文章架構(gòu)預(yù)覽
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1、誕生背景
2、原理概述
3、技術(shù)需求
4、D2D通信的優(yōu)勢
5、D2D通信的應(yīng)用
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一．誕生背景
蜂窩通信經(jīng)歷了從第1代以話音業(yè)務(wù)為代表的模擬式移動電話系統(tǒng)，到正大規(guī)模商用的第4代（4G）以移動數(shù)據(jù)、移動計算及移動多媒體為代表的無線寬帶系統(tǒng)的持續(xù)演進。在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)路中，通信被分為了上行和下行兩個鏈路，用戶之間的直接通信是不被允許的，這種集中式的工作方式便于管理資源、控制干擾，但其對頻譜資源的利用效率低。隨著智能終端的快速普及以及網(wǎng)絡(luò)通信容量的爆炸式增長，面向5G的無線通信技術(shù)的演進需求也更加明確及迫切，開始受到業(yè)界極大關(guān)注。
在面向5G的無線通信技術(shù)的演進中，一方面，需要持續(xù)提升傳統(tǒng)的無線通信性能指標(biāo)，比如網(wǎng)絡(luò)容量、頻譜效率等，以進一步提高有限且日益緊張的無線頻譜利用率；另一方面，更豐富的通信模式將帶來終端用戶體驗的提升，蜂窩通信的應(yīng)用也將被拓展。
作為面向5G的關(guān)鍵候選技術(shù)，設(shè)備到設(shè)備通信（Device-to-Device，D2D）具有潛在的提高系統(tǒng)性能、提升用戶體驗、擴展蜂窩通信應(yīng)用的前景，受到廣泛關(guān)注。2008年高通公司首次提出了D2D通信技術(shù)，而華為、愛立信、富士通、中興等通信行業(yè)巨頭也紛紛開展了相關(guān)的研究，現(xiàn)已有大量相關(guān)專利得到了授權(quán)。
二．原理概述
與物聯(lián)網(wǎng)中的M2M(Machine to Machine)概念類似，D2D旨在使一定距離范圍內(nèi)的用戶通信設(shè)備直接通信，以降低對服務(wù)基站的負(fù)荷。在D2D技術(shù)出現(xiàn)之前，已有類似的通信技術(shù)出現(xiàn)，如藍牙(短距離時分雙工通信)，Wi-Fi Direct(更快的傳輸速度和更遠的傳輸距離)和高通提出的Flash LinQ技術(shù)(極大地提高了Wi-Fi的傳輸距離)。后面兩種技術(shù)由于各種原因都沒能大范圍商用，而3GPP組織致力研究的D2D技術(shù)會在一定程度上彌補點對點通信的短板。相對于其它不依靠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的直通技術(shù)而言，D2D更加靈活，既可以在基站控制下進行連接及資源分配，也可以在無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的時候進行信息交互。
D2D通信與藍牙、無線局域網(wǎng)(WLAN)等基于ISM頻段的短距離通信技術(shù)的最大區(qū)別是它使用電信運營商的授權(quán)頻段，其干擾環(huán)境是可控的，數(shù)據(jù)傳輸具有更高的可靠性。此外，藍牙需要用戶手動匹配才能實現(xiàn)通信，WLAN在通信之前需要對接入點（AP）進行用戶自定義設(shè)置，而D2D通信無需上述過程，提供了更好的用戶體驗。此外，D2D還可以滿足人與人之間大量的信息交互，且傳輸速度更快，相比于免費的Wi-FiDirect卻有更好的OoS保證。
D2D通信與傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有顯著區(qū)別，如圖1所示
假設(shè)一個通用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，小區(qū)中央配有一個全向天線的基站，該網(wǎng)絡(luò)利用OFDM技術(shù)，將頻譜資源分為一系列相互正交的子載波分配給不同的用戶，利用正交資源的用戶之間不會產(chǎn)生干擾。
網(wǎng)絡(luò)中用戶分為2類：1）傳統(tǒng)蜂窩用戶，它們之間通過基站通信：2）D2D用戶，彼此之間直接通信，也可進行蜂窩通信，并且能夠?qū)崿F(xiàn)2種通信模式的切換。如圖2所示.用戶1和用戶2以蜂窩模式通信，用戶3和用戶4以D2D模式通信。
