基于D2D的中继蜂窝网络技术综述

李宁

摘要：在信息爆炸的时代，蜂窝网络似乎不能再满足人们日益增长的通讯需求。而基于SG的关键技术之一D2D的中继蜂窝网络相较于传统蜂窝网络可以大大提高流量密度、设备数目和用户体验速率。本文介绍了D2D在蜂窝网络中的应用，着重分析其相较于传统的蜂窝网络在性能方面的改善，同时提出不足并提供解决方案。

关键词：D2D、中继、蜂窝网络、流量增长、容量、性能改善

【中图分类号】TN929.5

【文献标识码】A

【文章编号】2236-1879（2018）13-0135-01

引言：

随着无线通信的快速发展，传统的蜂窝网络设计不能满足人们的需求。近年来，全球用户移动数据流量出现了爆炸式增长，仅在2015年增长了74%，在此基础上未来的五年内将变为15年的9倍，而到了20年代，总流量将达到15年的100倍。另外，无线频谱资源也日益紧张，频谱资源匮乏已成为制约无线通信发展的重要因素。为应对将来数据流量和连接设备爆炸式增长及频谱资源的使用问题，对SG技术研究迫在眉睫。未来，应用于5G网络中的D2D蜂窝网络技术将基本解决能量效率，无线系统容量，频谱资源，高成本等方面的问题。

1.D2D中继蜂窝网络内涵

1.1蜂窝网络。蜂窝网络的提出是为了解决移动通信中系统容量和频谱资源不足的问题，将服务区分为若干个小区，由于每个小区内的信号都是圆形覆盖，不可避免地会发生信号重叠，而结合数学推导发现正六边形的使用能得到最小的重叠面积，由此形成了形状酷似“蜂窝”的系统结构。在蜂窝网络中，一定距离的不同小区可以使用同一频段信号，使有限的频谱资源得到了充分的应用;在实际应用中，可以通对小区进行有限次数的分裂，可以进一步增加系统可容纳的用户数量并提高对频谱资源的有效利用。

1.2终端直通中继技术（D2D）。D2D（Device to Device）中继通信，将通信终端的一方作为中继，可以从上述各方面有效提升蜂窝网络的性能。同时，D2D通信在当前网络基础设施中的部署也不需要花费额外的安装费用，相当于固定中继节点更经济、灵活。

1.3D2D蜂窝网络的拓扑结构。假设一个小区中有数量为M的用户设备，且小区的的所有蜂窝网络频谱资源被统一划分为N组资源块，这N组资源块就构成了一组信道。当一个用户想要与核心网中的应用服务器进行通信时，首先要获取一些资源块作为通信频段，该通信频段可应用于用户设备到基站eNB的上行信道以及从eNB到用户设备的下行信道。这样的用户设备被称为目标用户设备，不过当资源块的数量受限时，目标用户设备不一定能成功获取信道。

在D2D中继蜂窝网络中，每个信道虽然只能被eNB划分给一个目标用户设备，但却可以被充当中继节点的用户设备重新使用。在图2-1中，eNB可以同时向UEi、UEj和UEk发送数据，此时这三个用户设备都被分配了自己的信道，但由于信道数量有限，UEn、UEh、UEe、UEd和UEe则没有分配到信道。但是这些用户中，UEn、UEb和UEe选择成为了中继节点，因此他们能够和已有信道的用户共享频谱资源，同时能够接收和传输数据。

2.蜂窝网络性能改善

2.1系统容量。由于D2D通信，每个中间点可服务的用户量为j，则对n层中继，基站的总用户量为，近指数增长，相对于传统蜂窝网络有更大的系统容量。这就为未来爆炸式增长的数据流量和设备数量提供可靠保障。

2.2建设成本。以用户设备为中继的蜂窝网络在相同的频谱资源和更高质量的服务（如高数据速率）下的用户数量有着显著提高。不妨假设某些实际场景，如世界杯赛场，大规模的人群聚集必然会影响蜂窝网络的服务质量，当然，在此场景中，可以在赛场上设置固定中继节点，从而扩大服务范围，但这从费用和效率角度看来都不是最优的解决方法，考虑到当下的一些数据流量使用特点，往往发生在一些人群聚集的地点，但就聚集地而言具有不确定性，即固定中继节点方案是不现实的。但是D2D通信的引入可以解决数据使用在空间上的不确定性问题。当数据流量使用过大时可以增加设备中继节点，以减少固定中继的节点的设置。因此，这样可以大大减少建设的成本。

2.3频谱共用。随着近年来无线通讯快速发展，可用的无线通讯频谱资源属于稀缺资源。因此，不能单纯的通过小区分裂来应对增长的用户数量。而在D2D中继网络中，频谱资源能够得到最大化的利用。

2.4覆盖率和能量效率。通过前面的分析，D2D中继通信对于蜂窝网络系统容量和频谱资源利用有着特殊的意义，自然而然地，其对蜂窝网络在覆盖范围或者覆盖率方面的效果就成了另一个关注点。显然，D2D中继通信，尤其是多跳D2D中继通信，能够有效地提升蜂窝网络覆盖范围或者说覆盖率。同时MIMO系统为蜂窝网络通信提供了最大可能的能量效率，而随着D2D通信被社会认可和进一步研究，由于一个用户设备可以帮助其他多个用户设备交换信息，能量效率也会相应提高。

3.面临问题与挑战

3.1用户信息安全。信息安全问题已经越来越引起人们注意，D2D中继蜂窝网络中将用户的通信终端作为移动中继点时就不得不考虑用户的信息安全问题：用户的个人隐私是否会泄露、运营商有没有合理的政策防止可能出现的信息安全问题并鼓励用户参与进来等等。

3.2移动设备需求。用户设备作为中继节点必然会导致功率的提升，不可避免地對电池寿命、用户体验等造成一定的影响，这也是影响系统推广的另一方面原因，同样需要政策的支持和技术的突破。

总结：

综上所述，基于D2D的中继辅助通信蜂窝网络各方面性能都能得到很好的改善，不难看出，这一技术在当今以及SG时代都将发挥着独特而关键的作用，适应多种移动设备和业务服务的需求，虽然依旧面临着很多挑战，但相信随着技术的发展，系统会越来越完善并发挥着其在移动通信中不可替代的作用。

参考文献

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