【正文】 IMTAdvanced D2D技術(shù)白皮書IMTAdvanced推進組3GPP項目組IMTAdvanced D2D(DevicetoDevice)技術(shù)白皮書(Version Draft) Page 72目錄目錄 i1 D2D通信技術(shù)介紹 2 D2D技術(shù)簡介 2 場景描述 3 基本假設和要求 32 D2D通信與蜂窩通信的無線資源共享方式 5 正交方式的無線資源共享 5 復用方式的無線資源共享 5 D2D鏈路間資源共享方式 8 蜂窩通信與D2D通信資源共享方式仿真 9 結(jié)論 193 支持D2D無線資源復用的干擾分析 20 D2D鏈路間干擾 20 蜂窩與D2D通信間干擾 20 結(jié)論 334 IMTAdvanced D2D通信控制方式 34 網(wǎng)絡完全控制的D2D通信 34 網(wǎng)絡輔助的自主D2D通信 34 結(jié)論 345 D2D通信干擾避免、控制和協(xié)調(diào)機制 35 網(wǎng)絡完全控制的D2D通信 35 網(wǎng)絡輔助的自主D2D通信 366 D2D通信的連接建立和釋放 92 D2D終端發(fā)現(xiàn)機制 92 同步機制 99 尋呼機制 99 通信流程 997 D2D通信的增強和應用 100 D2D通信與蜂窩通信的切換 100 D2D通信的鏈路自適應技術(shù) 104 D2D通信與MIMO技術(shù) 107 D2D通信與中繼技術(shù) 108 D2D通信與網(wǎng)絡編碼技術(shù) 113 D2D通信與MBMS 1138 總結(jié) 1239 參考文獻 12410 版本信息 1251 D2D通信技術(shù)介紹下一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng)（IMTAdvanced）中以基站為中心的通信方式存在局限性，系統(tǒng)仍存在覆蓋和容量等方面的問題。研究表明終端直通（D2D）技術(shù)在節(jié)省資源、減小干擾和提升傳輸效率等多方面有巨大優(yōu)勢。在IMTAdvanced演進中融合D2D 技術(shù)，將顯著改善網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、增強覆蓋、提高系統(tǒng)容量。 D2D技術(shù)簡介下一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng)（IMTAdvanced）中采用了載波聚合（CA）技術(shù)、增強的多入多出（MIMO）天線技術(shù)、協(xié)同多點傳輸（CoMP）技術(shù)和中繼技術(shù)，在原有蜂窩移動通信系統(tǒng)的基礎上，進一步提高了系統(tǒng)容量，改善了小區(qū)邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率和用戶體驗。然而，由于蜂窩通信系統(tǒng)以基站為中心的小區(qū)覆蓋和業(yè)務提供方式本身所存在的局限性，IMTAdvanced系統(tǒng)仍存在覆蓋和容量等方面的問題。盡管中繼技術(shù)及CoMP技術(shù)能夠提高小區(qū)覆蓋性能，增強小區(qū)邊緣用戶體驗，然而由于基站及中繼站不具有移動性，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和業(yè)務支持的靈活性仍然不夠，系統(tǒng)覆蓋及小區(qū)邊緣用戶容量仍有較高的提升空間。另外，隨著無線多媒體業(yè)務的發(fā)展，當前日益增長的本地數(shù)據(jù)共享業(yè)務需求給IMTAdvanced系統(tǒng)的容量和覆蓋以及服務靈活性提出了較高要求，以基站為中心的小區(qū)業(yè)務提供模式在適應本地業(yè)務的發(fā)展方面有明顯的局限性。D2D（DevicetoDevice），即終端直通技術(shù)，是指鄰近的終端可以在近距離范圍內(nèi)通過直連鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑恍枰ㄟ^中心節(jié)點（即基站）進行轉(zhuǎn)發(fā)。