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智能手机和电子平板电脑的巨大普及推动了高速多媒体无线业务的爆发式增长。根据贝尔实验室最近的一份报告[ 1 ]，全球移动通信量从2011年到2016年增长了25倍。为了缓解移动流量的指数级增长，庞大的基础设施投资和提高本地服务的灵活性，设备到设备（D2D）通信已被认为是在第三代合作伙伴计划（3GPP）先进的长期演进（LTE-Advanced）中的关键技术之一[ 2 ]。 图1 在异构网络中D2D通信的概念（HETNET）及其应用 为获得D2D通信运营商和用户的潜在利益，虽然大量的研究工作已经完成，但是仍有一些技术挑战需要解决。在这篇文章中，大家重点是D2D通信协议、算法和在D2D通信的方式，并明确了未来研究中的挑战和潜在的应用场景。本文的其余部分如下：首先先容了D2D用户发现和会话建立；然后先容了D2D资源分配，D2D多输入多输出（MIMO）传输，和D2D辅助BS部署处理后。最后得出结论。 | | | | | | | | | | | | | | | Licensed band for LTE-Advanced | | | | | | Maximum transmission distance | | | | | | | | | | | | | | | | ID broadcast and embed soft access point | Radio frequency identification | ID broadcast or coordinator assistant | | | Uniformity of service provision | | | | | | | | Public safety, content sharing, local advertising, cellular relay | Content sharing, group gaming, device connection | Contactless payment systems, Bluetooth and WiFi connections | Home entertainment and control, environmental monitoring | Object exchange, peripherals connection | Wireless USB, high-definition video, high-definition video, precision location and tracking systems, auto radar |
表1短距离无线传输技术的比较 2 D2D对等设备发现和会话建立作为一种直接的传输技术，它的至关重要的问题是临近用户的发现和建立通信链路。在这一节中，大家针对这些研究问题做了一个概述。 2.1 对等设备发现对D2D通信而言，对等设备发现是进行直接传输的第一步，两个设备进行直接传输之前必须要知道对方的存在。因此提出了不同的设备发现方法。 从用户的角度来看，它们可以被分为限制式发现和开放式发现[ 2 ]。限制式发现，即UE在没有明确的许可之前是不允许被检测。在这种情况下，它可以防止用户被一个陌生的用户或服务干扰，从而有助于保护用户的隐私。这种方式适合社交网络应用（例如，群体游戏和与朋友分享的场景）。开放式发现，即只要有另一个设备接近，UE就可以直接发现。这减少了发现的复杂性，并适用于公共安全服务时，经常用于网络覆盖不到的场景下，如在自然灾害等情况下。 从网络的角度来看，设备发现可分为严格和宽松的基站控制方式[ 3，7 ]。在严格的基站控制，BS首先询问用户谁想要在一个给定的资源（例如，空间，时间，频率和功率）下开始接近服务发送其发现的信标（如同步，身份认证和所需的服务信息），然后指定附近的用户接收到的发现信标。使用这种方式，它可以带来的快速和准确的用户发现。然而，在同一时间，它也会导致基站有较高的信号开销。BS的宽松控制，BS只需要定期广播可用于发送和接收发现信标资源集。用户中谁想参加D2D通信的可以发送或监听带有发现资源的信标。这种方法需要的信令开销比较低。它没有严格的BS控制方案有效，因为终端设备需要等待发现资源发送信标的发现以及有意向对等用户设备的响应。 2.2 会话建立在对等设备发现后，为保持对潜在的数据传输连续的网络管理和控制，这两个D2D候选人需要建立D2D会话。有两种方法已经在[ 4 ]中提出，即基于IP的检测和专用的D2D信号。 