焦巖，高月紅，楊鴻文，楊大成

（北京郵電大學，北京 100876）

2013年12月4日，工業(yè)和信息化部正式向全國三大運營商頒發(fā)了TD-LTE牌照，這也預示著中國4G時代的到來。隨著各種移動通信系統(tǒng)的演進，如LTEAdvanced及WiMAX（802.16）等，帶寬需求逐漸增加，無線頻譜資源日趨緊缺，商用移動通信的頻段逐步向高頻發(fā)展，可用帶寬雖然變多，但是高頻同樣帶來許多問題，空間損耗及路徑損耗變大，繞射能力較低，覆蓋范圍相對較小。據(jù)工信部相關資料顯示，共有162 MHz的頻譜用于2G系統(tǒng)，335 MHz的頻譜用于3G系統(tǒng)，而TD-LTE系統(tǒng)則占用了210 MHz，到2020年，中國城區(qū)國際移動通信（IMT，International Mobile Telecommunication）的頻譜需求為1 864 MHz，而用于IMT的頻譜缺口為1 177 MHz。分配的頻帶資源已經滿足不了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求，如何充分利用有限的資源成了研究的熱點問題。

為了應對這些挑戰(zhàn)，進一步提高資源利用率，3GPP組織啟動了一系列標準化工作，如構建異構網絡、小區(qū)分簇等，運營商也不斷加大對Small Cell的投資，相對于投入大量資金鋪設小型基站，運營商更傾向于系統(tǒng)的平滑演進，D2D技術可直接在現(xiàn)網中升級而來。

如今，隨著4G技術標準的逐步完善，5G技術已經進入了人們的視線，D2D技術與大規(guī)模MIMO、超密集部署、靈活雙工等一并確定為IMT-2020研究的關鍵技術。

D2D技術可以通過復用小區(qū)頻譜資源的方式提高頻譜利用率，有效降低基站負荷，由于其可以在無網絡基礎設施的情況下通信，無疑保證了網絡的QoS及魯棒性。

1 D2D技術發(fā)展歷程

D2D通信作為4G技術中的一項關鍵技術，一直備受關注，3GPP組織從2013年4月的RAN1 #72BIS會議開始，著重對D2D技術進行研討，D2D技術日趨成熟。

與物聯(lián)網中的M2M（Machine to Machine）概念類似，D2D旨在使一定距離范圍內的用戶通信設備直接通信，以降低對服務基站的負荷。在D2D技術出現(xiàn)之前，已有類似通信技術出現(xiàn)，如10幾年前的藍牙（短距離時分雙工通信），Wi-Fi Direct（更快的傳輸速度和更遠的傳輸距離）和高通提出的FlashLinQ技術（極大地提高了Wi-Fi的傳輸距離）。后面兩種技術由于各種原因都沒能大范圍商用，而3GPP組織致力研究的D2D技術會在一定程度上彌補點對點通信的短板。

相對于其它不依靠基礎網絡設施的直通技術而言，D2D更加靈活，既可以在基站控制下進行連接及資源分配，也可以在無網絡基礎設施的時候進行信息交互，最近又提出一種中繼情況，處于無網絡覆蓋情況下的用戶可以把處在網絡覆蓋中的用戶設備作為跳板，從而接入網絡。

3GPP組織制定的Release 12版本中，將D2D定義為LTE Device to Device Proximity Services，并通過TR36.843技術報告不斷完善D2D的標準。

2 D2D技術特點及通信場景

2.1 D2D技術特點

D2D通信在不斷發(fā)展的同時，已經超越了初期定義時的局限性，可以滿足多種新興業(yè)務需求，如廣告推送，大型活動資料共享，朋友間的信息共享等。

D2D具有明顯的技術特征，相比于類似技術，其最大的優(yōu)勢在于工作于許可頻段，作為LTE通信技術的一種補充，它使用的是蜂窩系統(tǒng)的頻段，通信雙方即使增加了通信距離之后，還能保證用戶體驗質量（QoE），反而，Wi-Fi Direct等技術在增大通信距離之后，勢必會存在一定的干擾。

