中國(guó)電信廣州研究院 | 朱紅梅

“云”消“霧”漲
——記3GPP的D2D成長(zhǎng)之路

中國(guó)電信廣州研究院 | 朱紅梅

基于LTE技術(shù)的D2D工作在許可頻段是蜂窩通信的一部分，因此可以給用戶提供較高質(zhì)量的通信業(yè)務(wù)，而藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)工作在免許可頻段，存在干擾嚴(yán)重、通信效率低、通信質(zhì)量沒(méi)有保障等問(wèn)題。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)扯上邊的公司如沒(méi)有云端方案或者云計(jì)算中心，可就貽笑大方了。各大公司攻占的目標(biāo)是入口，但是管控在云端，因此云計(jì)算成為近幾年的風(fēng)尚。

眾所周知，移動(dòng)通信的瓶頸在基站側(cè)。各大系統(tǒng)所謂的峰值速率，比如150Mbit/s、42Mbit/s、3.1Mbit/s都是實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果，甚至是單時(shí)隙下信息裸奔的速率，真實(shí)環(huán)境下根本不可能達(dá)到，那么LTE上馬后，真的沒(méi)有速率問(wèn)題了嗎？用戶上網(wǎng)看視頻不會(huì)卡了嗎？其實(shí)卡不卡完全取決于用戶在什么時(shí)間，什么地點(diǎn)來(lái)上網(wǎng)，如果在高峰期CBD區(qū)域，肯定不行，所以有“云”又如何？

圖1 終端接入與云計(jì)算的聯(lián)系

云計(jì)算弊端漸顯

云計(jì)算伴隨服務(wù)器集群數(shù)量增多，用戶軟件和運(yùn)算能力需求彈性增大，如何將閑置的計(jì)算資源進(jìn)行有效的利用并轉(zhuǎn)化為一種服務(wù)資源的需求而出現(xiàn)。

云計(jì)算本身并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的解釋?zhuān)鞔笃髽I(yè)研發(fā)搭建自己的云計(jì)算中心，小企業(yè)則使用第三方的中心。也正因如此，智能手機(jī)與云計(jì)算相輔相成，近幾年呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。但是無(wú)論如何理解，云計(jì)算有它獨(dú)有的特點(diǎn)：云計(jì)算強(qiáng)調(diào)的是資源的靈活分配和利用，從而對(duì)客戶形成一種資源服務(wù)，而這些資源的連接需要的是移動(dòng)網(wǎng)作為媒介，用戶必須接入網(wǎng)絡(luò)，才有可能享受到云端的超級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí)別的服務(wù)體驗(yàn)。這就引出了“云”的弊端，它高高在上，隱藏在移動(dòng)網(wǎng)的背后，要給用戶提供服務(wù)，用戶必須接入網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的服務(wù)信息要通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳遞。

但是人們對(duì)“云”的依賴不斷增加，從早起到上班到睡覺(jué)，人們離不開(kāi)手機(jī)，開(kāi)車(chē)要導(dǎo)航，找飯館要看點(diǎn)評(píng)，吃飯要曬單，還有出差訂票，休閑看視頻，與朋友即時(shí)通信等等都跟“云”分不開(kāi)，人們不斷地向云端索求或者上傳內(nèi)容，使得用戶端與“云”端的道路越來(lái)越擁擠。

智能手機(jī)已經(jīng)讓3G/4G網(wǎng)絡(luò)不夠快，更可怕的是數(shù)以億計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)用戶同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，大家需要從各種不同的設(shè)備上獲取數(shù)據(jù)。此時(shí)，運(yùn)營(yíng)商不僅要面對(duì)智能終端，更要應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入的壓力。所以，在接入都成問(wèn)題的情況下，何談網(wǎng)絡(luò)之上的云計(jì)算呢？

霧計(jì)算出現(xiàn)

以互聯(lián)網(wǎng)為代表的廠商，決不會(huì)讓“接入”阻礙“云”發(fā)展，便思考如何讓設(shè)備自身或“中間設(shè)備”（互聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備的媒介）來(lái)存儲(chǔ)和處理“物聯(lián)網(wǎng)”生成的海量數(shù)據(jù)。因此誕生了D2D（Device to Device）的發(fā)展思路，

云計(jì)算最初只是個(gè)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，但現(xiàn)在已成為新技術(shù)的代名詞，相信隨著D2D的推廣，也需要類(lèi)似的概念來(lái)吸引公眾眼球。霧計(jì)算由思科、IBM等公司提出，區(qū)別于網(wǎng)絡(luò)后端的云。霧計(jì)算是設(shè)備通過(guò)它周邊的設(shè)備而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、傳輸、共享等模式，使得用戶不用連接云即可通信。