基于IP的检测，分组数据网络（PDN）网关检测到IP报头的数据包和指定的流量两D2D候选人之间的信息流为潜在的D2D信息流。如果D2D链路达到一定的标准，如此高的SE/ EE和更低的延迟，BS建立D2D承载。这样，BS处理D2D会话建立的整个过程对用户是透明的。因此，基于IP的检测方法有助于保持D2D链路被基站控制的同时提供服务的连续性。 专用的D2D信号，潜在的D2D用户需要建立专用的D2D会话建立的系统架构演进（SAE）信令。在[ 4 ]中，一个特定的地址格式已被建议用于单独的D2D会话初始协议（SIP）的要求和定期的SIP请求。一旦检查到专用D2D地址格式，建立D2D的载体，而不是一般的SAE承载。使用专用信令，将会快速建立D2D会话，在BS也会导致较低的处理负担。然而，用户区分D2D信息流与普通信息流这个程序是不是透明对用户来说。此外，它也很难让用户切换回普通中继传输。 2.3 潜在的研究课题现有的工作对D2D对等设备发现和D2D会话设置的研究主要集中在单小区的情况。在相邻小区的临近用户的这种情况需要更多的研究。此外，所提出的方法是从网络和用户的角度分别设计的。如果网络和用户的协议被联合考虑，有可能设计更安全，在设备发现和D2D会话设置的过程中降低信令开销。因此，在以下方面需要进行进一步的研究。 在多小区中的D2D对等设备发现和会话建立：与单小区D2D通信相比，多小区的情况有更多的好处因为它能节省更多的网络资源，尤其是当两个用户都位于自己的小区边缘。然而，对等设备发现和D2D会话建立过程也会复杂得多，因为需要相邻基站之间合作。 高效的和个人的D2D对等设备发现和会话建立方法：通过综合考虑用户和网络的协议，应用场景和QoS的要求，来设计出快速、低开销、可靠的D2D对等设备发现和D2D会话设置。 3 D2D资源分配和QoS保证有效的资源分配和QoS保证是D2D通信中最具有挑战性的和重要的问题。一方面，D2D通信为用户带来更多的通信自由：D2D候选者的D2D直通链路可以通过使用专用的资源或普通手机用户(RCUs)的资源重用来传送数据。他们也可以使用标准的中继链路。另一方面，D2D通信也带来更复杂的干扰的情况：D2D用户和普通手机用户之间的小区内和小区间的干扰，还有D2D用户之间的干扰。许多研究工作致力于D2D资源分配和QoS保证。在下面，大家将把这些工作分为三个方面：D2D模式转换，D2D干扰管理、性能和信令开销的权衡，并分别进行了简要先容。 3.1 D2D模式转换在D2D通信，用户可以在三种工作模式：使用专用资源的直接链接模式，使用复用资源的直通链路模式和普通的基站中继链路模式。 在使用专用资源的直通链路的模式下，D2D用户采用资源与普通手机用户资源正交，并且没有产生干扰。它可以很容易地保证服务质量的要求。然而，它没有充分利用物理上接近的D2D用户，如频谱复用增益。 在使用复用资源的直接链接模式，D2D用户和普通手机用户共享同一资源。这产生了D2D用户和RCUs间的相互干扰，使的要保证QoS的要求会更加复杂。然而，它可能会导致频谱效率和用户的访问速率方面有更好的网络性能，特别是当在网络中的流量负载是沉重的。 当D2D直通链路不可用或链路增益差的时候，D2D用户依靠BS进行传输。这样，BSS可以为用户提供无处不在的接入和统一的服务，这是D2D通信比其他短距离传输技术所具有的优点。 适当的模式转换可以提高资源利用率和减少干扰。在[ 8 ]，选择最佳模式来最大限度地提高网络吞吐量，同时保证D2D对和RCUs的Qos。结果表明，专用资源的模式是优选的当D2D对位于靠近RCUs时，当D2D对远离基站或D2D对之间的距离短时，资源复用模式更有利。在[ 3 ]，对于模式的切换时间尺度和对于信道测量资源再分配和相应的信令开销进行了讨论，并提出了一个折中的方法。 在折中的方案中，BS在很长的时间间隔中保留D2D用户的专用资源，然后根据信道的报告在一个很短的时间尺度上进行微调。 3.2 D2D干扰管理干扰管理在获得D2D通信的潜在效益方面起着关键的作用，因为如果干扰是不可控，整个蜂窝容量和效率会降低。已经提出了各种各样的方案来解决干扰问题，包括功率控制，有效调度和跨层优化。 功率控制是一种直接的方式来限制干扰。在[ 4 ]，提出了限制D2D用户发射功率的建议。利用考虑了整个网络吞吐量的模式切换的最佳功率控制在[9]中提出。在[ 10 ]中，提出在多D2D对和多普通手机用户的场景下，用固定功率裕度的方案来协调D2D对与普通手机用户之间的干扰。在[ 10 ]的方案，在普通用户的发射功率的功率裕量是假设的，用来抵消来自D2D对的干扰，同时D2D对得到功率裕度，可以调整其发射功率以满足最小信号干扰噪声比（SINR）的要求。