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D2D在5G网络中的应用
2015-02-15     作者：吴栓栓（中兴通讯）
　　蜂窝通信经历了从第1代以话音业务为代表的模拟式移动电话系统，到正大规模商用的第4代（4G）以移动数据、移动计算及移动多媒体为代表的无线宽带系统的持续演进。当前阶段，随着智能终端的快速普及以及网络通信容量的爆炸式增长，面向5G的无线通信技术的演进需求也更加明确及迫切，开始受到业界极大关注。

　　在面向5G的无线通信技术的演进中，一方面，传统的无线通信性能指标，比如网络容量、频谱效率等需要持续提升以进一步提高有限且日益紧张的无线频谱利用率；另一方面，更丰富的通信模式以及由此带来的终端用户体验的提升以及蜂窝通信应用的扩展也是一个需要考虑的演进方向。作为面向5G的关键候选技术，设备到设备通信（Device-to-Device，D2D）具有潜在的提高系统性能、提升用户体验、扩展蜂窝通信应用的前景，受到广泛关注。本文将对5G时代D2D通信的潜在应用场景做初步探讨。

认识D2D

　　基于蜂窝网络的D2D通信，或称为邻近服务（Proximity Service，ProSe），是指用户数据可不经网络中转而直接在终端之间传输。D2D通信与传统的蜂窝通信网络架构有显著区别，如图1所示。

　　●   提高频谱效率

　　在D2D通信模式下，用户数据直接在终端之间传输，避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输，由此产生链路增益；其次，D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源可以复用，由此可产生资源复用增益；通过链路增益和资源复用增益则可提高无线频谱资源的效率，进而提高网络吞吐量。

　　●   提升用户体验

　　随着移动通信服务和技术的发展，具有邻近特性的用户间近距离的数据共享、小范围的社交和商业活动以及面向本地特定用户的特定业务，都在成为当前及下阶段无线平台中一个不可忽视的增长点。基于邻近用户感知的D2D技术的引入，有望提升上述业务模式下的用户体验。

　　●   扩展通信应用

　　传统无线通信网络对通信基础设施的要求较高，核心网设施或接入网设备的损坏都可能导致通信系统的瘫痪。D2D通信的引入使得蜂窝通信终端建立Ad Hoc网络成为可能。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络，无线通信的应用场景得到进一步的扩展。

　　值得注意的是，D2D通信在3GPP LTE系统中的标准化工作已经从LTE Release-12版本开始讨论。遗憾的是，LTE Release-12系统的D2D通信是一个只包括广播通信模式的功能非常有限的版本。D2D的潜在增益及应用场景需要在未来的5G系统中进一步发掘。

5G D2D潜在应用场景

　　结合当前无线通信的发展趋势，5G网络中可考虑的D2D通信的主要应用场景包括如下方面。

本地业务

　　本地业务（local service）一般可以理解为用户面的业务数据不经过网络侧（如核心网）而直接在本地传输。

　　本地业务的一个典型用例是社交应用，基于邻近特性的社交应用可看作D2D技术最基本的应用场景之一。例如，用户通过D2D的发现功能寻找邻近区域的感兴趣用户；通过D2D通信功能，可以进行邻近用户之间数据的传输，如内容分享、互动游戏等。

　　本地业务的另一个基础的应用场景是本地数据传输。本地数据传输利用D2D的邻近特性及数据直通特性，在节省频谱资源的同时扩展移动通信应用场景，为运营商带来新的业务增长点。例如，基于邻近特性的本地广告服务可以精确定位目标用户，使得广告效益最大化：进入商场或位于商户附近的用户，即可接收到商户发送的商品广告、打折促销等信息；电影院可向位于其附近的用户推送影院排片计划、新片预告等信息。

　　本地业务的另一个应用是蜂窝网络流量卸载（offloading）。在高清视频等媒体业务日益普及的情况下，其大流量特性也给运营商核心网和频谱资源带来巨大压力。基于D2D的本地媒体业务利用D2D通信的本地特性，节省运营商的核心网及频谱资源。例如，在热点区域，运营商或内容提供商可以部署媒体服务器，时下热门媒体业务可存储在媒体服务器中，而媒体服务器则以D2D模式向有业务需求的用户提供媒体业务。或者，用户可借助D2D从邻近的已获得媒体业务的用户终端处获得该媒体内容，以此缓解运营商蜂窝网络的下行传输压力。另外，近距离用户之间的蜂窝通信也可以切换到D2D通信模式以实现对蜂窝网络流量的卸载。

应急通信

　　当极端的自然灾害如地震发生时，传统通信网络基础设施往往也会受损，甚至发生网络瘫痪，给救援工作带来很大障碍。D2D通信的引入有可能解决这个问题。如通信网络基础设施被破坏，终端之间仍然能够基于D2D连接建立无线通信网络，即基于多跳D2D组建Ad Hoc网络，保证终端之间无线通信的畅通，为灾难救援提供保障。另外，受地形、建筑物等因素的影响，无线通信网络往往会存在盲点。通过一跳或多跳D2D，位于覆盖盲区的用户可以连接到位于网络覆盖内的用户终端，借助该用户终端连接到无线通信网络。

