杨海博

（辽宁省广播电视技术保障中心 辽宁省沈阳市 110016）

4G 通信技术早已大规模普及，但是随着社会发展，4G 通信的速度已经很难满足人们的需求。5G 通信相比于4G 通信，其通信速度、通信质量和稳定性大大提升，5G 通信技术中最为关键的技术之一D2D 技术，则大大提高了对频谱的利用率。D2D 技术其实就是用户设备之间不经过基站而是直接通信的一种通信方式，这种通信方式可以大大提高用户的使用体验和使用质量。由于D2D 技术使用的是蜂窝网络的频段，具有很高的通信稳定性，即使通信距离增加也不会影响通信质量，而且这种通信方式的传输速率明显高于其他传输设备，时延也较其他传输设备更低，使用D2D 通信所损耗的电量也比较少。D2D 通信技术由于使用了蜂窝系统的频段，在通信距离相对较短时，用户设备间可以不用通过基站而可以直接连接。在异构网络中可以同时存在UE-BS 连接（即近邻用户设备和基站间的连接）和D2D 连接。D2D 涵盖范围十分广泛，本文主要对D2D 中关键技术进行一些初步研究。

1 D2D的设备发现和链路性能

在D2D 通信中，设备间互相发现然后建立连接是D2D 通信技术的基础。对于设备发现和通话建立，本文主要讨论D2D 的设备发现和链路性能这两点。

1.1 设备发现和通话建立

D2D 设备主要分为两个阶段即扫描阶段和查找阶段。在扫描阶段，D2D设备会扫描所有可以使用的信道来发现周围的设备或网络，扫描到合适的设备或网络后，扫描并不会停止，扫描到的设备和网络信息会被储存下来以进行下一阶段操作。

查找阶段有两种状态：监听状态和搜索状态。监听状态下，D2D 会从一个在查找阶段开始就被确定的信道上监听其他设备的寻求连接信息，这个信道又被称为监听信道。监听状态会持续一定时间，这个时间是随机的。搜索状态则是D2D 设备主动发送寻求连接的信息，当其他D2D 设备监听到信号就可以发现这个设备了。由于监听状态持续时间的随机性，可以最大程度的避免两个设备处于相同阶段而不能互相发现的问题。

发现阶段结束后，互相发现的两个D2D 设备之间就该进行连接了。由于D2D 通信是相对短距离间的通信，而在生活中不可能确保两个D2D 设备间一直处于满足要求的情况，理论中提出了一种在移动情况下的D2D 连接方式，即通过基站（BS，base station）对两个D2D 设备间相对速度进行检测，只有在满足条件时才能进行连接；当BS 与设备间有障碍物时，通过D2D 设备与BS间路径损耗或BS 接收到的信号强度来进一步确定是否可以建立连接。

文献[1]提出IP 检测和D2D 专用信令两种方法：

（1）IP 检测是在互相发现的两个D2D 设备之间的链路满足更高的能量有效性和更低的电量要求时建立连接，这种方式下，建立连接的过程是由BS 控制处理的，整个过程对用户是透明的；

（2）D2D 专用信令是开发的一种专用系统结构演变信令SAE（Size Alteration Event)，定义了一个专用地址格式用来将D2D 传输的初始协议SIP（Session Initiation Protocol)和普通SIP 请求分离。只要检测到专用D2D 地址，连接就会被建立，这种连接建立方式对用户是不透明的。

对于D2D 设备发现与通话建立的研究目前主要在单蜂窝网络情况下，多蜂窝网络方面的研究较少。单蜂窝网络情况下，设备发现与通话建立方案的研究也基本都是从用户或网络角度进行的，很少兼顾两个角度。希望未来能有更多兼顾两个角度同时满足QoS(Quality of Service)需求的研究成果。