该方案很简单，但不一定是最佳的，因为它很难找到合适的功率裕度。一个较高的裕度减少能够与D2D用户共享资源的普通用户的数量，而较低的一个降低了D2D用户能满足最小SINR的概率。 有效的调度也是一种有效的方式用来减轻干扰。在[ 11 ]，一种基于时间的跳跃的方法被用于D2D对产生的随机干扰。而[ 12 ]中先容连续干扰消除（SIC）方案有助于D2D接收机端进行可靠的解调。在[ 13 ]，提出D2D用户配对和普通蜂窝用户的同时保证所有用户类型的QoS的启发式调度算法，BS标记具有最高的信道增益的rcu-bs链路的RCUs高优先级与rcu-d2d接收链路的最小干扰信道的功率增益的D2D对共享资源。这些方案是容易实现的；然而，可以进一步提高网络的性能的D2D对和RCUs之间的合作没有被考虑到。 跨层优化：当每一层的协议栈，本质上是相互关联的，跨层优化可以减少设计裕度和潜在的性能提高。在[ 5 ]，大家提出了一个联合的接纳控制和资源分配（功率和信道）方案，最大限度地提高网络的整体吞吐量的同时保证RCUs和D2D对QoS的要求。具体来说，在该方案中，一个最小的距离度量是首先用于QoS感知的D2D访问控制；然后为容许的D2D对进行最优功率分配和其复用的合作伙伴被实行。最后，最大加权匹配为每个允许重用D2D对找到最佳合作伙伴。它已被证明在[ 5 ]，到新增60%的用户（D2D对）可以访问，即使在满载的蜂窝网络也能保持现有蜂窝用户的性能。然而，这个方案需要基站所有链路的完美的信道状态信息（CSI），这样会产生很高的信令开销。 3.3 性能和信令开销权衡对于模式切换和干扰管理，实现更好的性能必须要得到准确的CSI信息。然而，在D2D通信中，获取RCUs和D2D对之间的干扰链路的瞬时CSI是困难的，因为这些链接是没有连接到基站导致高的信令开销，所以传统的训练和信道估计方法不适用。这样一来，性能和信令开销之间的权衡显得尤为重要。 为了减少信令开销，基于有限反馈的有效用户选择方法已经在[ 14 ]提出的，其中每个D2D接收端仅反馈利用最大距离比（MDR）度量得到的RCUs的CSI信息。这种方法可以节省D2D接收机高达70%的反馈信息同时还提供接近最优的性能。为了进一步减少CSI信息反馈，在[ 14 ]提出了一种利用信道的统计特性的基于概率的资源分配策略。从RCUs到 D2D接收机的链接的瞬时CSI是未知的，保证了D2D对的中断概率而不是最小SNIR。图2显示当中断概率阈值为0.95时，在不同信道模型下的[ 14 ]中的概率资源分配方案和在[ 5 ]中的最佳方案的性能。从图中，当信道从瑞利衰落或对数正态分布的衰落，到瑞利和对数正态分布的衰落时，两者之间的差距变得越来越大。这意味着大家所知道的渠道信息越多，所取得的性能就越好。 图2 不同的信道模型下D2D接入速率和吞吐量增益与D2D簇半径 3.4 潜在的研究课题现有的研究结果表明，通过适当的模式切换和干扰管理，D2D通信能够显著提高网络吞吐量和接入速率而降低的RCUs的QoS。然而，还有几个重要问题需要研究。 联合时间，频率和空间域资源分配的跨层优化：大多数现有的工作分别只考虑时间，频率，或空间域。使用联合设计，有更好的性能预期，但是，复杂性也增加了。因此，但需要有效但简单的算法平衡复杂性和性能。 资源分配不考虑RCUs的优先级：现有的资源分配方案主要集中在RCUs比D2D用户优先级高的场景下。由于D2D通信完全由运营商控制，可以认为RCUs和D2D对具有相同的优先级有时更合理。在不考虑优先级，联合功率，信道分配，模式切换，应进一步研究。 在多小区中多D2D对的资源分配：当两个或两个以上的D2D对相互之间或与RCUs之间距离足够远，他们可以共用相同的资源。在这种情况下，可能会产生很大的相互干扰；然而，它也可能导致更好的网络频谱效率。在多小区环境考虑，相邻基站合作处理的CSI反馈，移动性管理和切换问题值得进一步研究。 4 D2D MIMO传输在LTE-Advanced和许多其他的系统，用户终端能够承载多个天线。利用多天线，通过寻找“空隙”使D2D用户和RCUs可在互不干涉的使用相同的时频资源。此外，多天线可以利用分集和复用增益来提高系统的鲁棒性和能力。因此，D2D MIMO传输策略问题对研究无线信道的空间分集是很重要的。在下面，大家专注于收发机联合设计和基于MIMO中继传输的D2D。 4.1 收发器的设计在[ 15 ]，在下行链路传输中引入避免干扰的预编码方案提高了D2D链路的信噪比，在BS发射RCUs的信号对D2D接收机的干扰信道的零空间的信号。