D2D通信技术(详细版)幻灯片

D2D通信技术1/29小组成员：资料查找：PPT制作：演讲：2/29目录一、背景介绍二、认识D2D通信三、无线资源管理技术四、参考文献3/29第一部分背景介绍4/29随着经济的增长，社会各行各业对无线通信的需求越来越高，各种各样的无线通讯设备大量涌现，无线频谱资源越来越紧张。目前，有两种主流方案应对上述的频谱危机：1.通过部署多个小型基站增加网络密度，提升系统容量。但是这种方法成本比较高，而且干扰管理比较复杂。2.实现有限频谱资源上的资源复用，有效提高频谱资源的利用效率。可受蜂窝通信系统控制的D2D通信技术，被给予了厚望。一、背景介绍5/29第二部分认识D2D通信D2D通信的概念D2D通信的比较D2D通信的分类D2D通信的区别D2D通信的应用场景6/29二、认识D2D--概念D2D(Device-to-Device)通信是一种设备到设备的直接通信技术，与蜂窝通信最主要的区别就是不需要基站的中转。这种设备既可以是Human-to-Human通信中的手机电话或其他设备也可以是Machine-to-Machine通信中的机器设备。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站负担，减小通信时延，与蜂窝通信相比，D2D通信仅占用一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用D2D通信可减小传输功率，节约能耗。7/29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，将频谱资源划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。网络中用户分为2类:1)传统蜂窝用户，它们之间通过基站通信，不允许用户之间直接通信;2)D2D用户，彼此之间直接通信，也可进行蜂窝通信，并且能够实现2种通信模式的切换。二、认识D2D--比较如图所示，用户1和用户2以蜂窝模式通信，用户3和用户4以D2D模式通信。8/29二、认识D2D--分类D2D通信分为集中式控制和分布式控制。1.集中式控制由基站控制D2D连接，基站通过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;2.分布式控制则由D2D设备自主完成D2D链路的建立和维持，相比集中式控制，分布式控制更易获取D2D设备之间的链路信息，但会增加D2D设备的复杂度。图1集中式控制图2分布式控制9/29二、认识D2D--区别相对于其他同类技术如蓝牙、WLAN等，D2D通信具有很大的优势，D2D通信技术的最大区别是它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，蓝牙在传递文件时需要人工配对，而在接入WLAN连接点时也需要用户配置，D2D通信可以自动连接；同时这些同类技术都工作在非授权频段上，相比工作在授权频段上的D2D通信连接不够稳定也不够可靠。此外，近距离的直接通信还可以有效减轻基站的负担、降低终端设备的发射功率、减小传输时延。10/29二、认识D2D--应用场景公共安全：此类应用主要是针对蜂窝网络无法有效覆盖的区域，如深山、地震受灾地区等，蜂窝网络允许终端脱离网络直接与附近的搜救人员联络。在地震救灾现场，基站可能会因为地震的破坏不能提供服务，此时就允许受困人员使用手机终端（UE1）使用D2D通信直接与救灾人员（UE2）联系，以得到及时救助。社交应用：目前，所有的移动终端都需要通过基站连接到网络，才能使用各种多媒体业务。但很多时候这些业务在使用时都有一定的地域性，比如在线网游、朋友聚会时分享照片或者公司会议中共享文件资料。直接使用D2D通信绕过基站就会减轻基站负载，避免拥塞，而且速度相对较快、时延小。11/29二、认识D2D--应用场景本地业务：本地业务主要是指一些本地广告业务通过D2D通信进行推广。诸如酒店或者商场类的服务提供商，会搜索附近的用户，对其提供相关的资讯服务。