丁家昕,馮大權(quán),錢恭斌,張楠
(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心,北京 100037;2.深圳大學(xué),廣東 深圳 518060)
21世紀(jì),以智能通信終端為代表的電子信息技術(shù)蓬勃發(fā)展,手機(jī)已成為人們生活的必備產(chǎn)品。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1],截至2017年底,全球蜂窩移動(dòng)通信用戶數(shù)已高達(dá)77億,滲透率為103.5%,遠(yuǎn)超固定電話和固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入的滲透率。工業(yè)和信息化部的數(shù)據(jù)也顯示[2],在2017年,隨著4G的大規(guī)模商用,我國(guó)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量消費(fèi)高達(dá)246億吉比特,全年每月戶均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量達(dá)到1 775 MB,其中通過(guò)手機(jī)上網(wǎng)的流量占到總流量的95.6%。然而不斷增長(zhǎng)的用戶數(shù)量以及人們對(duì)更高服務(wù)質(zhì)量的追求與有限的頻譜資源的矛盾也越發(fā)突出。據(jù)國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心預(yù)測(cè)[3,4]:到2020年,根據(jù)現(xiàn)有頻譜規(guī)劃,中國(guó)5G頻譜缺口將高達(dá)600 MHz。此外,各類應(yīng)用程序特別是視頻、游戲、導(dǎo)航等高耗能業(yè)務(wù)在智能終端的蓬勃發(fā)展,使得移動(dòng)終端的電池能量消耗日益攀升。然而,由于受到尺寸和內(nèi)部空間的限制,移動(dòng)終端電池容量往往有限,這嚴(yán)重影響了用戶的服務(wù)體驗(yàn),阻礙了高耗能業(yè)務(wù)的發(fā)展。因此,未來(lái)如何充分利用資源,提高無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率成為5G網(wǎng)絡(luò)面臨的難題,同時(shí)也是目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[5-7]。
為了解決這些難題,國(guó)內(nèi)外研究人員提出了很多方案思路,例如采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和超密集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8],通過(guò)大量部署小型基站(small cell)來(lái)提高系統(tǒng)容量和用戶服務(wù)體驗(yàn)。但部署小型基站需要大量資金投入,且選址和維護(hù)也是運(yùn)營(yíng)商需要面對(duì)的難題[9]。而終端直通(device-to-device,D2D)通信技術(shù)[10],在不需要運(yùn)營(yíng)商額外投資的情況下,通過(guò)鄰近的節(jié)點(diǎn),使用授權(quán)頻段、不經(jīng)過(guò)基站的中繼而直接進(jìn)行信息傳輸,提升網(wǎng)絡(luò)性能,受到廣泛關(guān)注[11]。
與此同時(shí),隨著自干擾消除技術(shù)的進(jìn)步[12-14],無(wú)線同頻同時(shí)全雙工通信也引起了研究者的廣泛關(guān)注。相比半雙工通信,全雙工通信能潛在地提升一倍頻譜效率,實(shí)現(xiàn)更加靈活的頻譜使用,同時(shí)降低端到端時(shí)延,因此也被廣泛認(rèn)為是下一代通信系統(tǒng)中提升無(wú)線頻譜效率的重要方向[15-19]。
由于D2D通信中的發(fā)射功率較小,從而避免了待接收的有用信號(hào)被自身發(fā)射信號(hào)淹沒(méi),這一點(diǎn)對(duì)于全雙工通信十分有利[16]。此外,在D2D通信的應(yīng)用中,通常通信雙方要相互交換信息,有著雙向的流量,特別適合進(jìn)行全雙工通信。因此,二者的結(jié)合吸引了國(guó)內(nèi)外眾多研究者的注意[16,19]。
基于同時(shí)同頻收發(fā)的全雙工通信可以進(jìn)一步提升D2D通信的性能,但也給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了更加復(fù)雜的用戶間干擾和自干擾[19],而干擾影響接收信號(hào)質(zhì)量,如果不能得到有效控制,會(huì)嚴(yán)重?fù)p害網(wǎng)絡(luò)的總體性能和用戶服務(wù)體驗(yàn)。因此,D2D資源優(yōu)化配置和干擾管理機(jī)制一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)[16-20]。