结果表明，用户在整个网络的吞吐量可以得到的SINR收益高达15分贝和10%左右的增益。在[ 16 ]，联合收发器的设计最大限度地整个D2D和RCUs的传输速率进行了研究，其中的序列二次规划法是用来寻找最优发送预编码和接收解码。结果表明，联合设计算法优于传统的迫零（ZF）和信号泄漏噪声比（SLNR）为基础的方法。然而，一些实际问题，如用户的服务质量要求和信令开销，还没有得到充分考虑。 4.2 基于MIMO的D2D中继传输在D2D通信中，用户可以作为中继节点（RNS）来接收来自其他用户的信号并转发给目标用户。在[ 17 ]中现有的研究表明，中继可以显著提高系统的网络的（EE）能量效率的性能，覆盖和通信的可靠性。当MIMO传输的是嵌入式的，这进一步提高了系统的性能。 根据在中继节点（RN）的信号处理程序，中继技术大致可分为解码转发（DF）和放大转发（AF）。AF模式比DF模式的复杂度低。此外，在AF模式下的中继节点（RN）不需要其收到的信号的任何先验信息，同时可以应用在任何情况下。因此，大家专注于在D2D通信AF方案。 图3 基于MIMO AF中继的D2D传输模型 图3显示了一个基于MIMO AF中继的D2D传输模型。多个分布式天线需要通过光纤或同轴电缆连接到基站控制器，因此相比于分布式天线系统（DAS），基于MIMO的D2D更加灵活而且基础设施的成本更低。在图中，H1和H2分别表示中继链路和D2D链路的信道矩阵，G表示中继用户的放大矩阵。应用AF中继传输，从基站到目标用户的整体信道矩阵H=H1GH2,，不仅取决于两个临时信道的中继和D2D链路，而且还取决于中继用户的放大矩阵。通过适当的设计放大矩阵，目标用户可以从中继用户得到额外的合作分集增益。 4.3 潜在的研究课题现有的研究[ 15，16 ]表明，MIMO传输可以进一步提高D2D通信性能。然而，目前的研究成果仍然是相当初步的，许多问题需要进一步解决。 自适应MIMO传输模式切换：现有的研究主要集中在空间的传输来减轻D2D用户和RCUs之间的干扰。共同考虑流量负载，用户的QoS，和链路的CSI来自适应调整MIMO传输模式的分集与复用可以显著提高性能。 D2D MIMO中继用户的放大矩阵的设计：放大矩阵在D2D基于MIMO中继传输中起着关键的作用，因为它连接了中继和D2D链路的两个矩阵。因此，它的设计在D2D中继用户中用来优化系统性能是值得进一步研究。此外，对于优化矩阵的设计，准确的CSI信息是不可缺少的。因此，信令开销和性能之间的权衡，也应该进行研究。 5 异构网络中D2D-AIDED基站的部署小小区（例如，微微蜂窝和毫微微蜂窝基站）的部署到有效支撑高数据速率要求或高用户密度区域。D2D通信建立可以有助于减少小小区的密度/数量。 通过D2D通信，用户自然可以作为中继节点，因此本质上支撑多跳传输。通过确定目标周围的频谱空闲和附近的非活跃用户，可以有效地建立D2D传输来改善小区边缘的数据传输速率或衰落严重的用户的同时提供更均匀的网络连接。此外，通过高频率复用整体的频谱效率SE和网络吞吐量可以提高，而且由于链路的短距离传输，可以显着增加传输的可靠性。此外，使用D2D通信，可以关闭一些低流量负载的小区以提高系统能效。然而，同时的多D2D通信产生干扰应通过适当的用户配对和频率分配避免/抑制。 除了多跳传输，D2D通信也可以支撑本地广播，可广泛用于多玩家游戏，环境感知的文件共享、本地广告，公共安全服务。使用D2D本地广播，由于传输距离短，用户在数据传输速率和延迟时间方面都有可能得到改善。此外，流量从移动核心网络卸载，这有助于减少小小区的部署密度。 总的来说，D2D辅助基站部署还需要进一步的研究。这里有几个相关的未来研究课题。 合理收费与安全机制：D2D通信的收费机制不仅应该鼓励从核心网络卸载流量，也要激励用户传递信息给其他用户的同时还需要一种安全机制，以防止机密信息被中继用户窃听。 频谱效率和干扰避免D2D路由算法：当多个传输路径可用时，在确定的指标（例如，能量效率，频谱效率和时延）下如何选择最佳的一个还需要进一步研究。 6 总结在这篇文章中，大家简要地先容了D2D通信及其应用以及潜在的收益概念。大家已经讨论了最先进的研究，设备发现和D2D对等会话建立，D2D资源分配和QoS保证，D2D MIMO传输，和D2D辅助基站的部署。尽管目前的研究在D2D通信运营商和用户方面已经显示出了巨大的效益，但它的研究仍然是相当初步的，许多挑战依然存在。因此，大家也发现了一些潜在的研究课题。
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发表于 2016-7-1 12:43:03