由于D2D通信距離相對較短，信道質量較高，能夠實現(xiàn)較高的傳輸速率、較低的時延和較低的功耗，增加手機續(xù)航時間。

除了以上方面，D2D還可以滿足人與人之間大量的信息交互，相比于藍牙，D2D無需繁瑣的匹配，且傳輸速度更快，相比于免費的Wi-Fi Direct卻有更好的QoS保證。

2.2 D2D通信場景

在業(yè)務和系統(tǒng)結構層面上，3GPP組織把D2D場景分為公共安全（Public Safety Scenarios）和非公共安全（Non Public Safety Scenarios）場景，非公共安全也稱為商業(yè)應用。公共安全場景是指在發(fā)生自然災害、設備故障、停電及人為破壞后蜂窩系統(tǒng)癱瘓，或在網絡覆蓋較差及用戶密度較高的地區(qū)，此時使用D2D技術，使用戶終端之間直接進行通信以達到保持正常通信或擴容等目的。該場景具有較大的現(xiàn)實意義，并得到若干國家運營商的支持，如美國準備分配700 MHz頻帶上的部分頻譜專門作為D2D應急通信資源。

D2D同樣具有廣闊的商用模式，首先體現(xiàn)在廣播方面，如在大型活動中的資料共享，購物中心促銷、打折等信息的推送，政府部門重要信息廣播等。

在無線接入層面，按照蜂窩網絡覆蓋范圍區(qū)分，可以把D2D通信分成如下3種場景。

（1）蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信（蜂窩網絡控制下的D2D通信）。

（2）部分蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信（蜂窩網絡輔助控制下的D2D通信）。

（3）無蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信（不受蜂窩網絡控制的D2D通信）。

對于第1種情況，如圖1所示，LTE基站首先需要發(fā)現(xiàn)D2D通信的設備，建立邏輯連接，然后控制D2D設備的資源分配，進行資源調度和干擾管理，用戶可以獲得高質量通信。

對于第2種情況，如圖2所示，基站只需引導設備雙方建立連接，而不再進行資源調度，其網絡復雜度比第一類D2D通信有大幅降低，可對應于下文提到的中繼模式。

圖1 網絡覆蓋場景

圖2 部分網絡覆蓋場景

第3種場景是在完全沒有蜂窩網絡覆蓋的時候，如圖3所示，用戶設備（UE）進行直接通信，該場景對應于蜂窩網絡癱瘓的時候，用戶可以經過多跳，相互通信或者接入網絡。

按照接收端和發(fā)送端所處位置區(qū)分，可以把D2D通信分成如下3種場景。

（1）發(fā)送端和接收端都在室內。

（2）發(fā)送端和接收端都在室外。

（3）發(fā)送端和接收端一個在室內一個在室外。

在實際應用中，可以大量采用前兩種場景，比如將室內蜂窩用戶的資源復用給室外的D2D用戶，或者室內D2D用戶復用室外蜂窩用戶資源，這樣勢必會減少因復用資源而產生的干擾。

圖3 無網絡覆蓋場景

D2D技術主要分為如下兩個重要的研究方向：D2D設備發(fā)現(xiàn)（D2D Discovery）和D2D通信（D2D Communication）。設備發(fā)現(xiàn)主要用于商業(yè)場景中的廣播通信（廣告），而D2D通信主要用于公共安全場景。表1是3GPP組織給出的D2D重點研究場景，從表中可以看出，D2D的商業(yè)應用主要是在蜂窩網絡覆蓋下發(fā)現(xiàn)用戶，從而達到某種目的。

表1 LTE-D2D研究方向

最近，3GPP組織又提出了一種中繼模式的D2D通信。該技術主要目的是使無網絡覆蓋或者處在小區(qū)邊緣的用戶通過單跳或者多跳連接信號質量好的用戶，然后接入網絡，這可以提升小區(qū)吞吐量，提高小區(qū)邊緣用戶通信質量，擴大網絡覆蓋范圍。

