王建灃

摘 要 隨著智能終端設(shè)備不斷增加和網(wǎng)絡(luò)流量的持續(xù)上升，現(xiàn)有的通信技術(shù)已無法滿足未來通信要求。終端直通（Device-to-Device，D2D）通信作為第五代移動通信網(wǎng)（5G）的關(guān)鍵技術(shù)能有效緩解數(shù)據(jù)壓力，提高頻譜利用率。本文介紹了D2D的優(yōu)點，詳細分析了D2D通信中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，展望了D2D未來發(fā)展重點及主要方向。

【關(guān)鍵詞】D2D 5G 資源分配 MIMO

1 引言

移動通信技術(shù)產(chǎn)生至今已近半個世紀(jì)，用戶數(shù)量不斷增加，業(yè)務(wù)量不斷增長，網(wǎng)絡(luò)流量也持續(xù)上升，這些都對現(xiàn)有的4G通信技術(shù)提出了更高的要求。相比較起來5G通信技術(shù)有更大的優(yōu)勢，包括容量更高、數(shù)據(jù)速率更快、端到端時延更小、開銷更低、大規(guī)模設(shè)備連接和始終如一的用戶體驗質(zhì)量（QoS）等。終端直通（Device-to-Device，D2D）通信技術(shù) 是指臨近的移動終端通過運營商授權(quán)頻譜直接進行點對點的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP列入新一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展框架中，成為第五代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中，一旦D2D通信鏈路建立起來，傳輸數(shù)據(jù)就無需核心設(shè)備或中間設(shè)備的干預(yù)，這樣可降低通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓力，大大提升頻譜利用率和吞吐量，擴大網(wǎng)絡(luò)容量。具體優(yōu)勢可以體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）設(shè)備與設(shè)備間的通信距離縮短，用較小的傳輸功率獲得較大的傳輸速率；

（2）傳統(tǒng)蜂窩通信方式需要基站進行中繼傳輸，D2D通信不需要網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)從而有效減輕基站負擔(dān)；

（3）D2D通信模式下，用戶可以復(fù)用小區(qū)中其他用戶的頻譜資源接入網(wǎng)絡(luò)，從而提高頻譜利用率；

（4）D2D通信因為不需要基站中繼，因此在基站故障或損壞情況下也能正常通信。

2 D2D通信關(guān)鍵技術(shù)

未來的無線通信系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)融合的方向發(fā)展，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D技術(shù)，在提高數(shù)據(jù)傳輸速率、降低傳輸功率、提升網(wǎng)絡(luò)容量的同時，也給通信系統(tǒng)帶來新的問題。比如，無線資源分配更加復(fù)雜、通信干擾等問題。因此，必須解決D2D通信中的關(guān)鍵技術(shù)問題，其中包括：D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)、資源分配、干擾管理和D2D-MIMO等多種通信網(wǎng)絡(luò)與通信過程。

2.1 D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)

D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)是指一個終端設(shè)備識別附近的另一個終端設(shè)備的過程，也是D2D通信連接的前提條件。目前D2D設(shè)備的發(fā)現(xiàn)方案有兩種：基于核心網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)方案和基于direct空口的發(fā)現(xiàn)方案?；诤诵木W(wǎng)的發(fā)現(xiàn)方案中，通過精準(zhǔn)的定位技術(shù)，核心網(wǎng)可以很快速地獲取到移動終端的地理位置信息，因此也可以比較簡單的判斷一個移動終端附近存在哪些其他移動終端，并將這些位置判決信息，包括移動終端的身份信息告知給有D2D發(fā)現(xiàn)請求的移動終端，從而完成發(fā)現(xiàn)過程。而基于direct空口的發(fā)現(xiàn)，是通過移動終端間直接進行D2D發(fā)現(xiàn)信號的發(fā)射和檢測，來感知并識別相鄰的移動終端，這種方案可以降低終端和網(wǎng)絡(luò)對定位功能的依賴，即使地理位置上并非臨近，只要信號可達即可發(fā)現(xiàn)。