與傳統(tǒng)基于基站中繼的通信方式不同, D2D通信允許鄰近的節(jié)點(diǎn)使用授權(quán)頻段直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,這樣可以帶來(lái)如下三大增益。
(1)信道增益
與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站與用戶間的通信鏈路相比,D2D通信鏈路距離短,路徑損耗較小,特別當(dāng)用戶到基站的鏈路處于深度衰落狀態(tài)或通信雙方都處在小區(qū)邊緣時(shí),D2D通信帶來(lái)的信道增益就十分明顯。
(2)跳數(shù)增益
不同于傳統(tǒng)的蜂窩基站中繼通信,數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳到目的節(jié)點(diǎn)至少需要經(jīng)過(guò)上行和下行兩次傳輸。D2D直通鏈路,數(shù)據(jù)只需一跳,便可完成從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸,從而節(jié)約大量的傳輸資源。
(3)復(fù)用增益
D2D直接通信鏈路距離較短,發(fā)射功率小,對(duì)與其共享頻譜資源的用戶干擾小。因此,可以與距離較遠(yuǎn)的蜂窩用戶復(fù)用頻譜資源,增大資源利用效率,同時(shí)也不損害雙方的通信質(zhì)量。
近些年來(lái)的研究表明,通過(guò)天線隔離技術(shù)以及模擬域、數(shù)字域的干擾消除,全雙工通信可以潛在提升一倍頻譜效率[15-19]。此外,全雙工D2D通信可以最大限度提升用戶收發(fā)設(shè)計(jì)的自由度,適合頻譜緊缺和碎片化的多種通信場(chǎng)景。因此,相比于半雙工D2D通信,全雙工D2D通信可以額外帶來(lái)雙工增益,從而進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)資源利用效率。
高速率、高連接數(shù)和低時(shí)延等指標(biāo)是5G通信系統(tǒng)的核心性能指標(biāo)。D2D通信的信道增益有助于提高5G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率;其跳數(shù)增益、復(fù)用增益及雙工增益可節(jié)省大量的傳輸資源,并通過(guò)本地通信分流核心網(wǎng)的流量負(fù)載,降低擁塞風(fēng)險(xiǎn),有助于接入更多的用戶;而且,信道增益、跳數(shù)增益及雙工增益可以降低信息端到端的傳輸時(shí)延。
全雙工D2D通信也有助于實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)高頻譜效率和高能量效率的需求。其信道增益、跳數(shù)增益、復(fù)用增益和雙工增益可提高系統(tǒng)總體頻譜效率并減少用戶的能量消耗,其高效的頻譜利用,可顯著增加接入用戶數(shù),從而減小未來(lái)超密集網(wǎng)絡(luò)中基站的部署密度,降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和成本??梢?jiàn),為實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)高速、可靠、綠色和個(gè)性化的服務(wù)愿景,全雙工D2D通信可發(fā)揮重要的作用。
隨著智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等智能終端的普及和基于用戶地理位置信息業(yè)務(wù)(location based service,LBS)的興起,全雙工D2D通信的應(yīng)用日益廣泛,舉例如下。
· 基于全雙工D2D通信的信息共享:人們可以基于全雙工D2D通信的本地傳輸,利用較短傳輸時(shí)延,交換視頻、圖片等多媒體文件及其他社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用信息,改善用戶服務(wù)體驗(yàn),同時(shí)減輕基站負(fù)載。
· 基于全雙工D2D通信的車輛通信:車輛間利用較短的傳輸時(shí)延,及時(shí)交換路況、車速等信息,提高信息傳輸?shù)臅r(shí)效性。
· 基于全雙工D2D通信的中繼傳輸:通過(guò)全雙工D2D中繼的幫助,用戶與基站間的傳輸鏈路長(zhǎng)度將大大縮短,特別是當(dāng)用戶處于深度衰落環(huán)境下或小區(qū)邊緣時(shí),傳輸速率將有明顯提升。
除了商業(yè)應(yīng)用,全雙工D2D通信還能在緊急救援和公共安全領(lǐng)域發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)被地震、颶風(fēng)等災(zāi)難事件嚴(yán)重破壞時(shí),鄰近終端仍可通過(guò)全雙工D2D通信進(jìn)行信息交互,提高了移動(dòng)通信系統(tǒng)的頑健性。圖1展示了全雙工D2D通信在這些方面的應(yīng)用。
