蜂窝网络覆盖下的D2D通信研究

摘 要：随着物联网与大数据时代的到来，频谱资源日益紧缺。为缓解频谱资源紧张，提高频谱资源利用率，将D2D通信技术引入蜂窝网络，同时与NONA、EH、Relay等技术结合，通过合理的资源分配与功率控制，改善蜂窝通信网络服务性能，降低通信时延，提高频谱资源利用率。与传统蜂窝通信网络比，D2D通信技术加入蜂窝网络可扩大蜂窝网络覆盖范围，提高边缘用户吞吐量与蜂窝用户和D2D用户的吞吐量，具有广阔的应用前景。

关键词：D2D通信;频谱效率;蜂窝网络;干扰管理

DOI：10. 11907/rjdk. 191646

中图分类号：TP393   文献标识码：A                文章编号：1672-7800（2020）003-0210-05

Research on D2D Communication Underlaying Cellular Network

ZHANG Sheng-nan

（College of Telecommunication and Information Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications，

Nanjing 210003， China）

Abstract： With the advent of the Internet of Things and the era of big data， spectrum resources have become increasingly scarce. D2D communication technology has been introduced into the cellular network for alleviating the situation of spectrum resources and improving the utilization of spectrum resources.  The service performance of the cellular communication network has been improved through reasonable resource allocation and power control， combining with technologies such as NONA， EH and Relay， it reduces the delay of communication and improves the utilization of spectrum resources. Compared with the traditional cellular communication network， D2D communication technology joined into the cellular network can expand the coverage of the cellular network， improve the throughput of the edge users， and the throughput for users as a whole， it will has a broad application prospect.

Key Words： D2D communication; spectrum efficiency; cellular network; interference management

0 引言

D2D（Device-to-Device）通信是蜂網络中彼此邻近的设备不经过基站转发， 直接进行信息传输的通信方式[1]。D2D通信技术由高通公司在2008年首次提出，近年来，华为、中兴、爱立信等通信企业也一直专注于D2D通信研究。目前，D2D通信技术已成为第五代移动通信（5th-Generation，5G）的关键技术之一。在传统蜂窝网络中，蜂窝用户数据传输必须经过基站转发，不允许用户之间建立链路直接通信，这种通信方式便于基站对蜂窝用户管理与控制，但导致时延较长。随着大数据与物联网时代的到来，越来越多的终端设备需接入网络，设备对时延的要求越来越高，频谱资源短缺成为无线通信发展瓶颈，如何提高频谱资源利用率成为研究热点。D2D通信技术允许蜂窝网络中两个用户在基站控制下建立链路直接通信，可降低数据传输时延，同时，这两个用户复用蜂窝网络中其他用户的频谱资源进行通信，可有效提高蜂窝网络频谱利用率。

与蓝牙、认知无线电、ZigBee等技术相比，D2D用户之间的通信在基站的控制下进行信息交互，最主要区别是D2D用户使用的是授权频段[2]，D2D用户通过非正交地使用蜂窝网络频谱资源，提升了蜂窝系统容量。由于D2D用户复用蜂窝用户频谱资源，造成蜂窝用户与D2D用户同频干扰，基站通过合理的资源块分配及功率控制，可有效减轻蜂窝用户与D2D用户的相互干扰，在保证蜂窝网络用户服务质量（Quality of Service，QoS）前提下，整体提高蜂窝网络吞吐量。

本文结合蜂窝网络覆盖下的D2D通信模型，分析D2D通信优势，阐述D2D通信中的关键技术，并对国内外D2D研究现状进行总结，通过D2D通信应用场景分析，对未来研究方向进行展望。

