高了Wi-Fi的传输距离）。后面两种技术由于各种原因都没能大范围商用，而3GPP组织致力研究的D2D技术会在一定程度上弥补点对点通信的短板。

相对于其它不依靠基础网络设施的直通技术而言，D2D更加灵活，既可以在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互，最近又提出一种中继情况，处于无网络覆盖情况下的用户可以把处在网络覆盖中的用户设备作为跳板，从而接入网络。

3GPP组织制定的Release 12版本中，将D2D定义为LTE Device to Device Proximity Services，并通过TR36.843技术报告不断完善D2D的标准。

2 D2D技术特点及通信场景

2.1 D2D技术特点

D2D通信在不断发展的同时，已经超越了初期定义时的局限性，可以满足多种新兴业务需求，如广告推送，大型活动资料共享，朋友间的信息共享等。

D2D具有明显的技术特征，相比于类似技术，其最大的优势在于工作于许可频段，作为LTE通信技术的一种补充，它使用的是蜂窝系统的频段，通信双方即使增加了通信距离之后，还能保证用户体验质量（QoE），反而，Wi-Fi Direct等技术在增大通信距离之后，势必会存在一定的干扰。

由于D2D通信距离相对较短，信道质量较高，能够实现较高的传输速率、较低的时延和较低的功耗，增加手机续航时间。

除了以上方面，D2D还可以满足人与人之间大量的信息交互，相比于蓝牙，D2D无需繁琐的匹配，且传输速度更快，相比于免费的Wi-Fi Direct却有更好的QoS保证。

2.2 D2D通信场景

在业务和系统结构层面上，3GPP组织把D2D场景分为公共安全（Public Safety Scenarios）和非公共安全（Non Public Safety Scenarios）场景，非公共安全也称为商业应用。公共安全场景是指在发生自然灾害、设备故障、停电及人为破坏后蜂窝系统瘫痪，或在网络覆盖较差及用户密度较高的地区，此时使用D2D技术，使用户终端之间直接进行通信以达到保持正常通信或扩容等目的。该场景具有较大的现实意义，并得到若干国家运营商的支持，如美国准备分配700 MHz频带上的部分频谱专门作为D2D应急通信资源。

D2D同样具有广阔的商用模式，首先体现在广播方面，如在大型活动中的资料共享，购物中心促销、打折等信息的推送，政府部门重要信息广播等。

在无线接入层面，按照蜂窝网络覆盖范围区分，可以把D2D通信分成如下3种场景。

（1）蜂窝网络覆盖下的D2D通信（蜂窝网络控制下的D2D通信）。

（2）部分蜂窝网络覆盖下的D2D通信（蜂窝网络辅助控制下的D2D通信）。

（3）无蜂窝网络覆盖下的D2D通信（不受蜂窝网络控制的D2D通信）。

对于第1种情况，如图1所示，LTE基站首先需要发现D2D通信的设备，建立逻辑连接，然后控制D2D设备的资源分配，进行资源调度和干扰管理，用户可以获得高质量通信。

对于第2种情况，如图2所示，基站只需引导设备双方建立连接，而不再进行资源调度，其网络复杂度比第一类D2D通信有大幅降低，可对应于下文提到的中继模式。

图1 网络覆盖场景

图2 部分网络覆盖场景

第3种场景是在完全没有蜂窝网络覆盖的时候，如图3所示，用户设备（UE）进行直接通信，该场景对应于蜂窝网络瘫痪的时候，用户可以经过多跳，相互通信或者接入网络。

按照接收端和发送端所处位置区分，可以把D2D通信分成如下3种场景。

（1）发送端和接收端都在室内。

（2）发送端和接收端都在室外。

（3）发送端和接收端一个在室内一个在室外。

在实际应用中，可以大量采用前两种场景，比如将室内蜂窝用户的资源复用给室外的D2D用户，或者室内D2D用户复用室外蜂窝用户资源，这样势必会减少因复用资源而产生的干扰。

图3 无网络覆盖场景

D2D技术主要分为如下两个重要的研究方向：D2D设备发现（D2D Discovery）和D2D通信（D2D Communication）。设备发现主要用于商业场景中的广播通信（广告），而D2D通信主要用于公共安全场景。表1是3GPP组织给出的D2D重点研究场景，从表中可以看出，D2D的商业应用主要是在蜂窝网络覆盖下发现用户，从而达到某种目的。

