蜂窝网络中的D2D通信技术应用探究

帅 燕，张 亮，赵淑婷，夏惠普

（重庆邮电大学，重庆 400065）

1 研究背景

随着通信技术和物联网技术的不断发展，全球用户的移动访问普遍增加。人们对移动通信、媒介以及各种移动物联网应用的需求也不断增多，当前的频谱资源已逐渐满足不了无线通信需求。思科最新VIN预测表示，到2022年，全球将会有48亿互联网用户，占人口总数的60%，全球网络设备和联接将达到285亿，人均互联网设备数和联接数增加至3.6台[1]。可见，有效利用已有带宽和设备资源来解决带宽供给与需求之间的冲突，提供高质量的通信服务，成为人们研究的重点方向。

在3GPP组织提出的LTE-A研究项目中，采用载波聚合技术可以利用IMT-Advanced提供的高达100 MHz的不连续带宽来实现高速率传输和更大的系统容量，为利用D2D通信技术提高频谱利用率提供了前提。D2D通信技术是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术，能有效降低服务基站的负荷。目前，其已被列入新一代移动通信系统的发展框架中，成为第五代移动通信的关键技术之一，广泛应用于本地业务、应急通信以及物联网增强等不同场景[2]。

2 移动通信网络中的D2D通信技术

2.1 D2D通信技术原理

D2D（Device-to-Device）通信是一种从设备到设备的直接通信方式。这种设备既可以是H2H通信中的手机电话等通信设备，也可以是M2M通信中的机器设备。D2D通信技术能通过复用蜂窝小区频谱资源，提高频谱资源利用率，在一定程度上缓解当前无线通信系统中频谱资源缺乏的问题。

D2D通信控制方式可以分为集中式控制和分布式控制两类。其中，集中式控制由基站控制D2D连接。基站通过终端上报的测量信息，获得所有链路信息，既发挥D2D通信的优势，又便于管理和控制资源，但会增加信令负荷。分布式控制由D2D设备自主完成D2D链路的建立和维持。此方式更容易获取D2D设备之间的链路信息，但会增加D2D设备的复杂度。

传统蜂窝用户之间通过基站通信，而D2D用户之间的通信方式可以在直接通信和蜂窝通信间进行切换。与传统的蜂窝移动通信相比，D2D直接通信仅占用一半的频谱资源，减少了基站转发，缩短了传输时间，减小了传输损耗，可以为用户提供有保证的服务质量。

在现有的通信系统中，设备之间的通信都是由无线通信运营商的基站进行控制，无法直接进行语音或数据通信。当前的通信模式下，在移动基站难以覆盖和通信设施受损的地区，移动通信将难以实现，同时传输资源和无线频谱消耗大。此外，完全以D2D通信模式进行替代虽然在一定程度上解决了传统通信中的问题，但会导致大量已有设备资源的浪费和终端功能的复杂化。

2.2 D2D通信应用模型构想

针对现有通信方式和替换方案之间存在的问题，在此提出了一种新的D2D通信应用模型构想，即基于蜂窝通信基站的D2D网络扩展，如图1所示。在蜂窝网络基站设施难以建造和覆盖的地区以及网络拥塞和设施损坏等导致网络瘫痪等情况下，用户终端自动使用D2D通信模式。在基站设施完好的区域内，若频谱资源充足，则可以根据实际情况选择蜂窝网络或D2D通信模式，而在频谱资源不足时自动切换到D2D通信模式。在此方案下，用户既可以利用当前已有的蜂窝网络基站设施和无线通信频谱资源，又可以在蜂窝通信覆盖盲区允许用户通过多跳完成通信或接入网络。

