倪藝洋，王玉璽，朱洪波

（1.江蘇第二師范學院數(shù)學與信息技術(shù)學院，江蘇南京 210003；2.南京郵電大學江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇南京 210003）

0 引 言

近年來，國際電信聯(lián)盟明確了5G移動通信的主要應用場景，包括增強型移動寬帶、大規(guī)模機器類型通信、超可靠和低延遲通信。5G 移動通信將在用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、網(wǎng)絡能效等8 個方面的技術(shù)指標較4G 系統(tǒng)提升一個或多個數(shù)量級。以峰值傳輸速率和系統(tǒng)能量效率為例，5G 移動通信的峰值傳輸速率預期將達到10 Gb/s，較4G 移動通信的100 Mb/s 提高100 倍，系統(tǒng)能量效率相比4G移動通信需提升10倍。現(xiàn)有支持4G移動通信的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)將無法滿足5G 移動通信的需求，因此發(fā)展新型無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)迫在眉睫[1-2]。

作為5G 移動通信無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)之一的D2D通信技術(shù)，其基本特征是在距離較近的用戶終端間建立直接通信的鏈路，其數(shù)據(jù)傳輸無需基站中轉(zhuǎn)，就可實現(xiàn)終端間各種形式的直接通信[3]。采用直接通信方式的D2D通信技術(shù)可以大幅提升用戶間數(shù)據(jù)傳輸速率、提高系統(tǒng)容量、減小系統(tǒng)開銷、增強通信可靠性。另一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十Gb/s 高速率傳輸?shù)暮撩撞ㄍㄐ乓渤蔀?G 移動通信關(guān)注的焦點，其基本原理是利用非授權(quán)頻段進行超大帶寬傳輸，實現(xiàn)極高速率的無線傳輸從而獲得更大的系統(tǒng)容量[4-5]。毫米波通信目前在室內(nèi)無線個域網(wǎng)和室外無線Mesh 網(wǎng)絡中均已取得相當進展[6-7]，但面向5G 移動通信，其傳輸損耗大、易被遮擋等信道傳輸特性也為毫米波通信在實際中的應用帶來了巨大挑戰(zhàn)。從使用頻段看，當前D2D通信的研究主要集中在6 GHz 以下的低頻頻段，可利用的頻譜資源相對稀缺，實現(xiàn)的無線傳輸峰值速率相對較低，無法滿足5G 移動通信大量基于視頻分發(fā)的業(yè)務應用；從干擾形成機理來看，現(xiàn)有D2D通信技術(shù)往往采取復用蜂窩用戶時頻資源的傳輸模式，工作在6 GHz 以下頻段時會產(chǎn)生較為嚴重的同頻干擾。如何面向5G 移動通信的特點發(fā)展新型通信技術(shù)已成為學術(shù)界和工業(yè)界關(guān)心的熱點問題。

近年來，國際和國內(nèi)一些研究者開始探索利用毫米波的高信道損耗特性以及高度指向性，在毫米波頻段發(fā)展D2D通信，力圖在大幅度提高D2D 用戶間峰值傳輸速率的同時有效抑制同頻干擾。究其原理是巧妙地將毫米波通信在信道傳播方面的劣勢轉(zhuǎn)換為對D2D通信有利的條件，相關(guān)研究目前尚處于起步階段。因此，探索適用于毫米波無線傳輸?shù)腄2D通信系統(tǒng)架構(gòu)、無線傳輸理論、資源分配方案，無疑對滿足5G 移動通信的需求有著重要的理論價值和實際意義。

1 D2D通信

1.1 概述

從D2D通信的發(fā)展歷史看，D2D通信最早可追溯至本世紀初，為了解決4G 蜂窩網(wǎng)絡中無線頻譜資源短缺、網(wǎng)絡建設開銷大、網(wǎng)絡容量受限等難題，研究者們提出一種終端間直通的通信機制[8]。從頻率資源的利用方式看，基于蜂窩網(wǎng)絡的D2D通信分為兩種模式，分別是使用預留頻譜資源的Overlay 模式和復用蜂窩用戶頻譜資源的Underlay 模式[9]，其示意圖如圖1 所示。在Overlay模式中，D2D 用戶通信信道與蜂窩用戶通信信道相互正交，兩者之間不存在干擾，但大大降低了頻譜資源利用率。在Underlay 模式中，由于D2D 用戶復用蜂窩用戶頻譜資源，可有效提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率。

