D2D通信技术(详细版)幻灯片讲课教案

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1、1,D2D 通信技术,2,小组成员：,资料查找： PPT制作： 演 讲：,3,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,4,第一部分 背景介绍,5,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,6,第二部分 认识D2D通信,

2、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,7,二、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。,8,假设一个通用的蜂窝网络，小区中央配有

3、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。,9,二、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

4、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,10,二、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 D

5、2D 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。,11,二、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

6、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。,12,二、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。,13,第三部分

7、 无线资源 管理技术,资源分配 功率控制 模式选择,14,三、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 UE

8、1 对 D2D 接收端 UE3 的干扰。,15,三、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。,16,三、无线资源管理技术-资源分配,LTE 系统的资源调度是一种

9、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

10、0.5ms，频域上对应 1 个子信道的单元称为 RB(ResouceBlock）。,17,三、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。,18,三、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

11、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。,19,三、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，根据上式可得：,20,三、无线资源管理技术-功率控制,将 和 带入上式可

12、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,21,三、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

13、， M是D2D对分配到的PRB的数量， 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，是功率调整步长。,22,三、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,23,三、无线资源管理技术-模式选择,D2D 通信通

14、常具有4种模式：,24,三、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。,25,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

15、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,26,三、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。,27,三、无线资源管理技术-模式选择,D2D通

16、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。,28,第四部分 参考文献,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 LIU Zi-yang, P