【正文】 ，形成統(tǒng)一的混合蜂窩與D2D網(wǎng)絡(luò)。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(guò)直連鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，而不需要通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)（即基站）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 D2D技術(shù)簡(jiǎn)介下一代寬帶蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMTAdvanced）中采用了載波聚合（CA）技術(shù)、增強(qiáng)的多入多出（MIMO）天線技術(shù)、協(xié)同多點(diǎn)傳輸（CoMP）技術(shù)和中繼技術(shù)，在原有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(yàn)。IMTAdvanced D2D技術(shù)白皮書(shū)IMTAdvanced推進(jìn)組3GPP項(xiàng)目組IMTAdvanced D2D(DevicetoDevice)技術(shù)白皮書(shū)(Version Draft) Page 72目錄目錄 i1 D2D通信技術(shù)介紹 2 D2D技術(shù)簡(jiǎn)介 2 場(chǎng)景描述 3 基本假設(shè)和要求 32 D2D通信與蜂窩通信的無(wú)線資源共享方式 5 正交方式的無(wú)線資源共享 5 復(fù)用方式的無(wú)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(wú)線資源復(fù)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(luò)完全控制的D2D通信 34 網(wǎng)絡(luò)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(jī)制 35 網(wǎng)絡(luò)完全控制的D2D通信 35 網(wǎng)絡(luò)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(jī)制 92 同步機(jī)制 99 尋呼機(jī)制 99 通信流程 997 D2D通信的增強(qiáng)和應(yīng)用 100 D2D通信與蜂窩通信的切換 100 D2D通信的鏈路自適應(yīng)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(luò)編碼技術(shù) 113 D2D通信與MBMS 1138 總結(jié) 1239 參考文獻(xiàn) 12410 版本信息 1251 D2D通信技術(shù)介紹下一代寬帶蜂窩移動(dòng)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(wèn)題。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(wù)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(wèn)題。D2D技術(shù)本身的短距離通信特點(diǎn)和直接通信方式使其具有如下優(yōu)勢(shì)：1. 終端近距離直接通信方式可實(shí)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(shí)現(xiàn)頻譜資源的有效利用，獲得資源空分復(fù)用增益；3. D2D的直接通信方式能夠適應(yīng)如無(wú)線P2P等業(yè)務(wù)的本地?cái)?shù)據(jù)共享需求，提供具有靈活適應(yīng)能力的數(shù)據(jù)服務(wù)；4. D2D直接通信能夠利用網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量龐大且分布廣泛的通信終端以拓展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。蜂窩通信系統(tǒng)與終端直通技術(shù)的結(jié)合實(shí)際已有較長(zhǎng)的歷史。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(diǎn)和直通通信方式，充分發(fā)揮D2D在節(jié)省無(wú)線資源、減小系統(tǒng)干擾、以及業(yè)務(wù)提供等方面的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力，拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高無(wú)線資源使用效率和系統(tǒng)容量，并更好地適應(yīng)本地?