D2D通信分為集中式控制和分布式控制。集中式控制由基站控制D2D連接，基站通過終端上報的測量信息，獲得所有鏈路信息，但該類型會增加信令負(fù)荷；分布式控制則由D2D設(shè)備自主完成D2D鏈路的建立和維持，相比集中式控制，分布式控制更容易獲取D2D設(shè)備之間的鏈路信息，但會增加D2D設(shè)備的復(fù)雜度。集中式控制既可以發(fā)揮D2D通信的優(yōu)勢，又便于對資源的管理和控制。如圖2所示，用戶3，用戶4以D2D鏈路進行數(shù)據(jù)交換，并受基站的的控制。
三．技術(shù)需求
針對前述應(yīng)用場景，涉及接入側(cè)的5G網(wǎng)絡(luò)D2D的潛在技術(shù)需求包括如下方面：
● D2D發(fā)現(xiàn)技術(shù)，實現(xiàn)鄰近D2D終端的檢測及識別。對于多跳D2D網(wǎng)絡(luò)，需要與路由技術(shù)結(jié)合考慮；同時考慮滿足5G特定場景的需求如超密集網(wǎng)絡(luò)中的高效發(fā)現(xiàn)技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)場景中的超低時延需求等。
● D2D同步技術(shù)。一些特定場景如覆蓋外場景或者多跳D2D網(wǎng)絡(luò)會對保持系統(tǒng)的同步特性帶來比較大的挑戰(zhàn)。
● 無線資源管理。5G D2D可能會包括廣播、組播、單播等各種通信模式，以及多跳、中繼等應(yīng)用場景，因此調(diào)度及無線資源管理問題相對于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)會有較大不同，也會更復(fù)雜。
● 功率控制和干擾協(xié)調(diào)。相比傳統(tǒng)的Peer-to-Peer（P2P）技術(shù)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D通信的一個主要優(yōu)勢在于干擾可控。不過，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的D2D技術(shù)勢必會對蜂窩通信帶來額外干擾。并且，在5G網(wǎng)絡(luò)D2D中，考慮到多跳、非授權(quán)LTE頻段（LTE-U）的應(yīng)用、高頻通信等特性，功率控制及干擾協(xié)調(diào)問題的研究會非常關(guān)鍵。
● 通信模式切換。包括D2D模式與蜂窩模式的切換、基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D與其他P2P（如WLAN）通信模式的切換、授權(quán)頻譜D2D通信與LTE-U D2D通信的切換等。先進的模式切換能夠最大化無線通信系統(tǒng)的性能。
四．D2D通信的優(yōu)勢
● 提高頻譜效率
在D2D通信模式下，用戶數(shù)據(jù)直接在終端之間傳輸，避免了蜂窩通信中用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)傳輸，由此產(chǎn)生鏈路增益；其次，D2D用戶之間以及D2D與蜂窩之間的資源可以復(fù)用，由此可產(chǎn)生資源復(fù)用增益；通過鏈路增益和資源復(fù)用增益則可提高無線頻譜資源的效率，進而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
● 提升用戶體驗
隨著移動通信服務(wù)和技術(shù)的發(fā)展，具有鄰近特性的用戶間近距離的數(shù)據(jù)共享、小范圍的社交和商業(yè)活動以及面向本地特定用戶的特定業(yè)務(wù)，都在成為當(dāng)前及下階段無線平臺中一個不可忽視的增長點。基于鄰近用戶感知的D2D技術(shù)的引入，有望提升上述業(yè)務(wù)模式下的用戶體驗。
● 擴展通信應(yīng)用
傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)對通信基礎(chǔ)設(shè)施的要求較高，核心網(wǎng)設(shè)施或接入網(wǎng)設(shè)備的損壞都可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)的癱瘓。D2D通信的引入使得蜂窩通信終端建立Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)成為可能。當(dāng)無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞，或者在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)，終端可借助D2D實現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，無線通信的應(yīng)用場景得到進一步的擴展。