1.2 挑戰(zhàn)及相關(guān)研究

采用Underlay 模式的D2D通信是目前研究的熱點，但此模式下D2D 用戶與蜂窩用戶間的相互干擾無法避免，這也使5G 移動通信系統(tǒng)在干擾管控上面臨新的挑戰(zhàn)。針對此模式的干擾控制、功率優(yōu)化、模式選擇等已逐步展開[10-11]。在干擾管理機制的研究上，考慮到基站與用戶發(fā)射功率的差異，共享蜂窩用戶的上行資源是降低D2D 鏈路與蜂窩鏈路間的相互干擾的方法之一[8，12-14]。此外，將MIMO 技術(shù)與D2D通信相結(jié)合可以有效抑制鏈路相互間的干擾，是提高D2D通信性能的一個有效的途徑。對于不同的目標用戶需求，可以通過在基站側(cè)采用波束賦型或者干擾消除等預編碼策略進行干擾管控，進而提升系統(tǒng)性能[15-16]。

圖1 使用預留頻譜資源模式和復用蜂窩頻譜資源模式示意圖Fig.1 Application of reserved spectrum resource mode and reused cellular spectrum resource mode

為了實現(xiàn)更廣的覆蓋、提高D2D通信系統(tǒng)的總體適用性，可以進一步將中繼技術(shù)引入D2D通信系統(tǒng)中。利用D2D 用戶作為中繼進行多跳通信，并采用不同的中繼模式以適應不同的傳輸場景，進而可以獲得更好的鏈路增益以及更廣的網(wǎng)絡覆蓋[17]。將D2D 用戶作為移動中繼進行傳輸時，通過設計合理的中繼選擇策略可以進一步提高業(yè)務公平性，提升系統(tǒng)性能[18-20]。與此同時，在對中繼D2D通信系統(tǒng)的研究中，對系統(tǒng)速率、中斷概率等系統(tǒng)性能的分析也已全面展開[21]。

此外，為進一步提高D2D 鏈路和蜂窩鏈路的通信質(zhì)量，對基于蜂窩網(wǎng)絡的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方案和功率優(yōu)化算法的研究也已逐步展開[22-33]。在多蜂窩用戶多D2D 用戶的通信系統(tǒng)中，已有工作利用不同的優(yōu)化方法提出相應的資源分配方案以提高D2D通信鏈路的性能或蜂窩鏈路性能[25-27]。從鏈路QoS 的角度，根據(jù)不同用戶的QoS 需求，同時考慮到信道復用方式以及信道狀態(tài)信息的獲取，需要設計不同的資源優(yōu)化方案，以在保證用戶QoS 的前提下提高系統(tǒng)性能[28-30]。也有研究者以最大化D2D通信系統(tǒng)的能量效率為目標，針對不同的約束條件分別提出相應的資源分配方案[31-32]。此外，在上行鏈路中采用D2D通信方式并設計相應的資源管理機制可以有效解決蜂窩小區(qū)邊緣通信質(zhì)量差的難題[33]。

1.3 小 結(jié)

目前大多數(shù)已報道的有關(guān)D2D通信技術(shù)的研究是圍繞6 GHz 以下低頻段的移動通信系統(tǒng)展開，所采用的信道模型亦是針對低頻段。然而，由于6 GHz 以下頻段頻譜資源日益緊張及帶寬限制，現(xiàn)有面向低頻段D2D通信系統(tǒng)的理論與關(guān)鍵技術(shù)無法滿足未來5G 移動通信高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，因此急需研究? GHz 以上高頻段，特別是在毫米波頻段的D2D通信新理論與新方法，以滿足未來5G 移動通信的嚴苛指標。

2 毫米波通信

2.1 概 述

自1994年10月美國聯(lián)邦通信委員會發(fā)布將40 GHz以上的部分毫米波頻段開放供商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)應用后，全球各國和地區(qū)對毫米波頻段的免費開放極大地刺激了各研究機構(gòu)對毫米波通信的廣泛關(guān)注和積極投入。從目前看，毫米波通信能夠解決短距離密集用戶通信問題，是滿足5G 移動通信需求的有效解決方案之一。毫米波通信有著顯著特點，主要表現(xiàn)在：

1）毫米波波長極短，可利用大規(guī)模MIMO 技術(shù)和自適應波束賦形技術(shù)等空間處理技術(shù)，獲得更強的方向性和保密性[34]；

2）毫米波可以分配更大的帶寬；

3）頻譜資源豐富且具有國際通用性，毫米波上不同頻段的相對距離更近，使得不同頻段具有相近的性質(zhì)；

4）毫米波空間傳輸損耗大但抗干擾能力強。由于自由空間的傳播損耗與載波頻率的平方成正比，因此毫米波通信的傳播損耗遠高于低頻段通信，但同時此特性也可以有效減少同頻干擾。