全雙工 D2D通信技術(shù)在為用戶提供高速率、低功耗、低時(shí)延的近距離通信服務(wù)的同時(shí),也使蜂窩系統(tǒng)的電磁環(huán)境更加復(fù)雜,從而增加了網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的難度。因此,有效的資源分配機(jī)制和干擾抑制技術(shù)是利用好全雙工D2D通信的關(guān)鍵所在,目前的研究工作也主要集中在這一方面。
功率控制是簡(jiǎn)單有效的干擾控制方法。可以通過(guò)限制D2D用戶的最大發(fā)射功率,例如,基于功率裕度(power margin)因子來(lái)進(jìn)行功率分配,從而減小D2D用戶對(duì)普通蜂窩用戶的干擾[21,22]。然而在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中,功率裕度因子的設(shè)置是個(gè)難題,較大的功率裕度因子值,會(huì)使?jié)M足此值的普通蜂窩用戶較少,而較小的功率裕度因子值,又會(huì)造成D2D用戶的服務(wù)質(zhì)量下降。參考文獻(xiàn)[23]提出了啟發(fā)式資源分配算法,保證D2D用戶和普通蜂窩用戶的服務(wù)質(zhì)量,但該算法在進(jìn)行D2D用戶和普通蜂窩用戶的信道配對(duì)時(shí),只考慮了用戶的瞬時(shí)信道信息,未考慮D2D用戶和普通蜂窩用戶間的功率協(xié)調(diào),造成實(shí)際結(jié)果與最優(yōu)結(jié)果間的巨大差異。基于此,參考文獻(xiàn)[24]考慮了多對(duì) D2D 用戶和多個(gè)普通蜂窩用戶共享上行鏈路頻譜資源的場(chǎng)景,在保證所有普通蜂窩用戶和可接入網(wǎng)絡(luò)的 D2D用戶最小信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)前提下,設(shè)計(jì)了一個(gè)跨層優(yōu)化資源分配算法,該算法以最大化系統(tǒng)總體吞吐量為目標(biāo)。仿真表明,算法能顯著提高網(wǎng)絡(luò)中 D2D 用戶的接入率和系統(tǒng)總體吞吐量。
圖1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信的應(yīng)用
合理地調(diào)配時(shí)域、頻域和空域資源,可以有效地減少用戶間干擾。參考文獻(xiàn)[25]提出利用跳時(shí)機(jī)制來(lái)分散D2D用戶在同一時(shí)間上的干擾并減小用戶遠(yuǎn)近效應(yīng);參考文獻(xiàn)[26]提出利用著色理論來(lái)避免相互間干擾嚴(yán)重的 D2D用戶使用相同的信道;參考文獻(xiàn)[27, 28]利用匹配理論來(lái)優(yōu)化D2D用戶和普通蜂窩用戶間的信道配對(duì)。在空域方面,參考文獻(xiàn)[29-31]提出干擾限制區(qū)域的概念,通過(guò)限制普通蜂窩用戶和D2D用戶間的最小距離,減小相互之間的干擾。此外,還有基于博弈論的資源調(diào)度算法,如參考文獻(xiàn)[32]中提出的第二價(jià)格連續(xù)競(jìng)拍機(jī)制、參考文獻(xiàn)[33]中的反向迭代組合拍賣以及參考文獻(xiàn)[34]中的斯塔克爾伯格博弈等。
在D2D通信中,用戶可以采用正交模式、復(fù)用模式和基站中繼模式[35,36]3種不同的傳輸模式進(jìn)行通信。更多的通信傳輸模式,意味著更多的通信自由度,因此有助于提高網(wǎng)絡(luò)性能。參考文獻(xiàn)[35,36]設(shè)計(jì)了以最大化網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和能量效率為目標(biāo)的最優(yōu)模式選擇算法。仿真表明,經(jīng)過(guò)最優(yōu)模式選擇的 D2D 通信能顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。
以上這些功率控制算法、調(diào)度機(jī)制和模式選擇方案雖然能提高網(wǎng)絡(luò)性能,但大部分研究只考慮D2D通信的半雙工通信模式,全雙工D2D通信的資源分配有待進(jìn)一步研究。
針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D用戶直通通信場(chǎng)景,在參考文獻(xiàn)[37, 38]中,分別給出了最大化網(wǎng)絡(luò)遍歷容量和保障用戶時(shí)延服務(wù)質(zhì)量的最優(yōu)功率分配算法,沒(méi)有考慮D2D用戶復(fù)用普通蜂窩用戶的資源。參考文獻(xiàn)[39]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中多對(duì)全雙工D2D通信節(jié)點(diǎn)復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路頻譜資源的系統(tǒng)總體吞吐量最大化問(wèn)題,提出了基于點(diǎn)著色理論的聯(lián)合時(shí)頻資源塊和功率分配方案,仿真結(jié)果顯示該方案能達(dá)到近似最優(yōu)的結(jié)果并顯著降低計(jì)算復(fù)雜度。