拋開(kāi)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，從技術(shù)出發(fā)，霧計(jì)算的出現(xiàn)實(shí)際源于以下幾個(gè)原因及場(chǎng)景:社交網(wǎng)絡(luò)的興起，朋友間近距離數(shù)據(jù)共享、本地廣告等應(yīng)用的流行使得人們對(duì)了解附近感興趣的事物并與之通信的需求逐漸增加；在智能家居、安全監(jiān)控等M2M應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)和傳感器之間需要能夠令距離較近的設(shè)備之間進(jìn)行高效通信的技術(shù)手段；在某些網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差的地方，利用附近的手機(jī)終端進(jìn)行協(xié)作中繼，保持與基站的通信也是一種基于位置的通信手段。藍(lán)牙、Wi-Fi Direct(通過(guò)組建小組，以一對(duì)一或一對(duì)多的拓?fù)湫问絹?lái)建立連接)以及基于LTE的D2D(Device to Device，LTE Direct)都允許設(shè)備在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行直接通信。其中LTED2D是3GPP最新定義的基于LTE的設(shè)備間直接通信的技術(shù)。

3GPP D2D兩大應(yīng)用場(chǎng)景

隨著生活水平的提升，標(biāo)準(zhǔn)組織將通信從商用應(yīng)用提升到公共安全。當(dāng)前3GPP SA1把LTE-D2D的應(yīng)用場(chǎng)景分成了兩大類(lèi)：公共安全和商業(yè)應(yīng)用。

1.公共安全

公共安全主要是指發(fā)生緊急情況或地震等不可預(yù)知的災(zāi)難，蜂窩網(wǎng)絡(luò)不能正常工作時(shí)，為保證用戶及時(shí)獲知信息，保證生命安全，允許終端間脫網(wǎng)通信。公共安全應(yīng)用場(chǎng)景中待解決的問(wèn)題有：需要支持多跳，技術(shù)復(fù)雜度較高；需要專(zhuān)用頻段，目前只有美國(guó)計(jì)劃把700MHz的一部分用作公共安全。

2.商業(yè)應(yīng)用

商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景可分為對(duì)等通信和中繼通信。

對(duì)等通信即通信雙方是信息交互是公平的、明確的。用戶向基站提出D2D通信的請(qǐng)求，基站接收到請(qǐng)求后將用戶的通信方式切換到D2D連接模式。對(duì)等通信主要包括以下三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

1)本地廣播，應(yīng)用D2D技術(shù)可以較準(zhǔn)確定位目標(biāo)用戶。如商場(chǎng)廣播打折信息、個(gè)人轉(zhuǎn)讓門(mén)票打折券等，德國(guó)電信已用D2D做此類(lèi)應(yīng)用。但是現(xiàn)有技術(shù)，如Femto/Relay/MBMS/Wi-Fi等也可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能。

2)近距離通信/大量信息交互，如朋友間交換手機(jī)上的照片和視頻，距離很近的兩個(gè)人對(duì)戰(zhàn)游戲。再如一個(gè)巡回音樂(lè)會(huì)的視頻服務(wù)，觀眾可以通過(guò)無(wú)線D2D下載音樂(lè)會(huì)提供的材料，音樂(lè)會(huì)主辦方通過(guò)向系統(tǒng)小區(qū)申請(qǐng)D2D資源，可以將視頻信息立即傳輸給用戶。這類(lèi)場(chǎng)景中使用D2D技術(shù)能夠節(jié)省蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源。但是需要面對(duì)免費(fèi)的Wi-Fi Direct等技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)前，如樹(shù)熊網(wǎng)絡(luò)等Wi-Fi服務(wù)商已提供收費(fèi)服務(wù)。

3)基于內(nèi)容的業(yè)務(wù)，即人們希望知道自己周?chē)心男└信d趣的事物，并對(duì)某些事物存在通信需求，如大眾點(diǎn)評(píng)網(wǎng)、社交網(wǎng)站等。應(yīng)用D2D技術(shù)使運(yùn)營(yíng)商能夠提供基于環(huán)境感知的新業(yè)務(wù)，但是與目前基于位置信息的服務(wù)相比，優(yōu)勢(shì)不夠顯著。

中繼通信不是針對(duì)用戶的服務(wù)，而且在覆蓋不足的情況下利用D2D來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用場(chǎng)景主要包括以下兩個(gè)方面。