毫米波波長短的特性造成其遇到障礙物的衍射效果差，穿透物體的能力弱，容易造成阻擋效應，因此，毫米波在蜂窩移動通信系統(tǒng)中的傳播受到了很大的限制。

在低頻段通信中，為達到更大的網(wǎng)絡容量和更高的傳輸速率，研究者提出了很多從物理層解決問題的方法，比如多天線技術(shù)、信道編碼技術(shù)等。從物理層著手已經(jīng)無法獲得更多增益以滿足未來網(wǎng)絡的需求，因此，探索更多的可用頻譜成為必然。毫米波通信的出現(xiàn)使得兩用戶間進行Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率成為可能，同時，隨著硅半導體工業(yè)的飛速發(fā)展以及毫米波電路的設計方面所取得的跨越式進展，毫米波通信的成本得到進一步降低，也使得將毫米波用于蜂窩通信系統(tǒng)中成為可能[35]。

2.2 挑戰(zhàn)及相關(guān)研究

對于工作在毫米波頻段的通信系統(tǒng)，如何保證鏈路質(zhì)量是毫米波通信將面臨的巨大挑戰(zhàn)。眾所周知，大規(guī)模天線陣列的增益可以克服路徑損耗并建立可靠的鏈路連接，同時，大規(guī)模天線陣列可以進行多數(shù)據(jù)流的預編碼，這種預編碼方式可以增加頻譜利用率從而達到更高的系統(tǒng)容量，因此對毫米波MIMO 系統(tǒng)的研究已逐步展開[36-43]。有研究者提出了低復雜度的最佳數(shù)字預編碼策略以降低基站和用戶的功率開銷[36]。相對于傳統(tǒng)的全數(shù)字預編碼方式，毫米波MIMO 系統(tǒng)中采用數(shù)字-模擬混合預編碼方式可以降低硬件成本降低算法復雜度、提高編碼質(zhì)量、增加毫米波MIMO 系統(tǒng)的吞吐量[37-38]。也有研究者對毫米波MIMO 系統(tǒng)的天線設計、信道估計等做了相關(guān)研究[40-42]。

另一方面，毫米波信道易被阻塞的特性也成為毫米波通信發(fā)展的瓶頸問題。在毫米波通信中，非視距傳輸?shù)膫鬏敁p耗比視距傳輸?shù)膫鬏敁p耗高很多，對于工作在60 GHz 的通信系統(tǒng)，當收發(fā)信雙方的距離為10 m 時，視距和非視距的路徑傳播損耗相差約[43]10 dB，在功率受限的系統(tǒng)中，10 dB 的功率損耗需要降低10 倍的傳輸速率以保證傳輸?shù)目煽啃?。因此，建立毫米波通信中兩用戶的視距傳播路徑是毫米波通信中避免鏈路阻塞的有效方法。一種克服毫米波信道阻塞的有效方法就是在毫米波系統(tǒng)中使用中繼，通過中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，使得兩用戶間進行多跳視距通信，幫助毫米波信號繞過受阻塞的鏈路，增加毫米波接收信號的信號強度，增加毫米波鏈路的連通性[44-46]。

2.3 小 結(jié)

不難看出，毫米波通信的研究目前已圍繞著天線設計、預編碼策略、毫米波中繼傳輸?shù)榷鄠€方面全面展開，面向蜂窩通信網(wǎng)絡架構(gòu)下的毫米波傳輸技術(shù)的研究相對較少，尤其是對移動環(huán)境中毫米波通信的研究尚在起步階段。

3 毫米波D2D通信

將毫米波與D2D通信技術(shù)相結(jié)合進而充分發(fā)揮毫米波通信以及D2D通信的優(yōu)勢，是5G 移動通信研究的熱點之一。在毫米波通信中，相近的用戶間采用D2D通信方式進行并發(fā)傳輸，可以進一步提高系統(tǒng)的傳輸效率[47]，但是毫米波的高頻段會增加D2D 設備的各種開銷。在傳統(tǒng)低頻段的多天線系統(tǒng)中，波束賦形和預編碼可以在基帶進行數(shù)字化處理，而在毫米波通信中信號設備具有高開銷和大功率消耗的特點，使得模擬的處理方式在射頻域的應用吸引了更多的關(guān)注。根據(jù)毫米波信道的空間結(jié)構(gòu)，可以將預編碼/組合器的問題轉(zhuǎn)化為稀疏數(shù)據(jù)重構(gòu)的問題，并提出精確的近似最優(yōu)預編碼器和組合器的算法，從而在低開銷的射頻硬件中進行應用[48]。

