5G关键技术：D2D通信技术应用

文/黄桔林 卢旭文

现代移动通信网络正从以宏基站为主的二维平面覆盖网络（2G/3G）向宏微结合、立体覆盖的异构网络（4G/5G）发展，网络覆盖更加全面、精细，接入网络的智能终端数量正在快速增长。智能终端（如智能手机、智能家电、可穿戴式设备，智能车载设备等）的普及，使得各种新兴业务不断涌现，同时移动互联网数据流量持续膨胀，网络负荷越来越重。根据工信部发布的数据，2019年1月-4月，移动互联网累计流量达351亿GB，同比增长122.2%。4月DOU达到7.32GB，同比增长110.2%。2013年，3GPP在Release12协议中对D2D通信技术进行了深入探讨，定义了邻近服务功能（Proximity-based services，ProSe），可以说ProSe技术就是D2D技术的标准化。随着D2D通信技术的不断发展、成熟及完善，其已被纳入到第五代移动通信系统框架内，成为5G关键技术之一。

1 D2D通信系统简介

1.1 D2D通信系统网络架构

D2D通信技术（Device-to-Device Commu nication）是指通信终端无需经过基站转发，可直接建立通信连接进行数据交互的通信方式。D2D通信系统在网络侧新增了2个功能实体ProSe Function（邻近服务功能实体）和ProSe Application server（邻近服务应用服务器），用户侧终端则需支持ProSe Application（邻近服务应用），其具体网络架构如图1所示。

1.2 D2D通信功能

蜂窝系统要实现设备间的直接通信，需具备以下功能：

（1）基于蜂窝网络EPC的设备发现，也就是终端A/B间经由蜂窝网络EPC统一调度、控制，发现彼此的会话请求，从而在终端A/B间建立通信连接。

（2）设备直接发现，也就是终端A/B间无需蜂窝网络的参与即可发现彼此建立连接。

（3）设备直连通信，即终端A/B间通信连接建立后，数据传输无需经由蜂窝网络转发，终端A/B间可以直接进行信息交互。终端设备通过复用对应蜂窝小区的频率资源来达到流量分流的效果，从而提升小区吞吐量。

（4）终端到网络的中继功能，也就是多跳功能，以终端作为中继节点，经多跳接入蜂窝网络。

1.3 D2D通信技术优势

（1）近距离通信时可以较小的功率获得较快的传输速率；

（2）数据传输无需依赖移动通信网络，直通终端间直接建立通信链路进行数据交互，分流数据流量，降低基站负荷，缓解核心网压力；

（3）D2D通信可通过复用移动通信网络小区频谱资源，提高频谱资源利用率，从而增加系统吞吐量；

（4）具备完整的端到端QoS机制，用户服务质量有保障，可以满足不同业务的服务质量需求；

（5）具备多跳中继功能，网络覆盖范围外的终端设备可借助小区边缘终端，通过多跳的方式接入移动通信网络，间接扩展了蜂窝小区的覆盖范围；

（6）相较其他近距离通信技术（蓝牙、Wi-Fi Direct等），D2D通信更灵活，即可工作于授权频谱，也可工作于非授权频谱。另外相比蓝牙技术，D2D通信无需进行繁琐的匹配，时延更小，传输速率更快。

图1：基于LTE-A的D2D网络架构示意图

2 应用场景分析

根据D2D通信技术的特点和技术优势，其主要应用场景有以下几方面。

2.1 车联网

车联网，其实就是车对万物的互联，是D2D通信技术在物联网领域的重要应用。车联网需满足多方面的技术需求。首先车辆在蜂窝网络的协调、调度下，能够与周边支持直通技术的终端进行信息交互，即便是在极端条件下（蜂窝网络故障或损毁），车辆与周边终端仍可进行直通通信；其次由于车辆行驶速度较快，网络拓扑变换频繁，对移动性管理要求较高；另外由于城市内车辆行驶环境复杂、多变，为应对突发情况，对于传输时延的要求也很苛刻。

针对车联网的技术需求，车联网主要有以下四大应用类型，如图2所示。

（1）V2V（车辆对车辆）：邻近车辆间直接进行通信。

（2）V2P（车辆对行人）：车辆与附近行人携带的终端（如可穿戴设备）直接进行通信。

（3）V2I（车辆对基础设施）：车辆与路边单位（各类基础设施如灯杆，交通信号杆，监控杆等）直接进行通信。

（4）V2N（车辆对网络）：支持V2N应用的终端借助蜂窝网络直接与V2N应用服务器进行通信。

为搭建一张安全、高效、可靠的车联网，车辆与车辆之间，车辆与行人之间，车辆与灯杆、广告牌、监控杆等基础设施之间，乃至车辆与万物都可以直接建立通信链路进行信息交互。通过它们之间的通信，车辆得到了更详细、全面的路况信息，从而能够更精准的预判路况变化，更灵活高效的规划路线，更安全可靠的行驶。

依托5G网络更快的传输速率、更低的端到端时延，基于D2D的车联网技术将得到进一步的完善，诸如车辆编队行驶、自动驾驶、远程驾驶等应用都将得以实现。

2.2 大型活动现场本地数据共享

对于大型活动现场现场，人员密集，数据流量巨大，会对附近的蜂窝网络造成很大压力，可以通过在现场设置服务器的方式，将热门数据存储到服务器，服务器以D2D的模式向有需要的用户提供服务。例如在大型商场或超市举办促销活动，可以通过现场服务器将实时促销信息投放到显示屏和客户的终端上；又如在大型演唱会或晚会现场，用户可以D2D形式从服务器或者已获得所需多媒体内容的邻近终端处获取表演嘉宾或节目的资料，可以服务器位置为参考精确定位在室内现场的位置，与他人共享位置信息等。再如大型展览活动，展览者可以突破场地的限制，想游客展示更多的产品或者技术细节，游客也可以D2D模式直接对展览者提供建议。

D2D通信模式将数据传输控制在本地范围，蜂窝网络无需为大量重复并发的业务需求配置无线资源，很好的缓解了无线空口及核心层的压力。

2.3 灾难应急通信

D2D通信技术还有一大应用场景就是灾后应急通信。应急通信网络以保障救援、紧急救助的基本通信为主，确保灾区与外界良好的通信，可以有效地引导救援工作，提高救援效率。这对应网络健壮性有更高的要求。

D2D技术可以在由极端自然灾害导致的蜂窝网络完全损毁的情况下，通过预置在公共灾害服务单元或者终端内的配置信息，在邻近用户终端间建立直通链路，实现数据传输，满足灾后救援通信需求。

3 结束语

本文总结了D2D通信技术的特点和优势，详细介绍了D2D技术的应用场景。D2D技术通过复用蜂窝网络的频谱资源，能有效的提升频谱利用率，增加系统容量。D2D技术是实现车联网V2X的基础支撑技术，另外在本地数据共享、灾难应急等方面也有广阔应用前景。D2D通信技术标准正在不断补充完善，但尚有多方面问题需解决，例如普通蜂窝网络用户与D2D用户间的干扰协调问题以及D2D通信隐私安全保障问题，这也将是本文下一步的探讨方向。

图2：车联网应用类型示意