參考文獻(xiàn)[40]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信節(jié)點(diǎn)大規(guī)模部署的場(chǎng)景,利用隨機(jī)幾何理論分析了網(wǎng)絡(luò)中用戶的中斷概率性能,并指出網(wǎng)絡(luò)中所有D2D用戶都工作在全雙工模式并不是最優(yōu)的選擇。類似地,在參考文獻(xiàn)[41]中,利用隨機(jī)幾何理論分析了網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信帶來(lái)的吞吐量提升,并提出了動(dòng)態(tài)蜂窩鏈路保護(hù)機(jī)制,避免全雙工D2D用戶對(duì)普通蜂窩用戶的干擾。值得注意的是,以上參考文獻(xiàn)并沒(méi)有涉及多對(duì)D2D用戶場(chǎng)景下,聯(lián)合用戶雙工模式選擇、用戶接入控制、功率控制和信道分配的跨層資源分配優(yōu)化方案,因此有待進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)[42]給出了在不同雙工模式下最大化用戶頻譜效率的功率分配策略,但未考慮用戶的QoS要求。參考文獻(xiàn)[43]基于參考文獻(xiàn)[42]中的最優(yōu)功率分配策略,提出了全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)中用戶信息傳輸和能量傳輸之間的最佳時(shí)間分配策略。參考文獻(xiàn)[44]考慮了用戶的 QoS要求,提出D2D全雙工中繼節(jié)點(diǎn)部分功率用于蜂窩用戶中繼傳輸,部分用于自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)功率分配策略。參考文獻(xiàn)[45]提出了一種基于全雙工D2D輔助協(xié)同的非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)方案,其中弱NOMA用戶在具有全雙工D2D通信能力的強(qiáng)NOMA用戶的幫助下改善中斷性能。但這些文獻(xiàn)僅考慮了網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)D2D全雙工中繼用戶的場(chǎng)景。參考文獻(xiàn)[46]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在多組全雙工中繼輔助的 D2D用戶組,提出了基于線性松弛算法的系統(tǒng)吞吐量最大化解決方案。在參考文獻(xiàn)[47]中,針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D中繼節(jié)點(diǎn)大規(guī)模部署的場(chǎng)景,利用隨機(jī)幾何理論分析了網(wǎng)絡(luò)中用戶的覆蓋概率性能,分析結(jié)果顯示,當(dāng)用戶的目標(biāo)信干噪比小于5 dB時(shí),全雙工中繼更加有利于提升用戶的覆蓋概率。此外參考文獻(xiàn)[48]概述了在全雙工異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,基于博弈論的用戶資源分配策略。
目前 D2D通信的研究主要集中在半雙工模式,大量研究工作針對(duì)D2D通信干擾控制,從功率控制、資源調(diào)度和D2D通信模式選擇等各個(gè)方面提出了很多有效的協(xié)議、機(jī)制和算法。但應(yīng)注意,全雙工D2D通信的研究還處于起步階段,雖有不少研究成果公開(kāi)報(bào)道,但尚未形成完整的理論和技術(shù)體系,仍有不少關(guān)鍵技術(shù)亟待解決,具體如下。
(1)D2D混合雙工通信跨層優(yōu)化資源分配
在全雙工 D2D直通通信中,對(duì)于多對(duì) D2D用戶和多個(gè) CU用戶共享資源的場(chǎng)景,資源分配問(wèn)題較為復(fù)雜,大量研究對(duì)用戶接入控制、功率控制和信道分配等多是分開(kāi)進(jìn)行的,而且沒(méi)有考慮用戶的雙工模式選擇問(wèn)題,這樣容易造成設(shè)計(jì)冗余。因此一個(gè)整體性的跨層設(shè)計(jì)方案,聯(lián)合優(yōu)化用戶雙工模式選擇、接入控制、功率分配和信道分配值得進(jìn)一步研究。
(2)全雙工D2D通信中繼激勵(lì)機(jī)制
通過(guò)全雙工D2D中繼通信,基站到小區(qū)邊緣用戶的傳輸鏈路長(zhǎng)度大大縮短,從而提升傳輸速率。然而小區(qū)邊緣用戶傳輸速率的增加是以犧牲D2D中繼用戶的功率或時(shí)間等資源為代價(jià)的。在實(shí)際系統(tǒng)中,由于用戶的電池容量有限,而且在全雙工D2D中繼通信中,用戶因自干擾消除,需要消耗更多的能量。而且現(xiàn)有文獻(xiàn)大部分都假設(shè)D2D用戶愿意為其他用戶服務(wù)。因此,如何設(shè)計(jì)合理的用戶激勵(lì)機(jī)制來(lái)驅(qū)動(dòng)D2D用戶來(lái)充當(dāng)其他用戶的中繼,并實(shí)現(xiàn)雙方的合作需要進(jìn)一步研究。