1.2 链路性能

D2D 链路连接完成后，链路性能是影响网络通畅的一个重要因素。通过随机几何研究了D2D 通信在平均用户率上的增强条件，对于实际的高负荷网络，给出了以最大D2D 连接距离，或者用户密度参量为变量的函数闭合表达式与条件边界的闭合表达式，并由此得出D2D 通信的最佳范围。通过研究发现，D2D 通信在近距离通信中有较大优势，在D2D 链路长度接近蜂窝接入点的时候，以及大量用户密集使用的情况下，都表现出良好的性能。当确定了即将连接的两个D2D 设备之后，所有可以运行的链路的传输顺序也会影响系统性能，这是一个NP 完全问题。

文献[2]讨论了三时隙两路放大转发中继下D2D 用户帮助下的通信中断概率，并通过最佳功率分配方法最小化中断概率。算法如下：

如图1 所示，通过双向放大器和前向继电器中继进行的信息交换是在三个时隙中进行的，在第一个时隙中，D_A 向继电器传输信号a，与此同时，CUE 将信号c 发送到BS，因此，受来自CUE 和噪声的干扰信号可以表示为：

其中Pa和Pc分别是D_A 和CUE 的发射功率，nrl则代表相应的加性高斯白噪声，har是D_A 和D_R 之间的复用信道，har由路径损耗、阴影衰落和频率非选择性瑞利衰落组成，表示为：

其中dar表示源D_A 与中继D_R 之间的距离，α 是路径损耗系数，hcr和har类似。在第二个时隙中，D_B 向中继节点发送信号b。当D2D 链路受到蜂窝用户造成的干扰时，我们可以将接收到的信号表示为：

与之前公式类似。到了第三个时隙，中继节点将接收到的信号通过增益G 放大，然后把处理后的信号转发给两个源节点。继电器的组合信号可以表示为：

其中n1，n2是功率分配系数，满足和D_B 在第三个时隙中接收到的信号表示为：

和

Pr是终端发射功率，增益：

图1：三时隙双向放大器和前向继电器协议辅助下的D2D 通信

将D_A、D_B 自身干扰去掉之后可以得到D_A、D_B 的输出信噪比：

以及

在这两个公式中，i，j 代表来自中继节点的D_A 和D_B 的接收信号，k,l,m 分别指三个D2D 终端的CUE 干扰，它们是具有概率分布函数的瑞利分布。中断概率是衡量通信质量的一个重要的指标，在双向放大器和前向继电器系统中，当终端输出信噪比低于某一个阈值的时候就会产生中断。由此，可以将中断概率表示为：

式中γ 是终端输出信道比阈值。

以随机到达通信量和时变信道为条件，将D2D 能量传输时效性和时延折中建模为随机优化问题，同时考虑了平均功率、干扰控制与网络稳定性的限制。通过分式规划以及Lyapunov 优化方法，通过棱柱分支定界法探索这个NP 完全问题比较好的解决方法。有实验证明，D2D 通信能够较大程度降低蜂窝间通信中断的可能性。在前面列出的对D2D 链路问题的研究中，都提到了CSI（信道状态信息）。这表明了CSI 在链路中的重要作用，怎样更精准地得到这个信息对链路连接有重要影响。

2 D2D资源分配

D2D 通信需要解决的问题中一定包括如何提高对频谱的利用率。以现有的条件为了提高频谱利用率不得不让D2D 用户使用与蜂窝用户相同的频谱资源，这就是干扰产生的来源之一。D2D 通信技术中，资源分配主要是指对频谱资源的分配以及如何控制功率。频谱复用在频谱资源分配复用信道方面是很重要的一个知识。

2.1 干扰管理

我国对于干扰管理已经有了大量研究。通过文件残片回复提取技术确定干扰是怎样产生的，并分别计算出了D2D 链路复用蜂窝上行和下行所受到蜂窝网络干扰的干扰量，并通过设计仿真平台进行仿真，根据仿真模块的干扰计算模块计算出了在D2D 接收端的干扰功率。