五．D2D通信的應(yīng)用
結(jié)合當(dāng)前無線通信的發(fā)展趨勢，5G網(wǎng)絡(luò)中可考慮的D2D通信的主要應(yīng)用場景包括如下方面。
1.本地業(yè)務(wù)
本地業(yè)務(wù)（local service）一般可以理解為用戶面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)側(cè)（如核心網(wǎng)）而直接在本地傳輸。
本地業(yè)務(wù)的一個典型用例是社交應(yīng)用，基于鄰近特性的社交應(yīng)用可看作D2D技術(shù)最基本的應(yīng)用場景之一。例如，用戶通過D2D的發(fā)現(xiàn)功能尋找鄰近區(qū)域的感興趣用戶；通過D2D通信功能，可以進行鄰近用戶之間數(shù)據(jù)的傳輸，如內(nèi)容分享、互動游戲等。
本地業(yè)務(wù)的另一個基礎(chǔ)的應(yīng)用場景是本地數(shù)據(jù)傳輸。本地數(shù)據(jù)傳輸利用D2D的鄰近特性及數(shù)據(jù)直通特性，在節(jié)省頻譜資源的同時擴展移動通信應(yīng)用場景，為運營商帶來新的業(yè)務(wù)增長點。例如，基于鄰近特性的本地廣告服務(wù)可以精確定位目標(biāo)用戶，使得廣告效益最大化：進入商場或位于商戶附近的用戶，即可接收到商戶發(fā)送的商品廣告、打折促銷等信息；電影院可向位于其附近的用戶推送影院排片計劃、新片預(yù)告等信息。
本地業(yè)務(wù)的另一個應(yīng)用是蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量卸載（offloading）。在高清視頻等媒體業(yè)務(wù)日益普及的情況下，其大流量特性也給運營商核心網(wǎng)和頻譜資源帶來巨大壓力�；贒2D的本地媒體業(yè)務(wù)利用D2D通信的本地特性，節(jié)省運營商的核心網(wǎng)及頻譜資源。例如，在熱點區(qū)域，運營商或內(nèi)容提供商可以部署媒體服務(wù)器，時下熱門媒體業(yè)務(wù)可存儲在媒體服務(wù)器中，而媒體服務(wù)器則以D2D模式向有業(yè)務(wù)需求的用戶提供媒體業(yè)務(wù)�；蛘�，用戶可借助D2D從鄰近的已獲得媒體業(yè)務(wù)的用戶終端處獲得該媒體內(nèi)容，以此緩解運營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下行傳輸壓力。另外，近距離用戶之間的蜂窩通信也可以切換到D2D通信模式以實現(xiàn)對蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量的卸載。
2.應(yīng)急通信
當(dāng)極端的自然災(zāi)害如地震發(fā)生時，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施往往也會受損，甚至發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓，給救援工作帶來很大障礙。D2D通信的引入有可能解決這個問題。如通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，終端之間仍然能夠基于D2D連接建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，即基于多跳D2D組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，保證終端之間無線通信的暢通，為災(zāi)難救援提供保障。另外，受地形、建筑物等因素的影響，無線通信網(wǎng)絡(luò)往往會存在盲點。通過一跳或多跳D2D，位于覆蓋盲區(qū)的用戶可以連接到位于網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)的用戶終端，借助該用戶終端連接到無線通信網(wǎng)絡(luò)。
3.物聯(lián)網(wǎng)增強