表1 LTE-D2D研究方向

最近，3GPP组织又提出了一种中继模式的D2D通信。该技术主要目的是使无网络覆盖或者处在小区边缘的用户通过单跳或者多跳连接信号质量好的用户，然后接入网络，这可以提升小区吞吐量，提高小区边缘用户通信质量，扩大网络覆盖范围。

其实，D2D的中继方式早有前身，在周围没有Wi-Fi信号的场景下，用户使用某种没有蜂窝能力设备上网时，可以通过共享手机的上网流量，如图4左所示，无法直接接入蜂窝网络的用户设备可以通过接入蜂窝网络的智能终端作为访问接入点（AP）从而实现上网功能，但是当用户移动速度较快或者超出Wi-Fi信号覆盖范围时，该链接就会中断，不能保证用户的服务质量。为了保证会话连续性，可以采用图4右所示的LTE-D2D接入方式，使用户在移动过程中可以随时切换并连接到任意其它蜂窝UE，保持其通信连续性。

图4 Wi-Fi接入和LTE-D2D方式接入

在中继模式下，如何保证用户通信安全及中继用户的通信质量是今后的研究重点。

3 D2D关键问题

D2D不仅影响eNB（evolved NodeB）的工作方式及复杂程度，而且影响UE的硬件设计。由于传统的蜂窝用户设备只需在上行具备发送能力及在下行具备接收能力，但基于D2D通信的技术要求，D2D用户设备需要具备双向收发能力，即在上、下行都能发送和接收信号，那么需要升级用户设备的收发机，从这方面出发，TDD系统无疑比FDD系统更具优势，因为FDD用户设备在接收、解调上行信号时，需要升级射频滤波器，并相应升级基带滤波器等，TDD用户设备在接收上行信号时，需要升级其在上行时隙上的解调能力，但其接收频段没有改变，这样只需要升级基带系统，所以TDD系统用户设备的改变较小。

当D2D在未来大范围应用时，D2D设备势必会复用蜂窝频谱资源，按照D2D使用的信道区分，可以把D2D通信分成如下3种模式。

（1）D2D设备与宏基站共享信道。

（2）D2D设备与小型基站共享信道。

（3）D2D设备使用自己的专有信道。

当D2D设备使用专有信道时，不会对蜂窝网络中的通信造成干扰。但当小区中用户密度较高时，D2D设备通信时需复用蜂窝用户的频率资源，当复用上行链路资源时，eNB会受到同频干扰，这时基站可以根据上行链路SINR适当调整D2D通信的发送功率以控制干扰。

当复用下行链路资源时，下行链路上的用户会受到D2D信号的干扰，被干扰的用户位置取决于蜂窝系统的当前调度情况，所以受干扰的下行链路用户可能位于小区中的任意位置，如果受干扰用户和D2D用户的距离较近时，会发生严重干扰，所以3GPP组织优先研究D2D复用上行链路资源，同时，对于TDD系统，优先复用上行子帧。

为了避免同频干扰，可以将被干扰的用户和D2D用户在空间上分离，基站可以将相同的频谱资源分别分配给室内和室外的用户。

同步是D2D通信的前提，UE需要接收同步源发射的同步信号达到定时及频率同步的目的。D2D同步信号（D2DSS）的原理与结构同LTE中的PSS/SSS类似，是D2D通信中非常重要的组成部分。在UE发送信号之前，首先需要侦测同步源，当发现多个同步源时候，以基站发射的同步信号为最高优先级。

4 D2D发展前景及应用

D2D作为5G关键技术之一，通过直通、中继模式，扩大网络覆盖范围，提高小区边缘用户吞吐量；通过复用蜂窝小区频率资源，提高频谱资源利用率。目前，D2D可采用广播、多播、单播模式，未来将发展其增强技术（Advanced D2D），如多天线技术和联合编码技术等。

面对OTT对传统运营商的冲击，D2D技术势必作为运营商着力发展的一项技术。随着视频等多媒体业务的快速发展，以基站为中心的传统业务提供模式已经不能适应如今海量数据传输需求，D2D技术的诞生拓展了网络结构并革新了接入方式，将为用户带来更好的体验。

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