增強毫米波鏈路的連通性以及覆蓋范圍的有效途徑是合理利用中繼節(jié)點，利用具備在較多頻段實現(xiàn)無線通信能力的移動終端充當中繼節(jié)點，為基于毫米波無線傳輸?shù)腄2D通信提供契機與基礎(chǔ)。利用D2D通信技術(shù)將原有的毫米波阻塞鏈路轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵暰嗤ㄐ沛溌罚M而保證毫米波通信質(zhì)量的方法引起了學者們的廣泛關(guān)注。通過設計合理的路徑選擇算法、D2D 并發(fā)傳輸方法，可以建立毫米波用戶之間的多跳傳輸路徑，提高系統(tǒng)速率[49-50]。此外，還可以采用混合的通信模式，在鏈路沒有阻塞時利用毫米波頻段進行通信，在其他情況下則用低頻段進行通信。通過這種混合的方式更好地發(fā)揮毫米波通信的寬頻帶，避免在基于毫米波無線傳輸?shù)腄2D通信系統(tǒng)中因遭受鏈路阻塞而產(chǎn)生的高損耗[51]。與此同時，在基于毫米波無線傳輸?shù)腄2D通信系統(tǒng)中，由于其特殊的信道傳輸特性，針對基于低頻段的D2D通信系統(tǒng)資源優(yōu)化方案已經(jīng)不再適用。已有研究者對毫米波頻段的小區(qū)無線接入傳輸調(diào)度機制進行了研究，分析了傳輸調(diào)度機制對基于毫米波無線傳輸?shù)腄2D通信用戶性能的影響，包括通信模式、通信負載、用戶密度、用戶移動性等，揭示了當通信負載較重時，隨著用戶密度的增加，D2D通信的性能得以提高[52]。在基于中繼的毫米波通信系統(tǒng)中，針對毫米波傳輸?shù)淖枞约案邠p耗特性設計合理的資源分配方案，以提高系統(tǒng)可達速率、降低總發(fā)射功率、提高能量效率。設計時還應考慮到總發(fā)射功率和系統(tǒng)量之間的折衷[53-56]。此外，在對毫米波D2D通信系統(tǒng)的性能分析上，相應的研究也初步展開，特別在覆蓋概率、區(qū)域譜效率、中斷概率等性能的分析上已取得初步進展[57-59]。

4 毫米波D2D通信研究熱點展望

針對5G 移動通信對系統(tǒng)吞吐量、譜-能率以及覆蓋能力提出的突破性需求，可突破傳統(tǒng)運行于低頻段的D2D通信理論與關(guān)鍵技術(shù)在5G 移動通信中的應用限制，探索適用于大帶寬傳輸、高定向性波束以及易受阻擋效應的毫米波D2D通信理論方法。目前，5G 移動通信的研究工作已在全球范圍內(nèi)全面展開，伴隨著標準化進程的快速推進，基于毫米波無線傳輸?shù)腄2D通信已引起研究者的極大重視，可以跟隨5G 移動通信發(fā)展的前沿動態(tài)展開后續(xù)研究工作。

4.1 低復雜度動態(tài)波束賦形及波束追蹤

從標準化進程看，5G 移動通信系統(tǒng)中基站和移動用戶都將配置較高維度的天線陣列，利用多天線的陣列增益可以有效提高通信的接收功率、補償毫米波無線信道高路徑損耗。目前已有文獻中提出的大規(guī)模毫米波多天線信道模型與普通毫米波多天線信道模型之間存在差異，能否直接將該模型應用到多天線的毫米波移動終端需要進一步的研究，毫米波信道本身更加接近于直達徑信道的特性也需要考慮。此外，毫米波頻段的基站密度、天線輻射方向、衰落因素等系統(tǒng)參數(shù)與低頻段網(wǎng)絡中的系統(tǒng)參數(shù)有著較大差異。以天線輻射方向為例，在毫米波頻段天線的輻射方向窄，主瓣和副瓣的特性與低頻段有著較明顯的區(qū)別，如圖2 所示。 因此針對基于毫米波的D2D通信系統(tǒng)，需要深入研究該模型中各系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

圖2 毫米波頻段天線輻射方向與低頻段天線輻射方向?qū)Ρ葓DFig.2 Comparison of antenna radiate directions in millimeter wave band and low frequency band