移動通信的發(fā)展目標(biāo)之一，是建立一個包括各類型終端的廣泛的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)，這也是當(dāng)前在蜂窩通信框架內(nèi)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的出發(fā)點之一。根據(jù)業(yè)界預(yù)測，在2020年時，全球范圍內(nèi)將會存在大約500億部蜂窩接入終端，而其中的大部分將是具有物聯(lián)網(wǎng)特征的機器通信終端。如果D2D技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，則有可能產(chǎn)生真正意義上的互聯(lián)互通無線通信網(wǎng)絡(luò)。
針對物聯(lián)網(wǎng)增強的D2D通信的典型場景之一是車聯(lián)網(wǎng)中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信。例如，在高速行車時，車輛的變道、減速等操作動作，可通過D2D通信的方式發(fā)出預(yù)警，車輛周圍的其他車輛基于接收到的預(yù)警對駕駛員提出警示，甚至緊急情況下對車輛進行自主操控，以縮短行車中面臨緊急狀況時駕駛員的反應(yīng)時間，降低交通事故發(fā)生率。另外，通過D2D發(fā)現(xiàn)技術(shù)，車輛可更可靠地發(fā)現(xiàn)和識別其附近的特定車輛，比如經(jīng)過路口時的具有潛在危險的車輛、具有特定性質(zhì)的需要特別關(guān)注的車輛（如載有危險品的車輛、校車）等。
基于終端直通的D2D由于在通信時延、鄰近發(fā)現(xiàn)等方面的特性，使得其應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)車輛安全領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。
在萬物互聯(lián)的5G網(wǎng)絡(luò)中，由于存在大量的物聯(lián)網(wǎng)通信終端，網(wǎng)絡(luò)的接入負(fù)荷成為嚴(yán)峻問題之一�；贒2D的網(wǎng)絡(luò)接入有望解決這個問題。比如在巨量終端場景中，大量存在的低成本終端不是直接接入基站，而是通過D2D方式接入鄰近的特殊終端，通過該特殊終端建立與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接。如果多個特殊終端在空間上具有一定隔離度，則用于低成本終端接入的無線資源可以在多個特殊終端間重用，不但緩解基站的接入壓力，而且能夠提高頻譜效率。并且，相比于目前4G網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)（Small Cell）架構(gòu)，這種基于D2D的接入方式更靈活且成本更低。
比如在智能家居應(yīng)用中，可以由一臺智能終端充當(dāng)特殊終端；具有無線通信能力的家居設(shè)施如家電等均以D2D方式接入該智能終端，而該智能終端則以傳統(tǒng)蜂窩通信的方式接入基站�；诜涓C網(wǎng)絡(luò)的D2D通信的實現(xiàn)，有可能為智能家居行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展帶來實質(zhì)突破。
4.其他場景
5G D2D應(yīng)用還包括多用戶MIMO增強、協(xié)作中繼、虛擬MIMO等潛在場景。比如，傳統(tǒng)多用戶MIMO技術(shù)中，基站基于終端各自的信道反饋，確定預(yù)編碼權(quán)值以構(gòu)造零陷，消除多用戶之間的干擾。引入D2D后，配對的多用戶之間可以直接交互信道狀態(tài)信息，使得終端能夠向基站反饋聯(lián)合的信道狀態(tài)信息，提高多用戶MIMO的性能。
另外，D2D可協(xié)助解決新的無線通信場景的問題及需求。比如在室內(nèi)定位領(lǐng)域。當(dāng)終端位于室內(nèi)時，通常無法獲得衛(wèi)星信號，因此傳統(tǒng)基于衛(wèi)星定位的方式將無法工作�；贒2D的室內(nèi)定位可以通過預(yù)部署的已知位置信息的終端或者位于室外的普通已定位終端確定待定位終端的位置，通過較低的成本實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中對室內(nèi)定位的支持。
隨著終端數(shù)量的持續(xù)超線性增長及業(yè)務(wù)需求日益多樣化，可以預(yù)見D2D在5G時代將會扮演非常重要的角色，為實現(xiàn)建立真正意義上廣泛互聯(lián)互通移動網(wǎng)絡(luò)的無線通信發(fā)展愿景提供重要支撐。
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