面向5G的D2D通信技术评述

王建沣

摘 要 随着智能终端设备不断增加和网络流量的持续上升，现有的通信技术已无法满足未来通信要求。终端直通（Device-to-Device，D2D）通信作为第五代移动通信网（5G）的关键技术能有效缓解数据压力，提高频谱利用率。本文介绍了D2D的优点，详细分析了D2D通信中的关键技术环节，展望了D2D未来发展重点及主要方向。

【关键词】D2D 5G 资源分配 MIMO

1 引言

移动通信技术产生至今已近半个世纪，用户数量不断增加，业务量不断增长，网络流量也持续上升，这些都對现有的4G通信技术提出了更高的要求。相比较起来5G通信技术有更大的优势，包括容量更高、数据速率更快、端到端时延更小、开销更低、大规模设备连接和始终如一的用户体验质量（QoS）等。终端直通（Device-to-Device，D2D）通信技术 是指临近的移动终端通过运营商授权频谱直接进行点对点的数据传输技术，已经被标准化组织3GPP列入新一代移动通信系统的发展框架中，成为第五代移动通信的关键技术之一。通信系统或网络中，一旦D2D通信链路建立起来，传输数据就无需核心设备或中间设备的干预，这样可降低通信系统核心网络的数据压力，大大提升频谱利用率和吞吐量，扩大网络容量。具体优势可以体现在以下几个方面：

（1）设备与设备间的通信距离缩短，用较小的传输功率获得较大的传输速率；

（2）传统蜂窝通信方式需要基站进行中继传输，D2D通信不需要网络中转从而有效减轻基站负担；

（3）D2D通信模式下，用户可以复用小区中其他用户的频谱资源接入网络，从而提高频谱利用率；

（4）D2D通信因为不需要基站中继，因此在基站故障或损坏情况下也能正常通信。

2 D2D通信关键技术

未来的无线通信系统将向网络融合的方向发展，在传统的蜂窝网络中引入D2D技术，在提高数据传输速率、降低传输功率、提升网络容量的同时，也给通信系统带来新的问题。比如，无线资源分配更加复杂、通信干扰等问题。因此，必须解决D2D通信中的关键技术问题，其中包括：D2D设备发现、资源分配、干扰管理和D2D-MIMO等多种通信网络与通信过程。

2.1 D2D设备发现

D2D设备发现是指一个终端设备识别附近的另一个终端设备的过程，也是D2D通信连接的前提条件。目前D2D设备的发现方案有两种：基于核心网的发现方案和基于direct空口的发现方案。基于核心网的发现方案中，通过精准的定位技术，核心网可以很快速地获取到移动终端的地理位置信息，因此也可以比较简单的判断一个移动终端附近存在哪些其他移动终端，并将这些位置判决信息，包括移动终端的身份信息告知给有D2D发现请求的移动终端，从而完成发现过程。而基于direct空口的发现，是通过移动终端间直接进行D2D发现信号的发射和检测，来感知并识别相邻的移动终端，这种方案可以降低终端和网络对定位功能的依赖，即使地理位置上并非临近，只要信号可达即可发现。

2.2 D2D资源分配

在D2D通信与传统通信方式并存的网络中，由于D2D复用资源，系统必须保证蜂窝用户通信和D2D用户通信都能顺利进行。而D2D对于资源的复用由基站控制，只要通过合理的功率控制和资源分配，就能够保证D2D和蜂窝用户正常通信。综合考虑用户QoS需求和功率控制等因素，可根据以下原则进行资源分配：

（1）根据用户距离，基站搜索所有可以接入网络的D2D用户，并为其找到所有可供复用通道的蜂窝用户。由于D2D直通链路距离短，用户可以使用较小的发射功率满足其QoS需求，而不损害双方的通信质量，从而提高资源利用效率。

（2）在D2D用户和蜂窝用户复用信道时进行最优功率分配。根据凸优化理论得到最优功率值的闭合解。

（3）D2D用户和蜂窝用户最优信道分配。采用图论中加权二部图最优匹配算法，为可接入网络的D2D用户找到最合适的复用搭档以最大化网络中蜂窝用户和D2D用户的总体吞吐量。

2.3 干扰管理

D2D通信与传统通信方式并存的局面也将带来D2D用户与蜂窝用户间的干扰，其中包括蜂窝内干扰与蜂窝间干扰。因此减小用户间干扰，提升通信的QoS，是D2D通信必须解决的重要问题。目前有效的干扰管理方式主要有：

2.3.1 功率控制

当一个信道同时被多个用户复用时，由于链路之间的相互干扰，通过功率控制来最大化通信速率。

2.3.2 数字信号处理技术

通过基站预编码设计，把蜂窝用户的信号集中在D2D用户接收端的零空间上进行传输，从而减小对D2D用户的干扰。

2.3.3 调配机制

合理地调配时域、频域和空域资源，可以有效减少用户间的干扰。在时域方面利用跳时机制来分散D2D用户在同一时间上的干扰；在频域方面，利用着色理论优化D2D用户和蜂窝用户的信道配对来提高系统总体性能；在空域方面，通过限制蜂窝用户和复用其信道的D2D用户间的距离来控制相互直接的干扰。

2.4 D2D-MIMO技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。在D2D-MIMO系统中，通过在基站进行合理的下行预编码，将发射波束对准其复用的蜂窝用户，而在D2D用户方向上形成零陷，从而减小D2D用户和蜂窝用户间的干扰。MIMO技术的优势还在于通过增大天线的数量来传输信息子流，将多个数据子流同时发送到信道上，各发射信号占用同一频带，从而在不增加频带宽度的情况下增加频谱利用率。同时可以使无线信号的传输距离、天线的接受范围进一步扩大，信号抗干扰性更强，无线传输更为精准快速，提升通信的QoS。

3 总结与展望

本文对D2D关键技术进行了总结与概括，分别从D2D设备发现与资源分配、干扰管理、D2D-MIMO四个方面对现有研究方案进行分类与总结。D2D通信技术利用通信双方距离近的优势，可以给用户提供高速率、低时延和低功耗的本地化通信服务，而且能减轻基站的负担、提高系统频谱利用率，从而降低运营商由于扩容带来的运行成本。但是，D2D通信和普通蜂窝通信共享运营商频谱资源，给现有蜂窝通信系统带来了更加复杂的电磁干扰，而干扰是影响系统容量和保证用户QoS需求的关键因素。如果干扰不能得到有效控制，D2D通信会损害普通蜂窝通信用户的通信质量从而降低系统的总体性能。因此，D2D通信干扰管理和资源分配将是未来的研究重点。

参考文献

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作者单位

华北电力大学科技学院 河北省保定市 071051