1 系统模型

如图1所示，网络中有两类用户，一类是传统的蜂窝用户CUE，另外一类是可以直接通信的D2D用户，D2D用户由发送端D2D_T和接收端D2D_R组成。在蜂窝网络中，为降低干扰，蜂窝用户使用正交的资源块，基站根据各蜂窝用户的信道质量合理分配资源块。为提高频谱利用率，D2D用户复用蜂窝用户CUE频谱资源进行数据传输，由于D2D用户与蜂窝用户CUE在一个小区覆盖范围内，并使用相同的频率传输信息，所以彼此会产生严重干扰。

端到端的D2D短距离通信具有诸多优势。首先，信号传输经过的路径缩短，降低了传输时延;另外信号不经过基站转发的通信方式大幅降低了基站负荷，提高了蜂窝网络服务能力;其次，D2D用户在通信时复用蜂窝用户CUE的频率资源，提高了整个网络的频谱利用效率;第三，D2D通信是在用户距离较近时建立的，传输距离较短，发射功率也较低，一方面减轻了对蜂窝用户CUE的干扰，另一方面实现了较高的能量效率。此外，对于处在蜂窝网络边缘的用户采用D2D通信，降低了传输损耗，扩大了蜂窝网络覆盖范围。

2 D2D关键技术

D2D通信是在基站控制下实现数据端到端传输。在蜂窝网络中引入D2D通信技术，基站只需控制D2D链路的建立和释放，无需转发数据，降低了基站负载和传输时延，提高了频谱利用率与蜂窝网络用户接入能力。D2D通信技术在提升蜂窝网络服务性能的同时，也给系统带来新问题，比如用户接入更加复杂、蜂窝用户与D2D用户资源分配问题、D2D用户与蜂窝用户相互干扰问题等。因此必须解决D2D通信中的关键技术问题才能使蜂窝网络更稳定、高效，其主要关键技术包括：设备发现、模式选择、干扰管理。

2.1 设备发现

D2D设备发现是网络中一个终端设备匹配附近另外一个终端设备的过程，设备发现是D2D通信建立的基础和前提。文献[3] 提出一种具有社会意识的D2D设备发现方案，为不同组分配最佳能量用于信标探测，以此进行设备发现;文献[4] 给出基于信道空间相关的邻居设备发现方案，利用邻居用户信道的空间相关性进行信标调度。本文主要研究单小区蜂窝网络覆盖下的D2D设备发现机制。在单小区蜂窝网络中，每个移动终端用户的地理位置信息基站均为已知，当小区A用户向基站发送与同一小区的B用户建立通信连接的请求时，基站获取A、B用户的地理位置信息，如果用户A、B满足D2D通信距离要求，基站会将A、B用户标记为潜在的D2D用户对;然后，网关检测这对潜在的D2D链路吞吐量是否高于蜂窝链路吞吐量，如果D2D直接通信链路吞吐量大于蜂窝通信链路吞吐量，则用户A、B在基站控制下建立D2D通信链路;否则，D2D通信链路建立失败，用户A、B建立蜂窝链路传输数据。此外，如果已建立D2D通信的终端设备处于移动状态，或者由于其它原因，如干扰较大致使通信不能继续时，还需考虑蜂窝通信链路和D2D通信链路之间的切换。

2.2 模式选择

将D2D技术引入蜂窝网络，改变了原网络的用户部署。无论建立D2D通信链路还是建立蜂窝通信链路，设备终端首先需根据网络用户接纳能力选择工作模式。文献[5]考虑单小区情况下包含与不包含中继节点的两种模式选择，最大化频谱资源的利用率;文献[6]以最小化对上行蜂窝用户的干扰为目标，制定了一种模式选择机制。在单小区蜂窝网络覆盖下，D2D用户与蜂窝用户共享频谱资源的模式有3种。

（1）蜂窝模式。该工作模式实际上是传统蜂窝通信模式。D2D用户信息传输由基站BS转发，D2D用户分配相互正交的上下行频谱资源，由于资源块相互正交，因此D2D用户与蜂窝用户互不干扰。