1)在安全監(jiān)控、智能家居(如圖2所示)等以UE為網(wǎng)關(guān)的M2M通信中，感知層可以采用基于LTE的D2D技術(shù)，與家里相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行信息交互，如拍照的相機(jī)要導(dǎo)出照片到PC上，感應(yīng)到投影儀上等等，因?yàn)榫嚯x近，可直接用LTE D2D來(lái)解決。即節(jié)省了流量，也避免了運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的高負(fù)荷，也省去了額外搭建Wi-Fi的問(wèn)題，當(dāng)然今后隨著FTTH的發(fā)展，這類(lèi)只能在沒(méi)有FTTH或者其他近距離通信的場(chǎng)景下使用了。

2)在弱覆蓋或者無(wú)覆蓋區(qū)域的UE中繼傳輸(如圖3所示)。即允許信號(hào)質(zhì)量較差的UE通過(guò)附近信號(hào)強(qiáng)的UE與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，這樣能幫助運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)展覆蓋、提高容量，從而提升用戶體驗(yàn)。但問(wèn)題是如何保證數(shù)據(jù)安全，以及如何激勵(lì)用戶幫忙進(jìn)行中繼數(shù)據(jù)傳輸，這是目前運(yùn)營(yíng)商正在考慮的問(wèn)題。

LTE-D2D技術(shù)特點(diǎn)突出

1.工作在許可頻段

基于LTE技術(shù)的D2D工作在許可頻段，是蜂窩通信的一部分，因此可以給用戶提供較高質(zhì)量的通信業(yè)務(wù)，而藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)工作在免許可頻段，存在干擾嚴(yán)重、通信效率低、通信質(zhì)量沒(méi)有保障等問(wèn)題。

2.網(wǎng)絡(luò)參與D2D通信流程

按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)D2D通信控制程度，又可把基于LTE D2D技術(shù)分為蜂窩網(wǎng)控制的D2D和蜂窩網(wǎng)輔助的D2D。

對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制的LTE-D2D技術(shù)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)LTE-D2D的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、連接建立和資源分配都進(jìn)行控制，這需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)資源調(diào)度、干擾管理等能力，因此會(huì)增加蜂窩網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。

對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助的LTE-D2D技術(shù)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助D2D的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接建立，如提供認(rèn)證等功能，蜂窩網(wǎng)絡(luò)不干涉D2D連接的資源分配，而D2D連接也可以采用其他無(wú)線接入技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如在未授權(quán)頻段使用Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.終端具備同時(shí)雙向收發(fā)能力

D2D要求終端能在上下行的資源上同時(shí)具備發(fā)送和接收的能力，所以對(duì)于終端的能力和復(fù)雜度有一定的影響。對(duì)于FDD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收D2D信息的UE必須具備在上行頻段上接收、解調(diào)信號(hào)的能力，終端的射頻和基帶都要升級(jí)；而對(duì)于TDD系統(tǒng)而言，接收D2D的UE必須具備在上行時(shí)隙上接收、解調(diào)信號(hào)的能力，終端的基帶要升級(jí)，但射頻不需要改動(dòng)，硬件改動(dòng)較小。因此，相對(duì)于FDD系統(tǒng)，D2D在TDD系統(tǒng)中的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。

3GPP D2D通信兩大關(guān)鍵問(wèn)題

圖2 以UE為網(wǎng)關(guān)的M2M通信

圖3 UE協(xié)作中繼傳輸

1.資源復(fù)用

當(dāng)eNodeB接收到請(qǐng)求信令的UE數(shù)目比eNB提供使用的資源塊RB總數(shù)少時(shí)，eNB需要采用資源復(fù)用分配，否則，eNB不需要采用資源復(fù)用分配。資源重復(fù)利用所帶來(lái)的干擾問(wèn)題是D2D通信的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

當(dāng)D2D通信復(fù)用上行鏈路資源時(shí)，系統(tǒng)中受D2D通信干擾的是基站，基站可調(diào)節(jié)D2D通信的發(fā)送功率以及復(fù)用的資源來(lái)控制干擾，可以將小區(qū)的功率控制信息應(yīng)用到D2D通信的控制中來(lái)。此時(shí)D2D通信的發(fā)送功率需要減小到一個(gè)閥值以保證系統(tǒng)上行鏈路SINR 大于目標(biāo)SINR。當(dāng)D2D通信采用系統(tǒng)分配的專(zhuān)用資源時(shí)，或者請(qǐng)求數(shù)少于RB總數(shù)時(shí)，D2D用戶用最大功率發(fā)送，這樣，又沒(méi)有起到節(jié)省資源的效果。

