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LTE系統下的D2D通信技術(shù)分析研究論文
D2D通信是一種新型通信技術(shù)，它受控于LTE系統，終端之間允許通過(guò)對小區頻譜資源進(jìn)行復用進(jìn)而可以直接進(jìn)行通信，它可以使終端發(fā)射功率有效減少，使蜂窩通信系統頻譜效率得到有效提高，對于當前無(wú)線(xiàn)通信系統缺乏足夠的頻譜資源的問(wèn)題該技術(shù)也在一定程度上給予了解決。
1 概述
在我國，移動(dòng)通信系統如今隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的持續發(fā)展已逐漸進(jìn)入4G時(shí)代并向前進(jìn)一步發(fā)展。LTE系統作為當前的主流無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，已經(jīng)在民用和工業(yè)上廣泛應用。隨著(zhù)用戶(hù)需求的不斷增加，通信帶寬的壓力也越來(lái)越大，無(wú)線(xiàn)信道資源變得緊缺起來(lái)，并且現今能夠利用到移動(dòng)通信的頻譜資源又無(wú)法完全滿(mǎn)足需求，所以使系統的吞吐量得到提高，對系統現有的頻譜資源進(jìn)行最大化的使用成為未來(lái)必然的發(fā)展方向。D2D(Device-to-Device)通信技術(shù)就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生的。
D2D通信是一種新型通信技術(shù)。它受控于LTE系統，終端之間允許通過(guò)對小區頻譜資源進(jìn)行復用進(jìn)而可以直接進(jìn)行通信，它可以使終端發(fā)射功率有效的減少，使蜂窩通信系統頻譜效率得到有效的提高，對于當前無(wú)線(xiàn)通信系統缺乏足夠的頻譜資源的問(wèn)題該技術(shù)也在一定程度上給予了解決。通過(guò)對小區內的資源反復利用，D2D通信技術(shù)提高了頻譜資源利用率。但小區內的用戶(hù)會(huì )和重復利用小區內資源產(chǎn)生一定的干擾，為了使系統頻譜的利用率得到提高，應采取措施將這種干擾降低。
2 D2D技術(shù)原理
D2D通信是一種端到端通信技術(shù)，它受控于小區的基站。采用該技術(shù)可以使蜂窩通信系統的系統吞吐量和頻譜利用效率得到有效的提升，對于當前無(wú)線(xiàn)通信系統中有關(guān)頻譜資源缺乏的問(wèn)題D2D通信也可以提供一定的解決辦法。用戶(hù)向BS(基站)提出建立D2D通信的請求，根據用戶(hù)發(fā)出的相關(guān)通信請求基站給D2D用戶(hù)分配相應合適的信道資源，信道根據用戶(hù)所獲取的信道資源就直接可以進(jìn)行數據通信，從而實(shí)現使系統吞吐量得到提高與使基站的負載減輕的目的。接下來(lái)從數據鏈路和控制鏈路建立的步驟和對D2D通信資源進(jìn)行劃分的形式來(lái)對D2D通信技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)析。
對D2D通信用戶(hù)資源的劃分有兩種方式：一種是將小區內的頻譜資源讓蜂窩用戶(hù)與D2D通信用戶(hù)共同使用;另一種是專(zhuān)門(mén)給D2D通信用戶(hù)劃分一定的并且和蜂窩通信用戶(hù)所使用的資源相互正交的頻譜資源。蜂窩模式資源和D2D模式資源這兩個(gè)部分相互正交的頻譜資源被專(zhuān)用資源分配方式嚴格給區分開(kāi)來(lái)。
專(zhuān)用資源分配方式對資源這種嚴格的劃分方式將D2D通信用戶(hù)與蜂窩通信用戶(hù)之間形成的干擾給有效地消除了，但是這種情況也只是在網(wǎng)絡(luò )負載不大的時(shí)候適用，分配給對應兩種模式下用戶(hù)的資源不能被它們充分高效地利用，這種方案不僅不會(huì )提高頻譜資源的利用效率，反而會(huì )使其效率降低。
3 D2D通信流程分析
3.1 D2D通信建立方法