（2）专用模式。该工作模式是指D2D用户建立端到端直接通信链路传输信息，基站将蜂窝网络中一部分未被使用的频谱资源專供D2D终端设备使用。D2D用户与蜂窝用户各自使用正交的资源块进行数据传输，和蜂窝模式一样也不存在用户之间的干扰问题，但在该模式下频谱利用效率不高，如果蜂窝网络中的频谱资源已完全分配给蜂窝用户，没有剩余的频谱专门分配给D2D用户时，D2D用户采用复用模式进行数据传输。

（3）复用模式。D2D用户复用蜂窝用户上行链路或下行链路的频谱资源，完成数据传输。由于D2D用户与蜂窝用户在相同频段上传输数据，因此之间存在严重干扰。图2是复用模式下D2D通信干扰模型，左图展现D2D用户复用蜂窝上行链路频率时的干扰，右图展现D2D用户复用蜂窝下行链路频率时的干扰。复用模式下，D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源，可有效提高蜂窝网络频谱利用率。

2.3 干扰管理

蜂窝网络覆盖下的D2D用户与蜂窝用户使用相同的频谱资源，提高了频谱利用效率，提升了蜂窝通信系统吞吐量，但也带来了同频干扰问题。文献[7]调查了蜂窝网络中D2D通信干扰管理方法，并进行了分类。本文选取D2D用户工作在复用模式下的干扰管理作为研究对象。如图2所示，当D2D用户复用蜂窝上行链路频率传输数据时，基站BS会收到D2D发送端D2D_T发送的干扰信号，同时D2D接收端D2D_R也会受到蜂窝用户CUE的干扰;当D2D用户复用蜂窝下行链路频率传输数据时，蜂窝用户CUE会收到D2D发送端D2D_T发送的干扰信号，同时D2D接收端D2D_R也会受到基站BS干扰。

干扰管理机制的引入可将D2D用户由于复用蜂窝用户频率造成的干扰控制在可接受的范围内，即将干扰保持在蜂窝用户与D2D用户可容忍的范围内。如何降低用户之间的同频干扰，提升蜂窝用户和D2D用户的吞吐量，是D2D通信技术必须解决的问题。目前，资源分配和功率控制是较为有效的干扰管理方式。

2.3.1 资源分配

资源分配指通过资源调度算法为D2D用户分配合适的频谱资源，目的是提高系统频谱利用率、降低用户之间的同频干扰、最大化系统的吞吐量。文献[8]在保证蜂窝通信质量的基础上，通过资源分配最大化系统吞吐量;文献[9]提出一种基于信噪比均衡的资源分配算法;文献[10]、 [11]提出一种联合资源分配和功率控制的方案，提高蜂窝网络服务性能。

D2D在复用频谱资源时一般选择复用蜂窝上行链路频率进行信息传输，因为上行链路频谱资源不会被蜂窝用户全部占用，如果D2D用户复用的资源块尚未被蜂窝用户使用，D2D用户在建立通信时就不会对系统中的其它用户带来干扰。另外，复用蜂窝上行链路资源造成干扰的对象是基站BS，干扰容易测量和控制，如果复用蜂窝下行链路资源，干扰的承受对象是蜂窝用户CUE，受蜂窝用户移动性影响，干扰不易控制。

为降低干扰，D2D用户通常会选择复用距离自己较远的蜂窝用户频谱资源，距离越远，同频干扰越小，D2D用户和蜂窝用户可实现的吞吐量也就越高。另外，为最大限度提高频谱使用效率，通常有3种资源复用方法。