图2：D2D 对复用 CUE 上行资源干扰情况

图3：D2D 对复用CUE 下行资源干扰情况

文献[3]提出一种固定功率边缘策略来降低D2D与RCU（regular cellular user，传统蜂窝用户）之间的干扰，D2D 设备通过获得最大和最小功率的数值，并根据这个调整自身传输功率来满足最小输入输出信噪比需求。该方式实现简单，但是很难确定适宜的功率边缘，高的边缘值将会减少与D2D 共享资源的传统蜂窝用户数量，而低的边缘值又会降低D2D 用户满足最小SINR 的概率。

2.2 QoS保证策略

D2D 资源配置技术一方面是为了控制设备间干扰，另一方面是于对网络性能进行优化，这么做不仅可以达到一些特定需求的通信功能要求，经过恰当的资源配置，还可以使得网络QoS 整体提高。阐述不同信道模式下网络的时延QoS 要求和作用，然后提出具有针对性的功率分配计划，在统计以及QoS 要求的基础上，可以达到给定时延内QoS 限制下获得尽可能大的网络吞吐量的目的。

理论中提出了D2D 通信限制区域和D2D 用户限制复用蜂窝用户资源区域的概念，为了保证蜂窝系统服务质量需求并提升系统性能，通过非线性规划问题中的乘子法求出了 D2D 用户和CUE 的最佳发射功率，使系统吞吐量达到最大。

文献[3]提出改进的比例公平(IPF)干扰控制方案，在保证蜂窝和D2D 用户的服务质量需求的前提下，帮助所有D2D 设备对选择最合适的蜂窝用户去共享频谱资源，IPF 方案与之前的方案对比，能够有效改善蜂窝系统的公平性和吞吐量。在基于D2D 的蜂窝网异构中，可以根据应用的QoS 需求进行资源与功率分配，在资源配置的基础上也能达到安全性的需要。

现实生活中，无线网络情况极为复杂，虽然无线网络的QoS需求也是一个重要的研究方向，但是想要既满足参数要求又能对网络总体性能进行协调仍然是一个很大的难题，不过相信随着科技发展这一难题必将迎刃而解。

2.3 频谱复用

在通信系统中，D2D 可以对蜂窝用户的上行和下行资源进行复用，在复用时干扰情况如图2、图3 所示。

CUE 上行资源被复用时，通过图2 可以看到受到D2D 干扰的是eNB 端，这时eNB 端可以通过调整D2D 的发射功率来降低干扰的影响；而当复用的是CUE 下行资源时，在图3 中可以看到被D2D 干扰的是蜂窝用户的接收端，这时eNB 对D2D 发射功率的调整需要视两者之间的地理位置而定。另外已知UE 的发射功率一般小于eNB，所以资源复用时受到影响的主要还是eNB 端，这对于eNB 端的干扰协调是十分有利的情况。干扰的大小受到基站的发射功率和D2D 发送设备的发送功率等因素的影响。

2.4 功率控制

有研究表明，对D2D 系统进行功率控制可以影响网络吞吐量，合理的功率控制方法可以对网络吞吐量性能起到保护作用。D2D 通信通常有3 种模式：复用模式（D2D 复用蜂窝网络资源），专用资源模式（D2D 占用一部分独立资源用来进行端到端的连接）以及中继模式（此模式和传统蜂窝网络类似），这使得D2D 网络和传统蜂窝网络组成的异构网络中系统所受到的干扰更加复杂。这时，功率控制的重要性就体现出来了，通过功率控制可以减小系统干扰，增加传输效率，增加设备电池的可使用时间。有研究认为功率控制的优化存在一个区域，找出了这个区域的下限并对于这个下限提出了一种优化算法。该算法通过建立一个势博弈模型，只要找到这个模型的最佳Nash equilibrium(非合作博弈均衡）就能找到关于下限的最佳优化方法。然后通过仿真证明了这种优化方法的可行性和有效性。

随着人们对网络通信速率和通信质量要求的不断提高，以及OTT 业务的快速发展对于传统运营商的影响，D2D 技术一定会受到运营商的重视，会有越来越多的人进行D2D 技术相关方面的研究。