2.2 D2D資源分配

在D2D通信與傳統(tǒng)通信方式并存的網(wǎng)絡(luò)中，由于D2D復(fù)用資源，系統(tǒng)必須保證蜂窩用戶通信和D2D用戶通信都能順利進行。而D2D對于資源的復(fù)用由基站控制，只要通過合理的功率控制和資源分配，就能夠保證D2D和蜂窩用戶正常通信。綜合考慮用戶QoS需求和功率控制等因素，可根據(jù)以下原則進行資源分配：

（1）根據(jù)用戶距離，基站搜索所有可以接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶，并為其找到所有可供復(fù)用通道的蜂窩用戶。由于D2D直通鏈路距離短，用戶可以使用較小的發(fā)射功率滿足其QoS需求，而不損害雙方的通信質(zhì)量，從而提高資源利用效率。

（2）在D2D用戶和蜂窩用戶復(fù)用信道時進行最優(yōu)功率分配。根據(jù)凸優(yōu)化理論得到最優(yōu)功率值的閉合解。

（3）D2D用戶和蜂窩用戶最優(yōu)信道分配。采用圖論中加權(quán)二部圖最優(yōu)匹配算法，為可接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶找到最合適的復(fù)用搭檔以最大化網(wǎng)絡(luò)中蜂窩用戶和D2D用戶的總體吞吐量。

2.3 干擾管理

D2D通信與傳統(tǒng)通信方式并存的局面也將帶來D2D用戶與蜂窩用戶間的干擾，其中包括蜂窩內(nèi)干擾與蜂窩間干擾。因此減小用戶間干擾，提升通信的QoS，是D2D通信必須解決的重要問題。目前有效的干擾管理方式主要有：

2.3.1 功率控制

當(dāng)一個信道同時被多個用戶復(fù)用時，由于鏈路之間的相互干擾，通過功率控制來最大化通信速率。

2.3.2 數(shù)字信號處理技術(shù)

通過基站預(yù)編碼設(shè)計，把蜂窩用戶的信號集中在D2D用戶接收端的零空間上進行傳輸，從而減小對D2D用戶的干擾。

2.3.3 調(diào)配機制

合理地調(diào)配時域、頻域和空域資源，可以有效減少用戶間的干擾。在時域方面利用跳時機制來分散D2D用戶在同一時間上的干擾；在頻域方面，利用著色理論優(yōu)化D2D用戶和蜂窩用戶的信道配對來提高系統(tǒng)總體性能；在空域方面，通過限制蜂窩用戶和復(fù)用其信道的D2D用戶間的距離來控制相互直接的干擾。

2.4 D2D-MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。在D2D-MIMO系統(tǒng)中，通過在基站進行合理的下行預(yù)編碼，將發(fā)射波束對準(zhǔn)其復(fù)用的蜂窩用戶，而在D2D用戶方向上形成零陷，從而減小D2D用戶和蜂窩用戶間的干擾。MIMO技術(shù)的優(yōu)勢還在于通過增大天線的數(shù)量來傳輸信息子流，將多個數(shù)據(jù)子流同時發(fā)送到信道上，各發(fā)射信號占用同一頻帶，從而在不增加頻帶寬度的情況下增加頻譜利用率。同時可以使無線信號的傳輸距離、天線的接受范圍進一步擴大，信號抗干擾性更強，無線傳輸更為精準(zhǔn)快速，提升通信的QoS。

3 總結(jié)與展望

本文對D2D關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)與概括，分別從D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)與資源分配、干擾管理、D2D-MIMO四個方面對現(xiàn)有研究方案進行分類與總結(jié)。D2D通信技術(shù)利用通信雙方距離近的優(yōu)勢，可以給用戶提供高速率、低時延和低功耗的本地化通信服務(wù)，而且能減輕基站的負擔(dān)、提高系統(tǒng)頻譜利用率，從而降低運營商由于擴容帶來的運行成本。但是，D2D通信和普通蜂窩通信共享運營商頻譜資源，給現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)帶來了更加復(fù)雜的電磁干擾，而干擾是影響系統(tǒng)容量和保證用戶QoS需求的關(guān)鍵因素。如果干擾不能得到有效控制，D2D通信會損害普通蜂窩通信用戶的通信質(zhì)量從而降低系統(tǒng)的總體性能。因此，D2D通信干擾管理和資源分配將是未來的研究重點。

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作者單位

華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北省保定市 071051