物联网增强

　　移动通信的发展目标之一，是建立一个包括各类型终端的广泛的互联互通网络，这也是当前在蜂窝通信框架内发展物联网的出发点之一。根据业界预测，在2020年时，全球范围内将会存在大约500亿部蜂窝接入终端，而其中的大部分将是具有物联网特征的机器通信终端。如果D2D技术与物联网结合，则有可能产生真正意义上的互联互通无线通信网络。

　　针对物联网增强的D2D通信的典型场景之一是车联网中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信。例如，在高速行车时，车辆的变道、减速等操作动作，可通过D2D通信的方式发出预警，车辆周围的其他车辆基于接收到的预警对驾驶员提出警示，甚至紧急情况下对车辆进行自主操控，以缩短行车中面临紧急状况时驾驶员的反应时间，降低交通事故发生率。另外，通过D2D发现技术，车辆可更可靠地发现和识别其附近的特定车辆，比如经过路口时的具有潜在危险的车辆、具有特定性质的需要特别关注的车辆（如载有危险品的车辆、校车）等。基于D2D的车联网应用示意见图2。

　　基于终端直通的D2D由于在通信时延、邻近发现等方面的特性，使得其应用于车联网车辆安全领域具有先天优势。

　　在万物互联的5G网络中，由于存在大量的物联网通信终端，网络的接入负荷成为严峻问题之一。基于D2D的网络接入有望解决这个问题。比如在巨量终端场景中，大量存在的低成本终端不是直接接入基站，而是通过D2D方式接入邻近的特殊终端，通过该特殊终端建立与蜂窝网络的连接。如果多个特殊终端在空间上具有一定隔离度，则用于低成本终端接入的无线资源可以在多个特殊终端间重用，不但缓解基站的接入压力，而且能够提高频谱效率。并且，相比于目前4G网络中小小区（Small Cell）架构，这种基于D2D的接入方式更灵活且成本更低。

　　比如在智能家居应用中，可以由一台智能终端充当特殊终端；具有无线通信能力的家居设施如家电等均以D2D方式接入该智能终端，而该智能终端则以传统蜂窝通信的方式接入基站。基于蜂窝网络的D2D通信的实现，有可能为智能家居行业的产业化发展带来实质突破。

其他场景

　　5G D2D应用还包括多用户MIMO增强、协作中继、虚拟MIMO等潜在场景。比如，传统多用户MIMO技术中，基站基于终端各自的信道反馈，确定预编码权值以构造零陷，消除多用户之间的干扰。引入D2D后，配对的多用户之间可以直接交互信道状态信息，使得终端能够向基站反馈联合的信道状态信息，提高多用户MIMO的性能。

　　另外，D2D可协助解决新的无线通信场景的问题及需求。比如在室内定位领域。当终端位于室内时，通常无法获得卫星信号，因此传统基于卫星定位的方式将无法工作。基于D2D的室内定位可以通过预部署的已知位置信息的终端或者位于室外的普通已定位终端确定待定位终端的位置，通过较低的成本实现5G网络中对室内定位的支持。

5G D2D关键技术

　　针对前述应用场景，涉及接入侧的5G网络D2D的潜在技术需求包括如下方面。

　　●   D2D发现技术，实现邻近D2D终端的检测及识别。对于多跳D2D网络，需要与路由技术结合考虑；同时考虑满足5G特定场景的需求如超密集网络中的高效发现技术、车联网场景中的超低时延需求等。

　　●   D2D同步技术。一些特定场景如覆盖外场景或者多跳D2D网络会对保持系统的同步特性带来比较大的挑战。

　　●   无线资源管理。5G D2D可能会包括广播、组播、单播等各种通信模式，以及多跳、中继等应用场景，因此调度及无线资源管理问题相对于传统蜂窝网络会有较大不同，也会更复杂。

　　●   功率控制和干扰协调。相比传统的Peer-to-Peer（P2P）技术，基于蜂窝网络的D2D通信的一个主要优势在于干扰可控。不过，蜂窝网络中的D2D技术势必会对蜂窝通信带来额外干扰。并且，在5G网络D2D中，考虑到多跳、非授权LTE频段（LTE-U）的应用、高频通信等特性，功率控制及干扰协调问题的研究会非常关键。

　　●   通信模式切换。包括D2D模式与蜂窝模式的切换、基于蜂窝网络D2D与其他P2P（如WLAN）通信模式的切换、授权频谱D2D通信与LTE-U D2D通信的切换等。先进的模式切换能够最大化无线通信系统的性能。

　　本文对5G网络中D2D技术的应用进行了初步探讨。随着终端数量的持续超线性增长及业务需求日益多样化，可以预见D2D在5G时代将会扮演非常重要的角色，为实现建立真正意义上广泛互联互通移动网络的无线通信发展愿景提供重要支撑。