D2D技術(shù)本身的短距離通信特點和直接通信方式使其具有如下優(yōu)勢：1. 終端近距離直接通信方式可實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的延遲和較低的功耗；，可以實現(xiàn)頻譜資源的有效利用，獲得資源空分復用增益；3. D2D的直接通信方式能夠適應如無線P2P等業(yè)務的本地數(shù)據(jù)共享需求，提供具有靈活適應能力的數(shù)據(jù)服務；4. D2D直接通信能夠利用網(wǎng)絡中數(shù)量龐大且分布廣泛的通信終端以拓展網(wǎng)絡的覆蓋范圍。需要注意的是，這里所指的D2D技術(shù)與傳統(tǒng)的短距離通信技術(shù)有所不同。許多短距離通信技術(shù)如藍牙、WiFi Direct、Zigbee等等使用非授權(quán)頻帶如ISM頻段進行數(shù)據(jù)直接傳輸，與蜂窩網(wǎng)絡形成相對獨立的系統(tǒng)。而本文討論的D2D技術(shù)專指與蜂窩系統(tǒng)共享使用授權(quán)頻帶資源的終端直通技術(shù)，形成統(tǒng)一的混合蜂窩與D2D網(wǎng)絡。蜂窩通信系統(tǒng)與終端直通技術(shù)的結(jié)合實際已有較長的歷史。已有的點對點網(wǎng)絡（AdHoc）以終端直通技術(shù)為基礎，無論在通信方式還是網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上都具有極大的靈活性和可擴展性，但其應用仍然有一定的局限性。由于其純粹的分布式結(jié)構(gòu)，這類網(wǎng)絡難以實現(xiàn)干擾控制，終端缺乏對網(wǎng)絡全局信息的了解，不適合應用于業(yè)務量和干擾很高的通信環(huán)境；終端只能通過簡單的相互競爭以統(tǒng)計時分復用方式共享無線資源，導致資源使用率較低；由于基于純分布式結(jié)構(gòu)的通信機制與蜂窩通信差異巨大，融合難度較高。無線網(wǎng)格（Mesh）網(wǎng)以及類似的研究工作就是將以基站為中心的蜂窩網(wǎng)絡與AdHoc網(wǎng)絡相結(jié)合，形成混合網(wǎng)絡，提高網(wǎng)絡的綜合性能，然而普遍的研究都關(guān)注于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和應用，并未探索與真實蜂窩網(wǎng)絡協(xié)議的融合。本文討論的是將D2D技術(shù)引入IMTAdvanced系統(tǒng)授權(quán)頻帶內(nèi)，利用D2D技術(shù)本身的短距離通信特點和直通通信方式，充分發(fā)揮D2D在節(jié)省無線資源、減小系統(tǒng)干擾、以及業(yè)務提供等方面的巨大優(yōu)勢和潛力，拓展網(wǎng)絡覆蓋、提高無線資源使用效率和系統(tǒng)容量，并更好地適應本地數(shù)據(jù)業(yè)務的需求。 場景描述本文討論的場景是在IMTAdvanced系統(tǒng)授權(quán)頻段引入D2D技術(shù)，形成蜂窩通信和D2D通信共存的混合網(wǎng)絡，如下圖所示。在該場景中，終端可以以兩種不同的模式通信。其一，蜂窩通信模式：終端通過基站進行通信；其二，D2D模式：終端使用D2D鏈路直接通信。在該混合網(wǎng)絡中，部分終端仍以蜂窩通信模式通過基站進行信息轉(zhuǎn)發(fā)和通信，部分用戶則以終端直通模式進行數(shù)據(jù)的直接傳輸。圖 11 IMTAdvanced系統(tǒng)中的D2D通信場景 基本假設和要求基于上述場景，為在IMTAdvanced系統(tǒng)中有效的引入D2D技術(shù)，實現(xiàn)在授權(quán)頻段上的共存并對無線資源進行共享，提出如下基本要求：1. D2D通信對IMTAdvanced蜂窩系統(tǒng)的無線資源可以進行有效的共享；2. D2D通信對IMTAdvanced蜂窩系統(tǒng)的干擾是網(wǎng)絡運營者可管可控的，不影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；3. 在滿足以上要求的前提下，D2D終端所需增加的復雜度盡可能??