当用户靠近这些商家并同意接收相关信息时，即可接收信息服务，了解酒店基本情况或者商场的打折活动，以此提高广告效率。网络中继：当移动终端（UE1）信号不好时，可以先通过信号相对较好的终端（UE2）与基站取得联系，然后再与UE2进行通信。这样能够增加蜂窝网络的覆盖范围，提高系统容量。12/29第三部分无线资源管理技术资源分配功率控制模式选择13/29三、无线资源管理技术--引入在LTE-FDD系统中D2D可以使用专用资源或复用蜂窝上/下行频段。因为蜂窝上行频段的利用率低于下行频段，所以多数方案关注使用蜂窝上行频段进行D2D通信。在蜂窝上行频段的系统间干扰示意图在图中，用户终端UE1是蜂窝户,UE2和UE3是D2D用户对，UE2通过链路向UE3传输数据，该D2D对链路使用了UE1所使用的物理资源块PRB。在蜂窝上行传输时，eNodeB受到所有D2D传输端的干扰，D2D的接收终端受到蜂窝用户UE1的干扰。D2D发射端UE2对基站的干扰，蜂窝UE1对D2D接收端UE3的干扰。14/29三、无线资源管理技术--关键由于D2D系统造成的系统间干扰，可以通过有效的无线资源管理算法来解决。其主要包括功率控制、资源调度和模式选择3个模块。功率控制模块：负责设置合适的D2D发射功率或者同时设定蜂窝UE的发射功率；资源调度模块：根据蜂窝资源使用情况，为D2D分配合适PRB；模式选择模块：根据功率控制和资源调度模块提供的信息，为D2D连接选择合适的D2D通信模式。通过以上机制能有效的减少D2D与蜂窝网络间的系统间干扰，最大化小区吞吐量。15/29三、无线资源管理技术--资源分配LTE系统的资源调度是一种快速的时频资源分配，eNodeB要在每1ms内对无线资源进行分配，图中给出了LTE系统时频资源示意图。这种方式使得D2D使用未分配的时频资源或者部分复用已经分配过的资源成为可能。在LTE系统中，时域无线资源的基本单位是TTI(传输时间间隔)，每个TTI值为1ms。每个TTI又由2个0.5ms的时隙组成，即一般配置下的14个OFDM符号。10个TTI组成一个LTE无线帧。在频域，整个带宽被分180khz的子信道，相当于12个连续的15khz的子载波。子信道的大小是固定的，不同的带宽对应的子信道的数目不同。在时频域，时域对应0.5ms，频域上对应1个子信道的单元称为RB(ResouceBlock）。16/29三、无线资源管理技术--功率控制当D2D对复用蜂窝用户的资源进行通信时，D2D链路和蜂窝链路将相互干扰。因此需要合适的功率控制，以避免或减小D2D通信用户和蜂窝用户对彼此带来的干扰，使得在保证蜂窝网络的情况下，提高小区总吞吐量。目前，D2D设备的传输功率可以分为静态设置和动态设置。17/29三、无线资源管理技术--功率控制(1)静态设置在蜂窝网络中，上行功率控制的目的是减少接收信号的动态范围，例如减少远近效应的影响。假设小区内任意一个蜂窝用户在eNB处的目标信干噪比为,蜂窝用户的上行SINR表示为：和分别是蜂窝用户和D2D对的发射功率，和是蜂窝用户和D2D对到eNB的信道增益，是噪声功率。1P2P0/NP02211NGPGP1G2G0N18/29三、无线资源管理技术--功率控制(1)静态设置如果没有D2D通信()，则蜂窝用户的发射功率必须满足。为了使得D2D对蜂窝用户的干扰可控，同时保证蜂窝用户的目标信干噪比，eNB为D2D对的发射功率设置一个退避因子B，即。当较B大时，D2D对蜂窝用户的干扰可以忽略，但此时D2D的发射功率过低,D2D通信的传输质量无法保证。因此，为了确保D2D通信的最低SINR，还需要为蜂窝用户设定一个功率增强因子α，根据上式可得：02PPGP11BPGP/2202211NGPGP19/29三、无线资源管理技术--功率控制将和带入上式可以得到：当D2D建立完成后，基站通过上述方案来设置各UE的传输功率,实现干扰协调。缺点：该方案通过增加蜂窝用户的发射功率来保证蜂窝用户的目标SINR,但这会导致过多的蜂窝用户以较大的功率进行传输，同时还会加剧小区间的干扰问题。