图1 基于蜂窝通信基站的D2D网络扩展

在网络结构方面，此方案利用已有的网络建构在无可用基站实现网络接入的地区，提供了通过多跳实现数据传输或接入网络的途径，增强了网络的可扩展性，实现了高效的传输通信。同时，在网络紧急中断的情况下，D2D通信可以作为现有通信网络的增强，及时切换D2D模式继续当前通信，可以降低损失，提高服务的稳定性和可移植性。在应用部署方面，已有基站和终端的使用为完成D2D网络扩展提供了重要支撑，为实现全范围网络互连互通提供了可能性。特别是在近距离通信中，D2D通信比其他类似技术的使用操作更加便捷，服务更加稳定可靠且适用距离更广，部署实施也更加容易实现。在成本方面，由于现有网络设备的普遍使用和数目不断增多，大部分地区的通信设施已经完成修建并正常使用。此方案的实施所需成本主要在用户终端实现D2D通信的功能要求上，并不需要大量消耗其他资源，故成本较低。综上所述，基于蜂窝通信基站的D2D网络扩展模式具有众多的优点和极大的可实现性，在将来的通信中定会发挥出强大的作用。

2.3 D2D技术与类似通信技术的比较分析

研究学者们在很早之前就意识到，在短距离通信中使用接入点或将基站作为中转会增加网络负担、传输时延以及一些不必要的损耗，因而致力于研发出一些更加适合短距离通信的技术方案。正如房海龙分析表示，与当前广泛应用的短距离通信技术如蓝牙和Wi-Fi等类似技术相比较，D2D技术通信具有更大的优势[3]。首先，D2D技术使用电信运营商的授权频段，工作环境更加稳定且干扰可控，数据传输具有更高的可靠性，能够带给用户更好的体验感。而蓝牙和Wi-Fi均工作在非授权频段，相对而言连接不够稳定。Wi-Fi技术容易对监听产生影响，不能保证通信质量。其次，蓝牙传递文件前和接入WLAN连接点时都需要用户配对，而D2D通信可以自动连接，操作更加简单，适用距离更广。最后，D2D通信技术可以利用空闲的无线频谱资源，也可以复用上行链路资源和下行链路资源，能够有效提高频谱资源利用率，缓解当前频谱资源紧缺的难题。

2.4 D2D通信的技术需求

5G移动通信中D2D通信的实现需要依靠一系列的相关技术，包括如下方面。

2.4.1 设备发现

设备发现是指寻找需要建立连接的终端设备，实现D2D终端的检测和识别。这是实现D2D通信的第一步。弓紫慧研究了D2D通信的设备发现技术，提出了基于信道相关的D2D设备发现方案和基于社交网络的D2D设备发现方案，与传统的设备发现技术相比耗能更低且准确度更高[4]。

2.4.2 会话建立

会话建立是D2D通信的第二步。只有建立起会话连接，通信双方才能够进行数据传输。当前提出的会话建立方法包括由网络控制的D2D会话管理方案和用户通过会话请求协议自主发起D2D通话建立请求的方案等[5,6]。

2.4.3 无线资源管理技术

D2D通信复用蜂窝上/下行频段时可能会引起系统间干扰。此时可以通过有效的无线资源管理算法来降低复用资源带来的影响，从而提高网络吞吐量。无线资源管理算法主要包括功率控制、资源调度以及模式选择3个模块。范康康在移动蜂窝技术中D2D通信技术的资源分配算法研究中指出，合理的功率控制手段和有效的资源调度可以使D2D通信获得更高的系统增益和资源利用率[7]。而针对D2D通信系统复用模式、专用资源模式以及中继模式3种工作模式的选择问题，徐同刚已经提出了基于系统容量最大化的D2D通信模式选择算法，并验证了其有效性[8]。

3 结 论

D2D通信通过终端设备直接通信，避免了蜂窝通信中用户数据经过基站传输的时延和损耗，提供了稳定可靠的通信服务，并通过资源复用增益，提高了无线频谱资源利用效率。因此，D2D通信技术的实用性和可靠性必将使其广泛应用于未来通信系统。当基站设施无法覆盖和网络系统受损等情况下，基于蜂窝通信基站的D2D网络扩展方式将作为高效的移动通信途径，实现用户的端到端通信，扩展无线通信的应用场景。对于已有资源的充分利用和功能扩展方面，此方案将以较小的代价实现了更高质量的通信传输，成为未来网络中的重要组成部分，为全球社会多发面的发展提供了重要支撑。