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。在該混合網(wǎng)絡(luò)中，部分終端仍以蜂窩通信模式通過(guò)基站進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)和通信，部分用戶則以終端直通模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接傳輸。本要求具有以下優(yōu)勢(shì)：采用與蜂窩通信相同的物理層傳輸技術(shù)可以減少對(duì)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(duì)蜂窩通信調(diào)度的影響；對(duì)干擾的測(cè)量不需要變化；D2D終端甚至可以同時(shí)工作于蜂窩通信模式和D2D模式。無(wú)線資源的共享方式可以分為兩種：正交方式的共享和復(fù)用方式的共享。文中的仿真涉及的場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單，僅為說(shuō)明不同共享方式下性能的不同趨勢(shì)，尤其說(shuō)明了復(fù)用方式能夠帶來(lái)性能增益、同時(shí)也引入了干擾的現(xiàn)象，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。這種方式在蜂窩通信無(wú)線資源使用率并不高、仍然有空閑無(wú)線資源的情況下較為適用。這種方式適用于無(wú)線資源使用率較高的場(chǎng)景中。這樣在地面附近形成的有害干擾區(qū)將遠(yuǎn)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(duì)于蜂窩用戶是比較小的。小區(qū)內(nèi)蜂窩用戶使用正交的無(wú)線資源。放置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)到不同位置無(wú)線資源使用情況如下圖所示。可以看到，信號(hào)隨距離的增加呈現(xiàn)出較明顯的衰落趨勢(shì)，不同的地理位置上測(cè)量到蜂窩用戶的功率水平是不同的。 D2D鏈路間資源共享方式不論D2D正交使用還是復(fù)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(fù)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。 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(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著不同的影響，下面通過(guò)仿真來(lái)描述具體的影響效果。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(duì)則采取直連的方式通信，同時(shí)任一D2D鏈路復(fù)用某一蜂窩用戶的資源，而任意兩個(gè)D2D對(duì)之間則正交地使用資源。重復(fù)上述過(guò)程直至所有D2D用戶都獲得復(fù)用資源；Case 4：蜂窩系統(tǒng)與D2D通信共存，蜂窩用戶仍使用蜂窩模式，所有D2D對(duì)則采取直連的方式通信，同時(shí)所有D2D鏈路復(fù)用整個(gè)頻帶。仿真參數(shù)如下：表 22 仿真參數(shù)設(shè)置小區(qū)半徑500 mD2D平均鏈路長(zhǎng)度20 m蜂窩用戶發(fā)送功率min(Pmax, 10 log10(M)+αPL+P0)D2D的發(fā)送功率17 dBm系統(tǒng)帶寬10 MHz中心頻率2 GHz蜂窩用戶數(shù)4D2D對(duì)數(shù)4白噪聲功率譜密度﹣174 dBm/HzD2D鏈路路損模型[21] log10(d[m]) + + 20 log10(fc[GHz]/)蜂窩對(duì)D2D干擾鏈路的路損模型[21]40 log10(d[km]) + 30 log10(fc[MHz]) + 49上行蜂窩鏈路、D2D對(duì)蜂窩干擾鏈路的路損模型[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 =仿真結(jié)果及相關(guān)分析如下所示：圖 29 4種場(chǎng)景下系統(tǒng)吞吐量CDF曲線從仿真結(jié)果可以看到，在相同無(wú)線環(huán)境下的4種場(chǎng)景中，case1的吞吐量（頻譜利用率）最低，此時(shí)僅有蜂窩用戶存在。