(1)静态设置PGP11BPGP/2210NBP20/29三、无线资源管理技术--功率控制(2)动态设置静态设置方案不能够及时反映信道的动态变化，而动态设置方案能够根据信道质量的变化对终端设备的功率进行调整。有一种基于功率补偿的闭环功率控制方案，该方案根据目标SINR和反馈信息对终端的功率进行动态的调整。具体的表达式如下：是D2D对的最大发射功率，是小区特定参数，由eNB进行广播，M是D2D对分配到的PRB的数量，α是路径损耗补偿因子（)，L是D2D对的发射终端与接收终端之间的路径损耗，Δ是功率调整步长。}log10,min{100maxLMPPPmaxP0P121/29三、无线资源管理技术--功率控制该方案仅考虑了D2D对之间的路径损耗，没有考虑到D2D对和与之使用相同资源的蜂窝用户之间的位置信息。例如，在上行传输时，D2D对距离eNB较近，而与之使用相同资源的蜂窝用户处在小区的边缘，则该蜂窝用户的性能可能无法得到保证。提出了一种基于干扰代价的功率控制方案。方案分为小区间更新和小区内更新。该方案能够有效的减少小区内和小区间的干扰，提升系统的效用。(2)动态设置22/29三、无线资源管理技术--模式选择D2D通信通常具有4种模式：23/29三、无线资源管理技术--模式选择(1)复用模式:D2D用户复用蜂窝用户的资源，产生同频干扰，基站采用合理的资源分配和功率控制、多天线技术和先进的编码技术等控制链路之间的干扰。(2)专用资源模式:D2D用户占用一部分独立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通信与蜂窝通信之间不会产生干扰。(3)中继模式（在概念上与传统的蜂窝模式相同):D2D用户通过基站转接通信，所有通信链路分配独立正交的信道资源，不相互干扰。24/29早先较为简单的模式选择，主要根据D2D设备间测量到的路径损耗来决定。如当两D2D设备间的路径损耗小于其与基站间的路径损耗或小于预先定义的最大允许的门限时，则不使用蜂窝模式，而使用D2D模式。三、无线资源管理技术--模式选择25/29三、无线资源管理技术--模式选择基于路损的模式选择简单易行但性能较差，它仅考虑了D2D设备间的信道状况。D2D模式选择策略不仅取决于D2D设备间和D2D设备与基站间的链路质量，还取决于具体的干扰环境和位置信息。如当D2D设备距离基站较远时，使用上行频段效果比下行频段好；当D2D设备距离基站较近时，使用下行频段比上行频段好。因此好的模式选择算法需要考虑多种因素，且对信道测量的要求更高。26/29三、无线资源管理技术--模式选择D2D通信与蜂窝系统之间的干扰是一个复杂的问题，单独从功率控制、资源分配或模式选择的角度出发，很难取得较好的整体性能。如功率控制机制无法抑制同频信道的强干扰，必须辅以资源调度解决。因此，对于通信的无线资源管理技术的研究必须要强调技术之间的联合考虑。27/29第四部分参考文献28/2929/29四、参考文献[1]冯大权.D2D通信无线资源分配研究[D].电子科技大学，2015:7-9.[2]孙晓梅.LTE网络下D2D通信技术的研究[D].南京邮电大学，2014:10-11.[3]姚俊.D2D通信的无线资源管理技术研究[D].北京交通大学，2014:21-26.[4]荣涛.D2D通信技术研究[D].南京邮电大学，2013:10-17.[5]王俊义.D2D通信技术综述[J].桂林电子科技大学学报,2014,34(2):114-119.[6]吴栓栓.D2D在5G网络中的应用[J].中兴通讯技术，2015,2:33-36.[7]LIUZi-yang,PENGTao,WANGWen-bo.Optimaltransmissionmodeproportionforheterogeneousnetworksofcellularanddevice-to-devicecommunications[J].TheJournalofChinaUniversitiesofPostsandTelecommunications,2