；4. 在滿足以上要求的前提下，對IMTAdvanced蜂窩系統(tǒng)及標準產(chǎn)生的影響盡可能小，且應滿足后向兼容性要求。為滿足以上基本要求，提出如下基本假設作為后續(xù)技術(shù)研究的基礎：1. 如無特殊說明，后續(xù)技術(shù)研究針對IMTAdvanced系統(tǒng)的代表系統(tǒng)LTEAdvanced系統(tǒng)進行。如有需要，；2. D2D通信盡可能采用與IMTAdvanced蜂窩通信相同的物理層傳輸技術(shù)，并與IMTAdvanced蜂窩網(wǎng)絡在物理層上保持基本同步。本要求具有以下優(yōu)勢：采用與蜂窩通信相同的物理層傳輸技術(shù)可以減少對硬件配置的額外要求；D2D通信產(chǎn)生的干擾與蜂窩通信干擾是同質(zhì)的，減小對蜂窩通信調(diào)度的影響；對干擾的測量不需要變化；D2D終端甚至可以同時工作于蜂窩通信模式和D2D模式。3. 為滿足網(wǎng)絡運營著對D2D通信干擾的管理和控制，D2D終端應該有能力接收蜂窩系統(tǒng)下發(fā)的控制消息。4. D2D終端相比于普通LTEAdvanced終端需要增加的功能：共享蜂窩上行資源須增加D2D接收功能；共享蜂窩下行資源須增加D2D發(fā)送功能。2 D2D通信與蜂窩通信的無線資源共享方式將D2D通信引入到IMTAdvanced系統(tǒng)的授權(quán)頻帶上時，D2D通信鏈路將與蜂窩通信共享無線資源，這也是在蜂窩系統(tǒng)中融合D2D通信技術(shù)的最基本問題。無線資源的共享方式可以分為兩種：正交方式的共享和復用方式的共享。本章對D2D通信與蜂窩通信的可能的資源共享方式進行了介紹。；，并通過初步的仿真結(jié)果說明復用資源的可行性；；，仿真結(jié)果說明復用方式共享資源能夠給D2D和蜂窩網(wǎng)絡帶來性能增益，但同時會引入復雜的干擾，因此需要對干擾避免、控制、協(xié)調(diào)機制進行深入研究以確定可行的資源復用方案。注：本章僅對資源共享方式進行描述，并非實現(xiàn)資源共享的具體方案。文中的仿真涉及的場景較為簡單，僅為說明不同共享方式下性能的不同趨勢，尤其說明了復用方式能夠帶來性能增益、同時也引入了干擾的現(xiàn)象，為后續(xù)研究提供基礎。1. 正交方式的無線資源共享采用正交方式進行無線資源共享是指在無線資源使用上以靜態(tài)或動態(tài)的方式對無線資源進行正交分割，使蜂窩通信和D2D通信使用相互正交的資源。以使用IMTAdvanced FDD系統(tǒng)無線資源為例，D2D通信可以正交使用蜂窩通信的上行或下行資源。如圖所示：圖 21 D2D以正交方式使用蜂窩的上行或下行資源D2D通信以正交的方式共享蜂窩通信的無線資源，使用的是蜂窩通信未用的資源。這種方式在蜂窩通信無線資源使用率并不高、仍然有空閑無線資源的情況下較為適用。 復用方式的無線資源共享采用復用方式進行無線資源共享是指D2D通信以合理的方式對正在使用的蜂窩資源進行共享重用，并將干擾限制在一定水平范圍內(nèi)。以復用IMTAdvanced FDD系統(tǒng)無線資源為例，D2D通信可以復用蜂窩通信的上行或下行資源。圖 22 D2D通信復用蜂窩的上行或下行資源D2D通信以復用方式進行資源共享能夠發(fā)揮D2D短距離通信的優(yōu)勢、更加高效的利用無線頻譜資源，從而提高系統(tǒng)容量和性能。這種方式適用于無線資源使用率較高的場景中。 資源復用的可行性當D2D技術(shù)引入蜂窩系統(tǒng)后，蜂窩通信和D2D通信之間往往沒有節(jié)點重合現(xiàn)象，這為無線資源的復用創(chuàng)造了根本條件。從OkumuraHata等傳播損耗預測模型可以看出錯誤!未找到引用源。無線通信的傳播損耗在很大程度上受收發(fā)兩端天線高度的影響，由于終端的高度遠小于基站，或者處于具有穿透損耗的建筑物內(nèi)，終端對終端造成的干擾都會小于傳統(tǒng)蜂窩通信干擾。這樣在地面附近形成的有害干擾區(qū)將遠小于小區(qū)覆蓋范圍，如圖 23所示，D2D TxUE2與RxUE2形成的干擾區(qū)相對于蜂窩用戶是比較小的。這為無線資源的空分復用創(chuàng)造了條件，即相互干擾微弱或可控的鏈路之間以空分復用方式進行資源共享。