建立D2D通信的方法一共有兩種，依據D2D通信控制方式的差異可分為分布式控制和集中式控制。通過(guò)D2D設備依靠自身完成D2D通信連接的形成和維護的方式為分布式控制。集中式控制則是D2D通信連接完全受控于基站，基站基于來(lái)自終端的有關(guān)測量的信息由此來(lái)獲得關(guān)于通信用戶(hù)在信道質(zhì)量與位置等方面的信息，并根據這些信息的具體將資源進(jìn)行合理的分配，然而系統信令負荷同時(shí)也會(huì )由此方案而相應增加。
分布式控制與集中式控制相比，對于D2D設備之間的鏈路質(zhì)量信息，前者更加容易獲得，但是同時(shí)前者也會(huì )使D2D設備的復雜程度相應地增大。建立D2D通信需要相應的步驟和一定的約束條件，D2D終端間由于有距離的約束，所以?xún)蒁2D終端間的距離一般要在50米的范圍內，否則會(huì )使終端間的信號受到很大的影響，同時(shí)使手機電量的耗損增加，可能產(chǎn)生額外的干擾或影響。在此文中，所有的D2D用戶(hù)都假定處在同一個(gè)小區，以下為具體實(shí)現的步驟：
(1)用戶(hù)給基站發(fā)起有關(guān)會(huì )話(huà)建立的請求信號;
(2)該請求信號被基站接收，同時(shí)基站對請求信號進(jìn)行相應的判斷其是否符合條件，同時(shí)給所要反復利用資源的蜂窩用戶(hù)和D2D通信的目的端發(fā)送有關(guān)測量的信息指令及預先要分配的資源信息;
(3)依據來(lái)自基站的指示信號，D2D通信源端給蜂窩用戶(hù)端和D2D通信目的端發(fā)送相對應的測量命令并對相關(guān)數據進(jìn)行測定;
(4)每個(gè)通信終端把包含獲得測定數據的測量報告傳送給基站，基站依據所獲得的數據分配給D2D用戶(hù)相應的最終信道資源;(5)D2D通信開(kāi)始進(jìn)行數據傳輸。
3.2 D2D通信模式的優(yōu)勢
對于許多通信業(yè)務(wù)尤其是在同一個(gè)地域內或是距離很近的可靠通信中，如在某些公共場(chǎng)所內，例如機場(chǎng)、車(chē)站、商場(chǎng)等，都可以將D2D通信應用到其中。通信用戶(hù)間利用此模式可以直接開(kāi)展視頻會(huì )議、發(fā)布信息、語(yǔ)音通信、共享資料等業(yè)務(wù)，而不必要使用接入點(diǎn)或者基站作為中轉，由此可以減少網(wǎng)絡(luò )負擔和縮短傳輸的時(shí)間。與在通信中將基站或接入點(diǎn)作為中轉的蜂窩通信相比，D2D通信不但可以給蜂窩用戶(hù)提供有保證的服務(wù)需求，還可以減輕網(wǎng)絡(luò )負擔。
小區基站可以在為D2D通信提供所需服務(wù)的同時(shí)將話(huà)音業(yè)務(wù)和數據業(yè)務(wù)分享給更多的蜂窩用戶(hù)。在一些蜂窩系統還未全面覆蓋無(wú)線(xiàn)服務(wù)的基礎或者相關(guān)設施建設并不完善的地區，一部分本地通信服務(wù)也可由D2D通信技術(shù)來(lái)實(shí)現。比如在室內環(huán)境中應用D2D技術(shù)，多個(gè)用戶(hù)之間就無(wú)需通過(guò)固定網(wǎng)絡(luò )接入核心網(wǎng)而是可直接采用D2D通信技術(shù)來(lái)傳輸數據。
目前已經(jīng)研究出許多與近距離范圍內的無(wú)線(xiàn)通信相關(guān)的通信協(xié)議和技術(shù)。這其中使用最為廣泛也最為流行的技術(shù)是Wi-Fi(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù))和Bluetooth(藍牙技術(shù))，但是這兩種技術(shù)并不是完美的，也都存在著(zhù)一些不足：Wi-Fi技術(shù)容易對監聽(tīng)產(chǎn)生影響，不能確保通信質(zhì)量;藍牙技術(shù)在進(jìn)行通信之前必須通過(guò)配對，不僅適用距離非常短，而且操作步驟比較繁瑣。通過(guò)對比Wi-Fi技術(shù)和藍牙技術(shù)本身所存在的技術(shù)缺陷，D2D技術(shù)具有的優(yōu)勢如下：
(1)小區系統吞吐量和頻譜利用率通過(guò)對小區內的頻譜資源反復利用能夠得到提升;
