D2D通信在5G中的应用研究

郭旭静 陈虎 范波勇

【摘要】    设备间直接通信（D2D）使得设备之间可以直接传输数据而无须基站转发，可有效降低网络负荷，降低传输时延，提高网络的频谱利用效率，扩大蜂窝网络的覆盖范围，提高系统吞吐量。5G不再只是从2G到3G再到4G的网络传输速率的提升，而是将“人与人”之间的通信扩展到“人—网—物”3个维度的万物互联，打造全移动和全连接的数字化社会。本文主要研究探讨D2D通信技术及其在5G中的应用。

【关键字】    D2D    5G

一、D2D 通信技术

5G时代的到来使得各种移动通信设备大量涌现，不仅包括我们的移动手机终端，还有海量智能终端设备，移动通信承载的数据流量爆炸式增长和无线频谱资源紧缺的矛盾日益突出，如何解决这种矛盾，提升用户体验质量成了刻不容缓的任务。

近年来，无线技术方面的终端直通D2D（Device to Device）通信技术成为研究热点，被给予了厚望。

在目前的移动通信网络中，信号都是通过基站来进行上下行中转的，包括控制信令和数据包。而D2D的终端直通技术，每个用户都具有转发消息的功能，如果同一基站下的两个用户相互通信，他们的用户数据包将不再通过基站传输，而是直接从一个终端到另一个终端，但是与该数据包相关的控制信令，仍需基站负责。如图1所示。

二、面向5G的D2D通信技术

相比于正常的蜂窝网络通信，D2D通信降低了基站和回传网络的压力，提升了频谱效率。基于未来移动通信技术的超高速率、超大带宽、超大规模接入能力和超大数据处理能力， D2D通信技术将在5G移动通信的应用中充分发挥自身的核心技术优势。

2.1  组网策略

面向5G的D2D通信组网方案如图2。

2.2  D2D 通信机制

（1）D2D发现机制

设备如何发现彼此并发起 D2D连接是D2D 通信的关键。

对于限制发现机制，未经授权不允许检测到UE，禁止用户禁止与不熟悉的设备进行通信，以确保 UE 的隐私与安全。而公开发现机制，当前 UE可以检测到和它相邻的设备，并建立连接。在这种模式下，用户隐私性较差，但连接复杂度较低。限制发现机制对于网络环境比较好，选择比较多的情况更适用，注重隐私性;公开发现机制对于救援与应急通信比较适用，此时要确保连接。在设备发现方面，如何建立一个快速、低成本的满足 QoS 需求的 D2D 设备发现和会话过程也是未来发展的需要。

（2）D2D 资源分配

传统的蜂窝小区和D2D 通信模式并存，会引起 D2D 用户与传统小区用户之间的干扰，因此，在5G智能终端大规模增加的情况下，如何充分合理分配无线资源，显得尤为重要。

（3）D2D 缓存网络

随着通信数据量的爆发式增长，特别是视频流，为了满足通信业务高速率低时延的数据传输需求，我们关注到了缓存技术。它将数据通过网络中的某些设备或者辅助节点进行暂存，一旦有业务需求，这些设备或节点就可以快速响应，立即调用存储的数据，从而实现高速率低时延。如果，一个中型城市的一般城市区域，它的每个用户的视频业务需求都可以通过调用暂存在缓存区中的数据包得到满足，那么，用户就不需要占用到核心网的无线资源进行回传，这样可以有效节约无线网络资源，从而节约成本，使组网更加灵活。因此，在D2D 通信网络中，缓存技术是实现5G高速、低时延、高吞吐量业务的关键技术之一。

2.3 存在问题

然而，D2D 技术在5G 通信网中应用还存在一些问题：

（1）频谱资源共享引成的干扰。虽然设备间直接通信，可以有效节约频谱资源，从而使频谱资源不足的问题得到一定程度的缓解，但是频谱资源的共享会引起设备与设备间的干扰，严重的会对用户的正常通信产生影响，从而影响用户的通信使用体验。

（2）通信高峰引成的通信问题。5G 网络在传输速度、效率、时延和资源利用率等方面都有了很大的提高。我们都知道，由于5G所使用的频率更高，因此，5G基站的覆盖范围相比4G会远远缩小，那么为了确保用户的服务质量，保证无缝覆盖，就需要建更多的站，甚至建设超密集的异构网络。但是随着海量智能终端接入网络，加上通过D2D 设备连接入网络时，很可能造成5G 网络通信时延的大幅增加，影响用户的实际使用。

（3）移动性是无线通信的基本特性，当设备移动时，会不同程度地影响 D2D 链路的建立、蜂窝用户的分流与干扰管理等;同时，某些设备或节点还会对数据进行缓存，因此设备移动时也会影响缓存数据的存储和提取调用的时效性，增加時延;另外，设备移动时，如何在传统通信模式和 D2D 通信模式之间进行选择与切换，如何对两种模式下的无线资源进行合理分配，如何合理对两种模式下的数据进行分流，充分发挥 D2D 通信优势，是我们需要研究的一个重要方向。

（4）D2D同步技术。一些特定的场景，如超覆盖场景或多跳D2D网络，将给系统的同步特性带来很大的挑战。

（5）无线资源管理。5G  D2D可以包括各种通信模式，例如广播、多播、单播，以及多跳和中继等应用场景。因此，调度和无线资源管理将更加复杂。目前主要研究单小区、单跳 D2D 网络，但现网中却有大量的无线设备，如果网络规模从1扩大到N时，技术难度可想而知。

（6）功率控制和干扰协调。蜂窝网络中的D2D技术会给蜂窝通信带来额外的干扰。另外，在5G网络D2D中，考虑到多跳、高频通信的特点，功率控制和干扰协调的研究也非常重要。

三、展望

应用在授权频段的D2D技术是一种允许近邻设备之间直接交换信息的技术，尽管D2D的引入会给现有的通信网络带来干扰，但仍然可以通过合适的资源分配和干扰管理方案，降低通信系统核心网络的数据压力，大大提升频谱利用率和吞吐量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行。D2D通信技术应用在5G网络中将会使得通信质量有一定的提高，然而，伴随着5G使用毫米波通信，信号传输的路径损耗增加，绕过和穿透障碍物的能力减弱，致使通信距离大幅度缩短，无法满足远距离D2D链路的服务质量需求。因此，可借助当前无通信业务的空闲用户作为MR（Mobile Relay，移动中继）来协助，并充分利用移动用户的位置信息和信道增益来进行资源分配，以此扩展 D2D 通信范围。因此，下一步我们将研究MR协助下，结合用户的位置和信道增益，进行资源分配，D2D通信在5G网络中的应用，分析其关键参数和网络性能。

参  考  文  献

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