這里case3（b）僅采用了較為簡(jiǎn)單的復(fù)用方案（干擾控制協(xié)調(diào)方案），只為給出復(fù)用這種資源共享方式能帶來(lái)性能提升的現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中為盡可能地提升混合網(wǎng)絡(luò)的容量和頻譜利用率，應(yīng)考慮采用更為復(fù)雜和合理的干擾避免措施（包括資源分配、功率控制等）。而case 4更指出這樣一種較極端的情況：隨著D2D對(duì)蜂窩干擾的加劇，傳統(tǒng)蜂窩鏈路的信道質(zhì)量大大下降；而D2D受到的干擾有限，獲得的容量增益遠(yuǎn)超過(guò)蜂窩鏈路的容量。為更好地理解以上仿真結(jié)果，下面給出相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)幾種case性能的影響，同時(shí)也為后續(xù)方案設(shè)計(jì)提供參考。從圖中能清楚地看到，D2D平均鏈路長(zhǎng)度對(duì)混合系統(tǒng)的容量有著決定性的影響，而各case隨D2D平均鏈路長(zhǎng)度改變的變化更是大相徑庭：當(dāng)D2D平均鏈路長(zhǎng)度增加時(shí)，case 1（蜂窩模式）不受影響，而case 2中的場(chǎng)景則越來(lái)越接近c(diǎn)ase 1；case3（包括3a和3b）、case 4則由于D2D復(fù)用蜂窩資源時(shí)產(chǎn)生的相互干擾而遭受較大的容量損失，尤其是case 4在D2D平均鏈路長(zhǎng)度為100m時(shí)，其性能甚至低于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。合理的復(fù)用策略及系統(tǒng)參數(shù)仍需在后續(xù)方案設(shè)計(jì)中進(jìn)行深入研究。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)D2D的資源使用方式分別給出另外3種方案的仿真，比較這幾種仿真方案的數(shù)據(jù)。 Case 2 All_RB_Reuse：如圖2所示，仿真場(chǎng)景中引入D2D通信，并且D2D通信與蜂窩通信共同使用系統(tǒng)上行資源的所有46個(gè)RB； 圖 214 All_RB_Reuse方案資源調(diào)度方式216。表 24 四種方案仿真數(shù)據(jù)表格仿真case基站平均吞吐量（kbps）5%用戶吞吐量（kbps）D2D用戶平均吞吐量（kbps）總計(jì)吞吐量（kbps）D2DBLERBase————All_RB_Reuse%10RB_Reuse%10RB_Sep%由仿真數(shù)據(jù)可以看出，如果D2D通信復(fù)用蜂窩通信資源，系統(tǒng)總計(jì)吞吐量會(huì)有較大提升，但是D2D通信會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)較大干擾，尤其是邊緣蜂窩用戶會(huì)受到很強(qiáng)的干擾。圖 217 四種場(chǎng)景下蜂窩用戶SINR曲線 共享蜂窩通信上/下行資源的對(duì)比D2D通信可以復(fù)用蜂窩系統(tǒng)資源，復(fù)用的資源既可以在D2D Tx所在的蜂窩小區(qū)，也可以屬于D2D Rx所在的蜂窩小區(qū)，由此會(huì)引入較為復(fù)雜的干擾，表 25中列舉了不同的干擾情況。Mode1與mode 3，以及mode2與mode 4的對(duì)比，可以看出復(fù)用D2D Tx發(fā)射端所在的蜂窩的資源比復(fù)用D2D Rx發(fā)射端所在的蜂窩的資源使D2D用戶吞吐量性能的提升更加明顯。圖 220中紅棕色代表著蜂窩1和蜂窩2下上下行蜂窩用戶不受D2D復(fù)用資源干擾下的最大吞吐量，然而采用了四種模式的復(fù)用策略，可以看出對(duì)蜂窩用戶的容量有一定程度的干擾，其中mode1和mode3策略下更加明顯，這是因?yàn)樵诖藘煞N策略中，蜂窩用戶的干擾是來(lái)自本小區(qū)D2D Tx發(fā)射端的干擾，顯然比mode2, mode4中來(lái)自鄰小區(qū)的干擾更加明顯。D2D本身的短距離通信特點(diǎn)和直接通信方式使其可獲得較高的數(shù)據(jù)速率、資源空分復(fù)用增益等優(yōu)勢(shì)。3 支持D2D無(wú)線資源復(fù)用的干擾分析當(dāng)D2D通信僅使用與蜂窩通信相互正交的資源時(shí)，相互之間的干擾并不明顯。復(fù)用的資源既可以在同一小區(qū)內(nèi)，也可以屬于鄰小區(qū)，由此會(huì)引入較為復(fù)雜的干擾，表 31中列舉了不同的干擾情況。