(2)小區內的頻譜資源通過(guò)D2D通信來(lái)進(jìn)行劃分，因此其能確保提供的通信服務(wù)安全可靠且完全可控;
(3)該技術(shù)可以使移動(dòng)通信設備發(fā)射信號的功率得到減小，由此可以使終端設備的電池消耗得到下降，從而使設備使用時(shí)間得到增長(cháng);
(4)由于小區頻譜資源是由基站控制D2D通信來(lái)進(jìn)行劃分的，因此可以有效地減小來(lái)自所在小區用戶(hù)的影響，同時(shí)基站承受的網(wǎng)絡(luò )負擔也因不再需要其中繼而得到減小。3.3 D2D通信與蜂窩通信之間的干擾
當D2D通信用于傳統的蜂窩通信中，二者就會(huì )出現對信道資源的競爭問(wèn)題。如果二者之間的通信信道資源處于正交狀態(tài)，就不會(huì )產(chǎn)生相互干擾。但當它們使用的資源不正交時(shí)，相互之間就會(huì )有干擾產(chǎn)生。通常情況下，干擾主要通過(guò)功率控制和優(yōu)化資源分配方案來(lái)解決。在D2D通信中，可以通過(guò)限制D2D的最大發(fā)射功率來(lái)達到控制D2D通信對蜂窩通信干擾的目的。在蜂窩通信中則可以?xún)?yōu)化資源分配方案來(lái)減小對D2D通信造成的干擾。
當用戶(hù)的D2D鏈路建立起來(lái)以后，其上行鏈路何以和蜂窩共用，而當二者共用下行鏈路時(shí)，由于不同的通信環(huán)境和通信需求，復用上行或者下行鏈路的頻譜資源對D2D通信與蜂窩通信之間產(chǎn)生的干擾是有所不同的。當D2D和蜂窩共用下行鏈路時(shí)，D2D用戶(hù)無(wú)論在小區中所處的位置如何，其發(fā)射功率都變化不大。但是當二者共用上行鏈路時(shí)，位置對于發(fā)射功率的影響就會(huì )變得十分明顯，所以D2D用戶(hù)和基站的位置比較接近時(shí)，可以和蜂窩用戶(hù)共用下行鏈路資源，當D2D用戶(hù)和基站的位置比較遠時(shí)，二者共享上行鏈路的頻譜資源比較合理。
由于蜂窩系統很多控制信息都是由下行鏈路發(fā)送，而上行鏈路并沒(méi)有被充分利用起來(lái)。當蜂窩用戶(hù)和D2D用戶(hù)共用下行鏈路時(shí)，往往蜂窩用戶(hù)更容易受到干擾，而且蜂窩用戶(hù)通常位置不固定，分布也沒(méi)有規律，因此減小干擾難度較大。但如果復用上行鏈路資源，受到干擾的是基站，而基站的位置是固定不變的，相對來(lái)說(shuō)比較好控制干擾。鑒于以上原因，本文分析的是D2D通信與蜂窩通信中，D2D用戶(hù)復用蜂窩上行的鏈路頻譜資源產(chǎn)生的干擾。
4 結語(yǔ)
作為即將成為對目前蜂窩通信的一種完善，D2D通信技術(shù)在將來(lái)被用于提供一些未來(lái)通信服務(wù)的特別要求，如發(fā)布信息的業(yè)務(wù)、無(wú)線(xiàn)通信的業(yè)務(wù)和在近距離傳輸數據的業(yè)務(wù)等，同時(shí)為未來(lái)由于頻譜資源的緊張而引發(fā)的問(wèn)題提供解決方案。D2D通信技術(shù)作為一種新興技術(shù)，它不但能確保服務(wù)安全可靠，而且能夠使短距離的通信非�？旖�。D2D通信與WLAN、藍牙等技術(shù)相比，在允許的頻段范圍內，前者對小區用戶(hù)的影響能夠通過(guò)D2D通信控制基站對頻譜資源的劃分和基站的發(fā)射功率，從而使得其范圍能夠得到有效的控制，同時(shí)也使頻譜的利用率和小區的系統吞吐量得到有效提升。
與在小區內應用D2D通信相比，該技術(shù)的優(yōu)勢在一些基站的負載比較高、無(wú)線(xiàn)基礎設施比較少的地方，更能得到體現。但是蜂窩通信和D2D通信之間的相互影響由于兩者之間對頻譜資源共同使用因而就無(wú)法消除，D2D通信技術(shù)對小區用戶(hù)的影響能夠通過(guò)基站控制對D2D通信的資源的劃分而得到有效的控制，這種方式也顯得非常的重要，因此關(guān)于D2D技術(shù)的研究對于移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。
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