圖 23 以上行鏈路為例終端間的相互干擾 下面以一些初步仿真結(jié)果來說明在一定地理區(qū)域內(nèi)是可以進行資源復用的。以共享上行資源為例，僅考慮單小區(qū)蜂窩系統(tǒng)的場景。小區(qū)內(nèi)蜂窩用戶使用正交的無線資源。仿真參數(shù)使用如下：表 21 仿真參數(shù)設置小區(qū)半徑500 m基站發(fā)射功率36 dBm蜂窩用戶發(fā)送功率20 dBm終端到終端路損模型[1](d[m]) + + 20log10(fc[GHz]/)40 log10 (d[km]) + 30 log10 (fc[MHz]) + 49基站到終端路損模型[22] – log10 (W) + log10(h) – ( – (h/hBS)2) log10(hBS) + ( – log10(hBS)) (log10(d) – 3) + 20 log10(fc[GHz]) – ( (log10 ( hUT)) 2 )其中W = 20 m為平均街道寬度，h = 20 m為平均建筑高度，fc為中心頻率，c為光速；hBS = 25 m, hUT =在小區(qū)的特定位置上放置蜂窩用戶，其中一個蜂窩用戶引入的干擾功率情況如下圖：圖 24 蜂窩用戶的地理位置及其引入的干擾功率分布圖譜圖 24 是蜂窩用戶的地理位置及其引入的干擾功率分布圖譜，其中x、y軸是蜂窩用戶的地理位置，z軸是不同位置感受到該蜂窩用戶的干擾功率情況。該圖中蜂窩用戶的坐標位置為( )（m）。下面在小區(qū)中放置4個蜂窩用戶，正交地使用無線資源。放置4個觀測點，觀測到不同位置無線資源使用情況如下圖所示。圖 25 (a) 不同觀測點處所測量到的蜂窩用戶的功率水平 （b）各蜂窩用戶及觀測點的位置圖 25 (a) 給出了不同觀測點處所測量到的蜂窩用戶的功率水平，類似于頻譜空穴。x軸為不同觀測點觀測的蜂窩用戶頻帶，y為接收功率水平。 (b)則清晰地標出了各蜂窩用戶及觀測點的位置。可以看到，信號隨距離的增加呈現(xiàn)出較明顯的衰落趨勢，不同的地理位置上測量到蜂窩用戶的功率水平是不同的。尤其對于上行時的場景，由于用戶終端的發(fā)射功率受限，其在距離較遠處產(chǎn)生的干擾將很低，這為復用相同的資源提供了機會。例如，在觀測點1測到蜂窩用戶2的功率較高，而蜂窩用戶4的功率較低，這意味著此處可以合理復用蜂窩用戶4的資源而不會對其造成較大干擾。因此，在不同地理位置上相互干擾微弱或可控的鏈路之間進行無線資源的空分復用是可行的。 D2D鏈路間資源共享方式不論D2D正交使用還是復用蜂窩資源，不同D2D鏈路之間的資源共享方式有如下兩種：l D2D鏈路之間正交使用資源以D2D復用蜂窩系統(tǒng)上行資源為例，下圖中兩條D2D鏈路正交地使用資源。圖 26 D2D鏈路之間正交使用蜂窩的上行資源l D2D對之間復用資源以D2D復用蜂窩系統(tǒng)上行資源為例，下圖中兩條D2D鏈路復用了相同資源。圖 27 D2D鏈路之間復用蜂窩的上行資源實際上，D2D通信資源使用的方式往往是上述兩種方式的結(jié)合。從宏觀上看，距離較遠的D2D對之間干擾較小，可以復用同一資源，而如果在小范圍內(nèi)存在多個D2D通信對，為了避免這些通信對之間的干擾，需要采用調(diào)度、協(xié)商或者機會競爭的方式使這些D2D通信對之間采用正交的資源。 蜂窩通信與D2D通信資源共享方式仿真蜂窩用戶與D2D用戶間不同的資源共享方式將對系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著不同的影響，下面通過仿真來描述具體的影響效果。 共享蜂窩通信上行資源考慮單小區(qū)中D2D用戶可復用FDD蜂窩系統(tǒng)上行資源的場景，所有用戶均隨機分布在小區(qū)內(nèi)。研究如下4種資源共享方式：Case 1：僅存在蜂窩系統(tǒng)，所有用戶均以蜂窩模式進行通信。各鏈路均分系統(tǒng)帶寬，正交使用資源；Case 2： 蜂窩系統(tǒng)與D2D通信共存，蜂窩用戶使用蜂窩模式，所有D2D對則采取直連的方式通信。各鏈路均分系統(tǒng)帶寬，正交使用資源；Case 3：蜂窩系統(tǒng)與D2D通信共存，蜂窩用戶使用蜂窩模式，所有D2D對則采取直連的方式通信，同時任