d2d通信应用场景有哪些_通信技术有哪些

D2D通信概述

D2DDevice-to-Device，设备到设备，也称之为终端直通)通信技术是指两个对等的用户节点之间直接进行通信的种通信方式。在由D2D通信用户组成的分散式网络中，每个用户节点都能发送和接收信号，并具有自动路由、转发消息的功能。网络的参与者共用他们所拥有的一部分硬件资源，包括信息处理、存储以及网络连接能力等。这些共用资源向网络提供服务和资源，能被其他用户直接访问而不需要经过中间实体。在D2D通信网络中，用户节点同时扮演服务器和客户端的角色，用户能够意识到彼此的存在，自组织地构成一个虚拟或者实际的群体。
在D2D技术出现之前已有类似的通信技术出现，如蓝牙、WiFi Direct等，但是都不够完美，比如蓝牙有传输距离有限、数据传送速率仅为24Mb/s、不同设备间协议不兼容、需要本地数据记录以确保数据不间断等缺陷。而3GPP组织致力研究的 D2D技术会在一定程度上弥补点对点通信的短板。D2D更加灵活，既可以在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互。D2D通信可以使用电信运营商的授权频段，其干扰环境是可控的，数据传输具有更高的可靠性。此外，蓝牙需要用户手动匹配才能实现通信，WiFi在通信之前需要对接入点进行用户自定义设置，而D2D通信无需上述过程，体验更加快速便捷。
D2D通信的优势包括下述三个方面。

1.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：另外，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还可提高无线频谱资源的效率，进而提高网络吞吐量。 

2.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，都在成为当前及下一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。

3.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。

 D2D通信原理

        假设一个通用的蜂窝网络，小区中央配有一个全向天线的基站，该网络利用OFDM技术，将频谱资源分为一系列相互正交的子载波分配给不同的用户，利用正交资源的用户之间不会产生干扰。
网络中的用户分为两类：一是传统蜂窝用户，他们之间通过基站通信，三是D2D用户，他们彼此之间直接通信，也可进行蜂窝通信，并且能够实现两种通信模式的切换。设用户T和用户2以蜂窝模式通信，用户3和用户4以D2D 模式通信，如图所示

        D2D通信分为集中式控制和分布式控制。集中式控制由基站控制D2D连接，基站通终端上报的测量信息获得所有链路信息，但该类型会增加信令负荷；分布式控制则由D2设备自主完成D2D 链路的建立和维持，相比集中式控制，分布式控制更容易获取 D2D1备之间的链路信息，但会增加 D2D 设备的复杂度。集中式控制既可以发挥 D2D 通信的优势，又便于对资源的管理和控制。用户3和用户4以D2D链路进行数据交换，并受基站的控制。
在实际应用中，由于基站无法获取小区内不同用户之间通信链路的信道信息，所以基站不能直接基于用户之间信道信息来进行资源调度。D2D 通信在蜂窝网络中将分享小区内的所有资源，因此，D2D 通信用户将有可能被分配到两种情况的信道资源：与正在通信的蜂窝用户相互正交的信道；与正在通信的蜂窝用户相同的信道。
当 D2D 通信被分配到正交的信道资源时，它不会对原来的蜂窝网络中的通信造成影响；当D2D通信被分配到非正交的信道资源时，D2D通信将会对蜂窝链路中的接收端造成干扰。所以在通信负载较小的网络中，可以为D2D通信分配多余的正交的资源，这样显然可以取得更好的网络总体性能。但是，由于蜂窝网络中的资源有限，考虑到通信业务对频率带的要求越来越高，而采用非正交资源共享的方式可以使网络有更高的资源利用效率。这也是在蜂窝网络中应用D2D通信的主要目的。
在非正交资源共享模式下，基站可以有多种资源分配方式，它们最后能得到不同的性能增益和实现复杂度。其中实现最为简单的方式是基站可以随机选择小区内的资源，这样D2D通信与蜂窝网络之间的干扰也是随机的。此外，基站还可以尽量选择距离D2D用户对较远的蜂窝用户的资源来进行资源共享，这样可保证它们之间的干扰尽可能小些。