其實，D2D的中繼方式早有前身，在周圍沒有Wi-Fi信號的場景下，用戶使用某種沒有蜂窩能力設備上網時，可以通過共享手機的上網流量，如圖4左所示，無法直接接入蜂窩網絡的用戶設備可以通過接入蜂窩網絡的智能終端作為訪問接入點（AP）從而實現(xiàn)上網功能，但是當用戶移動速度較快或者超出Wi-Fi信號覆蓋范圍時，該鏈接就會中斷，不能保證用戶的服務質量。為了保證會話連續(xù)性，可以采用圖4右所示的LTE-D2D接入方式，使用戶在移動過程中可以隨時切換并連接到任意其它蜂窩UE，保持其通信連續(xù)性。

圖4 Wi-Fi接入和LTE-D2D方式接入

在中繼模式下，如何保證用戶通信安全及中繼用戶的通信質量是今后的研究重點。

3 D2D關鍵問題

D2D不僅影響eNB（evolved NodeB）的工作方式及復雜程度，而且影響UE的硬件設計。由于傳統(tǒng)的蜂窩用戶設備只需在上行具備發(fā)送能力及在下行具備接收能力，但基于D2D通信的技術要求，D2D用戶設備需要具備雙向收發(fā)能力，即在上、下行都能發(fā)送和接收信號，那么需要升級用戶設備的收發(fā)機，從這方面出發(fā)，TDD系統(tǒng)無疑比FDD系統(tǒng)更具優(yōu)勢，因為FDD用戶設備在接收、解調上行信號時，需要升級射頻濾波器，并相應升級基帶濾波器等，TDD用戶設備在接收上行信號時，需要升級其在上行時隙上的解調能力，但其接收頻段沒有改變，這樣只需要升級基帶系統(tǒng)，所以TDD系統(tǒng)用戶設備的改變較小。

當D2D在未來大范圍應用時，D2D設備勢必會復用蜂窩頻譜資源，按照D2D使用的信道區(qū)分，可以把D2D通信分成如下3種模式。

（1）D2D設備與宏基站共享信道。

（2）D2D設備與小型基站共享信道。

（3）D2D設備使用自己的專有信道。

當D2D設備使用專有信道時，不會對蜂窩網絡中的通信造成干擾。但當小區(qū)中用戶密度較高時，D2D設備通信時需復用蜂窩用戶的頻率資源，當復用上行鏈路資源時，eNB會受到同頻干擾，這時基站可以根據(jù)上行鏈路SINR適當調整D2D通信的發(fā)送功率以控制干擾。

當復用下行鏈路資源時，下行鏈路上的用戶會受到D2D信號的干擾，被干擾的用戶位置取決于蜂窩系統(tǒng)的當前調度情況，所以受干擾的下行鏈路用戶可能位于小區(qū)中的任意位置，如果受干擾用戶和D2D用戶的距離較近時，會發(fā)生嚴重干擾，所以3GPP組織優(yōu)先研究D2D復用上行鏈路資源，同時，對于TDD系統(tǒng)，優(yōu)先復用上行子幀。

為了避免同頻干擾，可以將被干擾的用戶和D2D用戶在空間上分離，基站可以將相同的頻譜資源分別分配給室內和室外的用戶。

同步是D2D通信的前提，UE需要接收同步源發(fā)射的同步信號達到定時及頻率同步的目的。D2D同步信號（D2DSS）的原理與結構同LTE中的PSS/SSS類似，是D2D通信中非常重要的組成部分。在UE發(fā)送信號之前，首先需要偵測同步源，當發(fā)現(xiàn)多個同步源時候，以基站發(fā)射的同步信號為最高優(yōu)先級。

4 D2D發(fā)展前景及應用

D2D作為5G關鍵技術之一，通過直通、中繼模式，擴大網絡覆蓋范圍，提高小區(qū)邊緣用戶吞吐量；通過復用蜂窩小區(qū)頻率資源，提高頻譜資源利用率。目前，D2D可采用廣播、多播、單播模式，未來將發(fā)展其增強技術（Advanced D2D），如多天線技術和聯(lián)合編碼技術等。

面對OTT對傳統(tǒng)運營商的沖擊，D2D技術勢必作為運營商著力發(fā)展的一項技術。隨著視頻等多媒體業(yè)務的快速發(fā)展，以基站為中心的傳統(tǒng)業(yè)務提供模式已經不能適應如今海量數(shù)據(jù)傳輸需求，D2D技術的誕生拓展了網絡結構并革新了接入方式，將為用戶帶來更好的體驗。

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