（1）一对一。一个蜂窝用户的频谱资源只能被一对D2D用户复用，一对D2D用户只能复用一个蜂窝用户频谱资源，该方法可提高频谱利用率，同频干扰容易控制。

（2）一对多。一个蜂窝用户的频谱资源可被多对D2D用户同时复用，一对D2D用户只能复用一个蜂窝网络的频谱资源，该方法使频谱利用效率更高，但给蜂窝用户更多干扰。

（3）多对多。一个蜂窝用户的频谱资源可被多对D2D用户同时复用，一对D2D用户可复用多个蜂窝网络频谱资源，该方法频谱效率最高，但带来的同频干扰最复杂。

2.3.2 功率控制

对于蜂窝覆盖下的D2D通信而言，首先要保证蜂窝用户的通信质量，即需控制D2D用户发射功率，文献[12]、 [13]提出了两种功率控制算法最大化D2D用户吞吐量，保证蜂窩用户正常通信所需的信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）。功率控制的目的有两个，其一是对D2D发射机进行功率控制，降低D2D用户对蜂窝用户的干扰，保证蜂窝用户的QoS;其二是在满足蜂窝用户所需的最小SINR要求下，最大化D2D用户的发射功率，尽可能地提高D2D用户吞吐量，从而提高整个蜂窝网络系统服务性能。

根据香农公式可知，在传输带宽一定的条件下，蜂窝通信系统可实现的最大吞吐量与用户SINR紧密相关。在D2D用户与蜂窝用户共存的蜂窝通信网络下，如何设置蜂窝用户和D2D用户发射的功率，最小化彼此之间的干扰、最大化系统吞吐量是功率控制的关键。

3 D2D通信研究现状

目前，大多数D2D通信技术研究集中在设备发现、资源分配、功率控制及干扰协调方面，提出的算法多以最大化D2D用户与蜂窝用户CUE的吞吐量为目标。

随着4G发展与5G网络部署日益成熟，D2D技术成为提高网络容量、频谱利用率的关键技术之一。D2D技术与其它技术的结合成为研究热点，如与能量获取（Energy Harvesting，EH）、中继、NOMA（Non-orthogonal Multiple Access）等技术结合进一步提高蜂窝系统吞吐量，扩大蜂窝网络覆盖范围。

（1）EH-D2D通信。考虑到终端设备受电池寿命的影响，将能量获取应用于D2D通信中，克服通信质量受电池电量影响的缺点。当设备中的电池电量低于一定阈值时，终端设备从周围环境中获取能量用于信息传输，使终端设备接入网络的机会更多。文献[14]提出一种先收集能量再进行信息传输的思想，并通过功率控制最大化总吞吐量;文献[15]基于能量获取提出一种最优功率分配方案;文献[16]以最大化能量效率为目标并结合功率控制，最大化D2D用户吞吐量。

（2）Relay-D2D通信。当处于蜂窝网络边缘的两个用户需建立通信连接时，传统蜂窝链路由于距离基站较远、传输损耗较大可能导致通信建立失败，此外，两个用户可能不满足建立D2D通信的距离要求，通过加入中继用户可以建立两跳D2D通信。文献[17]提出一种双层中继模型，延长了用户通信距离;文献[18]以降低总功耗为目标，研究了在多跳D2D通信中继选择问题;文献[19]、[20]对蜂窝网络中EH技术在中继系统的性能进行了分析。在D2D通信中继场景中，蜂窝用户充当D2D通信中继，扩大了蜂窝网络覆盖范围，提高了系统吞吐量。

（3）协作D2D通信。当蜂窝用户CUE位于蜂窝边缘，与基站通信质量较差时，D2D发送端充当蜂窝用户CUE的中继，保证了边缘蜂窝用户正常通信，但是，这会影响中继D2D用户的正常通信。将非正交多址接入NOMA技术应用于D2D通信，在不影响充当中继D2D用户通信的前提下，最大限度提升蜂窝边缘用户的QoS。文献[21] 提出了一种使用NOMA的设备到设备辅助协作中继系统以提高频谱效率;文献[22]、[23]以最大化能量效率为目标，采用蜂窝用户与D2D协作传输的方案提高边缘用户吞吐量。图4是基于NOMA的协作D2D传输模型，中继用户D2D_T向基站与D2D接收端发送NOMA叠加信号，在基站处把低功率SD信号当作干扰，解出蜂窝用户信号S1，在D2D接收端首先解出高功率S1信号，之后利用SIC（连续干扰消除）得到信号SD。