蜂窩用戶CeUE1到eNB距離，發(fā)送信號(hào)至eNB。為加性白高斯噪聲，服從分布。在不同地理位置上放置單個(gè)D2D用戶，獲得D2D用戶在各地理位置上受固定的蜂窩用戶干擾下吞吐的變化。小區(qū)基站坐標(biāo)為[0, 0]，蜂窩用戶坐標(biāo)為[300，200]（m）。b) 小區(qū)內(nèi)復(fù)用蜂窩上行資源，小區(qū)內(nèi)D2D用戶發(fā)送會(huì)對(duì)蜂窩基站接收造成干擾，此外當(dāng)多個(gè)D2D用戶復(fù)用同一資源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生累積干擾，如下圖所示。仿真取單個(gè)D2D用戶，給定其發(fā)送功率等相關(guān)參數(shù)。小區(qū)基站坐標(biāo)為[0, 0]，D2D用戶坐標(biāo)為[300，200]（m）。從（a）和（b）可以看到D2D發(fā)送距基站越近，基站所受干擾越大，吞吐量越低。該干擾與D2D用戶發(fā)送功率以及D2D用戶的位置有關(guān)，發(fā)送功率越大、距離基站越近，所受干擾越大。圖 38三個(gè)D2D用戶空間分布和引入的干擾功率分布圖譜圖 38為多個(gè)D2D用戶（D2D之間復(fù)用同一資源）的空間分布和引入的干擾功率分布的圖譜，x、y軸為地理位置，z軸為干擾功率分布。小區(qū)基站坐標(biāo)為[0, 0]，蜂窩用戶坐標(biāo)為[200，100]（m）。該干擾與D2D用戶的數(shù)量、發(fā)送功率以及D2D用戶的位置有關(guān)，D2D用戶越多，發(fā)送功率越大，距離基站越近，基站所受累積干擾越大。此時(shí)該蜂窩用戶的吞吐應(yīng)為：其中為基站發(fā)送功率，為復(fù)用同一下行資源的D2D鏈路個(gè)數(shù)。b) 小區(qū)內(nèi)復(fù)用下行資源，小區(qū)內(nèi)基站發(fā)送對(duì)D2D接收造成干擾，如下圖所示。小結(jié)：當(dāng)D2D用戶復(fù)用本小區(qū)蜂窩下行資源時(shí)，會(huì)引入兩種干擾：1）D2D發(fā)送會(huì)對(duì)蜂窩用戶接收造成干擾，干擾與D2D的發(fā)送功率、蜂窩用戶距D2D發(fā)送的距離以及復(fù)用同一資源的D2D鏈路數(shù)有關(guān)。越大、距離D2D接收端越近，干擾越大。圖 313單個(gè)蜂窩用戶空間分布和引入的干擾功率圖譜圖 313為蜂窩用戶空間分布和引入的干擾功率分布的圖譜，x、y軸為地理位置，z軸為引入的干擾功率分布。該干擾與蜂窩用戶發(fā)送功率以及觀測(cè)點(diǎn)與蜂窩用戶的距離有關(guān)，發(fā)送功率越大、距離越近，所受干擾越大。結(jié)合圖 313與圖 314可以看出，蜂窩用戶位于靠近鄰小區(qū)D2D用戶的區(qū)域時(shí)，鄰小區(qū)D2D用戶受到蜂窩用戶發(fā)送的干擾較大，吞吐量也較低；而當(dāng)蜂窩用戶遠(yuǎn)離D2D用戶所在的鄰小區(qū)時(shí)，其上行通信對(duì)D2D的影響減小，因而D2D鏈路的吞吐量顯著提升。此時(shí)eNB上行接收的吞吐應(yīng)為：其中為鄰小區(qū)復(fù)用同一上行資源的D2D鏈路個(gè)數(shù)。移動(dòng)該用戶至不同的地理位置，考察D2D用戶發(fā)送與基站的距離對(duì)蜂窩系統(tǒng)吞吐的影響。該圖指出，當(dāng)D2D用戶靠近本地小區(qū)邊緣時(shí)，會(huì)對(duì)附近的鄰小區(qū)邊緣部分產(chǎn)生不可忽略的干擾。D2D用戶位置在小區(qū)1中遍歷，蜂窩用戶位于小區(qū)2內(nèi)，與小區(qū)1臨近的邊緣，坐標(biāo)為[510，10]，如圖 317中右圖所示。圖 318三個(gè)D2D用戶空間分布和引入干擾功率分布圖譜圖 318給出了多個(gè)D2D用戶（D2D之間復(fù)用同一資源）空間分布和功率分布的圖譜，x、y軸為地理位置，z軸為功率分布。圖 319小區(qū)1內(nèi)存在多個(gè)D2D復(fù)用同一資源時(shí)，小區(qū)2基站的性能曲線圖 319給出當(dāng)復(fù)用同一資源的D2D用戶數(shù)不同時(shí)鄰小區(qū)蜂窩系統(tǒng)吞吐的性能曲線，x軸為用戶數(shù)，y軸為吞吐性能。可以看到復(fù)用同一資源的D2D鏈路個(gè)數(shù)越多，對(duì)鄰小區(qū)基站而言干擾源就越多，鄰小區(qū)基站的吞吐量下降。D2D發(fā)送功率越高、D2D發(fā)送端到鄰小區(qū)基站的距離越近，干擾越大。此時(shí)蜂窩用戶下行接收的吞吐應(yīng)為：不難得到，干擾由鄰小區(qū)D2D發(fā)送功率以及該發(fā)送端到蜂窩用戶的距離構(gòu)成，鄰小區(qū)D2D發(fā)送功率越大、該發(fā)送端到