  D2D通信关键技术

1.D2D发现和连接

        D2D通信中的关键问题之一是设备间如何发现彼此并发起D2D连接，这是异构网络中通信的基础。在 D2D 设备发现的解决方案中，我们可以把用户权限分为两类：限制发现与公开发现。对于限制发现，UE 在没有明确许可的情况下是不允许被检测到的，用户禁止与陌生设备进行通信连接，以此来保证UE的隐私与安全性。而对于公开发现，只要当前UE是另一个设备的近邻设备，就可能被检测到，进而建立连接。相较于限制发现模式而言，这种模式用户隐私保护较差，但是连接复杂度更低。上述两种方式各有其适应的环境，前者适用于网络环境较好、选择较多的情况，后者适用于救援与应急通信，如主网络覆盖不畅等情况，此时连接更为重要。
从网络的角度来看，设备发现可以采用基站紧控制和松控制模式。在基站紧控制下，基站首先令要进行近邻服务的用户发送发现信号，如同步信息、定义以及需要的服务信息，然后指定目标用户附近的用户接收发现信号，这样用户发现过程既快速又精准。与此同时，基站也将产生信号开销。在基站松控制下，基站只是周期地广播用于传输的信源消息设备，并接收相应的发现信号。要建立D2D连接的用户可以发送或接收发现帧，这种方式只需要较低的信令开销。但是对于用户而言，因为UE 需要等待发现资源来发送发现帧以及 UE设备的响应帧，因此，效率也要低于基站紧控制模式。

2.D2D的系统干扰问题

在蜂窝网络中，D2D可以使用专用资源或复用蜂窝上/下行频段。由于蜂窝上行频段的利用率低于下行频段，现有的多数方案都聚焦于使用蜂窝上行频段进行D2D通信，这也相应引发了系统间的干扰。
如图所示，UE1 是蜂窝网络用户，UE2和UE3是D2D通信用户对，UE2通过链路向UE3传输数据，该D2D链路使用了UE1所使用的物理资源块，在蜂窝网络上行传输时，D2D发射端UE2对基站造成了干扰，而D2D接收端UE3则受到蜂窝网络UEI的干扰。
这种由于D2D造成的系统间干扰，可以通过有效的无线资源管理算法来解决，具体包
括功率控制、资源调度和模式选择。

3.资源调度

现有的4G、5G系统都将融合快速的时频资源分配技术，因此，在系统处理的单位时
间内，D2D可以使用未分配的时频资源或者部分复用已经分配过的资源。

4.模式选择

D2D模式选择策略不仅取决于D2D设备间和D2D设备与gNB间的链路质量，还取决于具体的干扰环境和位置信息。因此在模式选择上，运营商需要综合考虑多种因素，且对信道测量的要求更高。常见的D2D模式有上/行复用模式、专用资源模式和中继模式，如图所示。

对于上/下行复用模式，D2D用户复用蜂窝用户的资源，产生了同频干扰。gNB需采用合理的资源分配和功率控制，辅以大规模MIMO 和先进的编码技术等控制链路间的干扰。对于专用资源模式，D2D用户占用部分独立的资源进行端到端的直接通信，剩余资源用于蜂窝通信。由于各部分资源相互正交，D2D通信与蜂窝网络通信之间不会产生干扰。对于中继模式，D2D用户通过 gNB转接通信，所有通信链路分配独立正交的信道资源，不相互干扰。

D2D应用

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所述四大类:

1.本地业务

本地业务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的数据传输，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。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；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。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。

2.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(自组织对等式多跳移动)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。

3.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。据统计，2020年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-toVehicle，车辆间)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。
C
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。

4.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（综合控零模型，天线技术之一)，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。
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5G实现真正意义上的“万物互联”发展愿景提供重要支撑。

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