(3)全雙工D2D通信中頻譜效率與能量效率的折中優(yōu)化機(jī)制
目前,在全雙工D2D通信無(wú)線資源分配的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,研究者往往固定地以能量效率最優(yōu)或頻譜效率最優(yōu)的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置,而沒(méi)有考慮業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)變化的影響,得到的算法或機(jī)制無(wú)法在動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)條件下保證系統(tǒng)性能。例如,在全雙工D2D直通通信中,當(dāng)用戶的傳輸速率要求不高時(shí),D2D用戶可以工作在半雙工模式來(lái)滿足用戶需求,以降低系統(tǒng)能耗。在全雙工模式下,用戶由于要進(jìn)行自干擾消除,需要消耗更多的能量。如果一味地追求頻譜效率,用戶的能量效率就可能受到損失。因此,如何根據(jù)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)的特點(diǎn),研究全雙工D2D通信中的能效與譜效的折中優(yōu)化模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置,也有待進(jìn)一步深入研究。
(4)多小區(qū)環(huán)境下的全雙工D2D通信資源分配
目前研究多集中在單小區(qū)環(huán)境下全雙工D2D通信的資源分配問(wèn)題。在多小區(qū)環(huán)境下,用戶的資源分配變得更加復(fù)雜。因此,需建立理論模型,針對(duì)多小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,設(shè)計(jì)更適合于實(shí)際系統(tǒng)的算法。
(5)多天線環(huán)境下的全雙工D2D干擾協(xié)調(diào)和資源分配
目前的研究大部分只考慮了基站和用戶單根天線時(shí)的干擾協(xié)調(diào)和資源分配,未來(lái)的研究應(yīng)著重設(shè)計(jì)聯(lián)合空域、時(shí)域、頻域和碼域資源的優(yōu)化分配方案,以提升系統(tǒng)性能。
(6)非授權(quán)頻段全雙工D2D通信資源分配
非授權(quán)頻譜是開(kāi)放性的資源,允許任何無(wú)線接入技術(shù)使用;而D2D通信用戶通信距離短,發(fā)射功率小,從而干擾也少,因此易與其他部署在免授權(quán)頻段的無(wú)線接入系統(tǒng)(如 Wi-Fi系統(tǒng))公平共存。目前全雙工D2D通信的研究主要集中在授權(quán)頻段上,而非授權(quán)頻段的研究主要集中在MAC層機(jī)制,因此關(guān)于非授權(quán)頻段的全雙工D2D通信的資源分配需要進(jìn)一步研究。
(7)全雙工D2D通信的安全機(jī)制
基于全雙工D2D中繼通信,小區(qū)邊緣或者與處于深度衰落狀態(tài)的用戶可以通過(guò)周圍用戶的中繼接入網(wǎng)絡(luò),從而提升用戶服務(wù)體驗(yàn)。然而通過(guò)中繼傳輸,源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息要交付給中繼節(jié)點(diǎn),面臨信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。特別是當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)不可信時(shí),信息安全問(wèn)題更加突出。目前全雙工D2D中繼通信中關(guān)于如何確保用戶數(shù)據(jù)安全的研究較少,值得進(jìn)一步研究。
全雙工 D2D通信技術(shù)可以為用戶提供高速率、低功耗、低時(shí)延的近距離通信服務(wù),提高系統(tǒng)頻譜效率和能量效率,減輕基站的負(fù)載,降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行成本,對(duì)于實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)具有重要意義。然而全雙工D2D通信也給蜂窩系統(tǒng)帶來(lái)了更復(fù)雜的電磁環(huán)境,增加了網(wǎng)絡(luò)資源管理優(yōu)化的難度。本文綜述了全雙工D2D通信資源分配方面的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題,同時(shí)探討了全雙工D2D通信的未來(lái)研究方向,相信隨著5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加快,全雙工D2D通信的研究將更加深入并在不久的將來(lái)成為現(xiàn)實(shí)。
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