D2D通信復(fù)用下行鏈路資源時(shí)，系統(tǒng)中受D2D通信干擾的是下行鏈路的用戶。而受干擾的下行用戶的位置決定于基站的短期調(diào)度。因此受D2D傳輸干擾的用戶可能是小區(qū)服務(wù)的任何用戶。當(dāng)D2D鏈路建立后，基站控制D2D傳輸?shù)陌l(fā)送功率來(lái)保證系統(tǒng)小區(qū)用戶的通信。合適的D2D發(fā)送功率控制可以通過(guò)長(zhǎng)期觀察不同功率對(duì)系統(tǒng)小區(qū)用戶的影響來(lái)確定。在資源分配方面，基站可以將復(fù)用資源的小區(qū)用戶和D2D用戶在傳播空間上分開(kāi)。如基站可分配室內(nèi)的D2D用戶和室外小區(qū)用戶相同的系統(tǒng)資源。同時(shí)基站可以根據(jù)小區(qū)用戶的鏈路質(zhì)量反饋來(lái)調(diào)節(jié)D2D通信，當(dāng)用戶鏈路質(zhì)量過(guò)度下降時(shí)，降低D2D通信的發(fā)送功率。

2.設(shè)備發(fā)現(xiàn)

這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備如何達(dá)到最多，使得需要發(fā)現(xiàn)的用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)從而為他提供服務(wù)。那么有發(fā)現(xiàn)需求的終端要向eNB進(jìn)行注冊(cè)，eNB統(tǒng)計(jì)小區(qū)內(nèi)具有D2D功能的終端數(shù)目。另外，具有發(fā)現(xiàn)需求的終端設(shè)備要向eNB發(fā)送被發(fā)現(xiàn)的請(qǐng)求信令，eNB要根據(jù)接收到的請(qǐng)求信令的UE數(shù)目設(shè)定第一個(gè)發(fā)現(xiàn)周期的時(shí)頻資源。發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求的信令因?yàn)槲恢眯畔⒌脑蚨兴顒e，當(dāng)D2D終端無(wú)法獲取自身位置信息，且不需要資源復(fù)用時(shí)，eNB在時(shí)域上和頻域上進(jìn)行隨機(jī)分配，并保證所有的UE都被平均分配到每個(gè)RB上。

在需要采用資源復(fù)用分配的情況下，eNB根據(jù)UE發(fā)送的位置信息，采用資源復(fù)用分配原則進(jìn)行分配，并保證所有的UE都被平均分配到每個(gè)RB上。并且，UE對(duì)上一周期內(nèi)接收到其他UE發(fā)現(xiàn)信號(hào)的能量進(jìn)行檢測(cè)，找到能量最低的一個(gè)或者多個(gè)發(fā)現(xiàn)信號(hào)，并將發(fā)送該發(fā)現(xiàn)信號(hào)的UE的ID上報(bào)給eNB。對(duì)于能夠獲得位置信息的UE，UE按照eNB的要求和自己的運(yùn)行速度定期向eNB上報(bào)所在的位置信息。

在不需要采用資源復(fù)用分配的情況，eNB采用跳時(shí)方案進(jìn)行時(shí)域和頻域的分配；在需要采用資源復(fù)用分配的情況，eNB根據(jù)UE每隔一段時(shí)間上報(bào)一次的位置信息，采用資源復(fù)用分配原則進(jìn)行分配，并保證所有的UE都被平均分配到每個(gè)RB上。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)周期結(jié)束時(shí)，eNB會(huì)運(yùn)行一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)周期，UE上報(bào)自己的發(fā)現(xiàn)設(shè)備結(jié)果。eNB統(tǒng)計(jì)每個(gè)UE發(fā)現(xiàn)的概率，如果該概率大于eNB設(shè)定的發(fā)現(xiàn)概率，那么發(fā)現(xiàn)過(guò)程結(jié)束。否則，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的UE發(fā)現(xiàn)設(shè)備的結(jié)果，設(shè)定新的發(fā)現(xiàn)周期的時(shí)頻資源，繼續(xù)選換執(zhí)行設(shè)備的發(fā)現(xiàn)流程。

結(jié)束語(yǔ)

LTE的D2D通信在3GPP中又名Prose：Proximity Service，3GPP SA1在2011年9月即成立了研究項(xiàng)目，成為R11的內(nèi)容之一。由于眾多互聯(lián)網(wǎng)廠商的參與，主導(dǎo)控制的高通公司不得不讓步，在2012年5月引入Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方案，2012年9月凍結(jié)完稿，SA2也已完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)工作。

同時(shí)，從互聯(lián)網(wǎng)廠商的角度看，D2D是他們力爭(zhēng)繞開(kāi)運(yùn)營(yíng)商的一環(huán)，討論異常激烈。部分運(yùn)營(yíng)商從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展著眼，從新應(yīng)用的易推廣入手，也積極參與，那么LTE D2D何時(shí)應(yīng)用，我們拭目以待。