波束成形是毫米波通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。 采用大規(guī)模天線陣列實現(xiàn)波束成形，可有效地提高基站覆蓋與吞吐量，如果發(fā)射機和接收機同時配置大規(guī)模天線陣列，采用波束成形及合并可以明顯地擴展基站覆蓋范圍，并且有效地降低基站之間的干擾。針對移動用戶端射頻通道受限的情況，可以研究模擬/數(shù)字混合波束成形（合并），如圖3 所示。對于毫米波頻段射頻通道成本、功耗、封裝尺寸等瓶頸問題，考慮到性能和成本之間取得合理折中，可采用數(shù)字和模擬混合天線陣列?？紤]到毫米波D2D通信中的終端計算能力和功耗受限，為進一步提升系統(tǒng)頻譜效率和能量效率，可以進一步研究面向毫米波D2D通信的低成本、低功耗的模擬/數(shù)字混合波束成形方法。

圖3 模擬/數(shù)字混合預編碼的發(fā)射機Fig.3 Analog/digital hybrid pre-coding transmitter

4.2 毫米波D2D通信協(xié)作傳輸

由于毫米波存在信道衰耗大、易受阻擋等缺點，因此毫米波是否可以應用在蜂窩移動通信網(wǎng)中長期以來一直是備受爭議的問題。無線信號通過大氣傳播時，由于氧氣、濕度、霧和雨等自然環(huán)境因素的吸收和散射，會產(chǎn)生信號衰減?，F(xiàn)有的信道測量結(jié)果顯示，無線信號頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近。

針對以上問題，可以通過不同地區(qū)的不同自然環(huán)境，預先做好充分的鏈路預算，求出該區(qū)域毫米波最大傳輸距離，進而解決由自然環(huán)境引起的毫米波鏈路中斷。盡管可以通過足夠的鏈路預算來克服惡劣天氣對毫米波的影響，但毫米波的阻擋效應仍是一大挑戰(zhàn)。毫米波在傳輸中容易被各類建筑物、移動的車輛、人體本身甚至是握著手機的手所阻擋，因此在基于毫米波的D2D通信中需要深入研究可有效克服阻擋效應的無線傳輸理論與方法，提升系統(tǒng)的吞吐量與覆蓋性能。

首先，眾所周知，針對基于瞬時信道條件的鏈路自適應是4G 系統(tǒng)中實現(xiàn)逼近容量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。隨著5G 移動通信采用大規(guī)模天線陣列技術(shù)實現(xiàn)毫米波無線傳輸，完整的瞬時信道狀態(tài)信息的獲取存在挑戰(zhàn)，加之阻擋效應會惡化系統(tǒng)性能，因此需要深入研究綜合利用統(tǒng)計和瞬時信道狀態(tài)信息的鏈路自適應傳輸技術(shù)。特別地，不同于4G 系統(tǒng)中的信道環(huán)境，毫米波無線信道由于指向性較強，局部信道質(zhì)量得到較為明顯的提升，支持多信息流空分復用傳輸?shù)哪芰︼@著增強，但同時由于移動用戶運動及阻擋效應可能會導致系統(tǒng)通信中斷，可以在發(fā)射端通過估計/預測對當前鏈路信道質(zhì)量進行有效評估，并對傳輸參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整以自適應匹配鏈路信道的波動。

其次，在毫米波通信中，由于定向天線以及高傳播損耗這兩個特征，當移動用戶端發(fā)射功率較低時，也會造成覆蓋范圍較小的問題。與此同時，在毫米波通信中，用戶的干擾將會大幅降低，系統(tǒng)可以支持更多的用戶進行D2D通信，這也意味著系統(tǒng)可以容納更多的可以用于中繼傳輸?shù)挠脩?。由此可以進一步研究面向毫米波D2D通信的中繼選擇策略，結(jié)合放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)、壓縮轉(zhuǎn)發(fā)等中繼協(xié)議，結(jié)合最優(yōu)化理論，設計合理的中繼選擇方法以提高信號的有效傳輸距離，實現(xiàn)覆蓋性能的大幅提升。

5 結(jié) 語

5G 移動通信系統(tǒng)將在2020 年以后全面實現(xiàn)商用，其各項系統(tǒng)性能較現(xiàn)有4G 系統(tǒng)將有質(zhì)的飛躍。作為5G 移動通信的關(guān)鍵技術(shù)，D2D通信技術(shù)以及毫米波無線傳輸技術(shù)成為當下研究熱點。本文詳細分析了D2D通信技術(shù)、毫米波無線傳輸技術(shù)以及基于毫米波的D2D通信技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)特點、應用場景，并進一步討論了毫米波D2D通信的未來研究方向以及需要解決的若干關(guān)鍵問題。