4 D2D技术应用

作为5G关键技术之一，D2D通信具有低延时、低损耗、频谱利用率高等优点，可广泛应用于多种通信场景，如本地业务、应急通信、列车通信等。相较于传统蜂窝通信，基于D2D通信的新型应用可提供低时延、高速率、高可靠性服务。

（1）本地业务D2D通信。D2D通信技术应用建立在终端设备距离较近的基础上，当两个终端用户距离较近，通过D2D通信可进行互动。①数据传输。终端用户信息传输不再经由基站转发，可大幅降低了两个比较靠近的边缘用户传输损耗，提高通信质量。例如处在蜂窝边缘的两个用户进行通话，由于用户距离基站较远，若信道条件较差发生掉话情况，此时，建立D2D通信可以提高通话质量;②基站流量卸载。高清视频等高速数据流承载的多媒体业务日益增多，基站流量负载越来越大，D2D技术的使用可降低核心网基站处的下行传输压力。例如网络中的两个用户建立D2D通信链路开展多媒体业务，高速数据流通过直接链路直接端到端传输，延时低，可提升用户体验。

（2）应急D2D通信[24]。蜂窝通信的核心是网络控制中心或基站，当蜂窝网络遭到破坏时，设备终端无法通过核心网络传输数据，此时，如果终端设备满足建立D2D通信链路的距离条件，则可建立D2D通信。例如，发生火灾、地震等自然灾害破坏了蜂窝网络基础设施，终端建立D2D通信可为灾难抢救提供保障。此外对于蜂窝网络覆盖范围边缘或未能覆盖的盲区，通过建立基于中继的D2D通信可将这些用户连接到网络中。

（3）列车D2D通信。物联网概念的提出加快了智能交通发展的步伐，将D2D技术应用于车联网[25]，利用低延时的特点可将车辆信息实时反馈给目标车辆，提高行车安全性。例如，在高速铁路运输中，如果列车可与前后正在运行的列车建立直接通信链路，获取邻近列车位置、速度等信息，通过列车行驶调度可有效避免发生追尾事故，增强列车行驶的安全防护能力。

5 未来研究方向

（1）设备移动中的D2D通信。目前大多数关于D2D通信技术的研究假设终端设备处于静止状态，没有涉及设备移动性。然而，蜂窝无线通信系统中的终端设备大多数处于移动状态，对于移动D2D通信终端设备而言，模式选择更加复杂，可能存在蜂窝通信模式到D2D通信模式的多次切换。此外，受设备移动性的影响，干扰管理也会变得更加困难。因此，设备移动性是D2D无线通信技术研究中一个不可忽视的问题。

（2）跨小区D2D通信。目前，大多数有关D2D通信的设备发现、模式选择以及干扰协调均建立在单蜂窝场景基础上，对于小区而言，D2D通信设备广泛存在。然而，若D2D设备发送端与D2D接收端位于两个不同的小区，如何实现跨小区D2D通信，设备发现、基站BS如何控制资源块分配及小区干扰管理是未来需要研究的内容。

6 结语

蜂窝网络覆盖下的D2D通信技术可极大提高频谱利用率，缓解频谱资源日益紧张的压力，同时扩大蜂窝网络覆盖范围，整体提高蜂窝网络通信系统吞吐量。本文结合单蜂窝场景，分析了D2D通信技术优势，并阐述了引入D2D通信技术对蜂窝用户带来的干扰问题;此外，本文详细介绍了蜂窝覆盖下D2D通信的关键技术、D2D通信技术与其它技术融合为蜂窝带来的益处，分析了3种D2D通信应用场景，最后指明了未来研究需解决设备移动性与跨小区D2D通信的问题。

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（责任编辑：江 艳）

收稿日期：2019-08-01

作者简介：张胜南（1994-），男，南京邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，研究方向為移动通信的无线资源分配。