D2D通訊是什麼？

一．誕生背景：

蜂窩通訊經歷了從第1代以話音業務為代表的模擬式行動電話系統，到正大規模商用的第4代（4G）以移動資料、移動計算及移動多媒體為代表的無線寬頻系統的持續演進。在傳統蜂窩網路中，通訊被分為了上行和下行兩個鏈路，使用者之間的直接通訊是不被允許的，這種集中式的工作方式便於管理資源、控制干擾，但其對頻譜資源的利用效率低。隨著智慧終端的快速普及以及網路通訊容量的爆炸式增長，面向5G的無線通訊技術的演進需求也更加明確及迫切，開始受到業界極大關注。

在面向5G的無線通訊技術的演進中，一方面，需要持續提升傳統的無線通訊效能指標，比如網路容量、頻譜效率等，以進一步提高有限且日益緊張的無線頻譜利用率；另一方面，更豐富的通訊模式將帶來終端使用者體驗的提升，蜂窩通訊的應用也將被擴充。

作為面向5G的關鍵候選技術，裝置到裝置通訊（Device-to-Device，D2D）具有潛在的提高系統效能、提升使用者體驗、擴充套件蜂窩通訊應用的前景，受到廣泛關注。2008年高通公司首次提出了D2D通訊技術，而華為、愛立信、富士通、中興等通訊行業巨頭也紛紛開展了相關的研究，現已有大量相關專利得到了授權。

二．原理概述：

與物聯網中的M2M(Machine to Machine)概念類似，D2D旨在使一定距離範圍內的使用者通訊裝置直接通訊，以降低對服務基站的負荷。在D2D技術出現之前，已有類似的通訊技術出現，如藍芽(短距離時分雙工通訊)，Wi-Fi Direct(更快的傳輸速度和更遠的傳輸距離)和高通提出的Flash LinQ技術(極大地提高了Wi-Fi的傳輸距離)。後面兩種技術由於各種原因都沒能大範圍商用，而3GPP組織致力研究的D2D技術會在一定程度上彌補點對點通訊的短板。相對於其它不依靠基礎網路設施的直通技術而言，D2D更加靈活，既可以在基站控制下進行連線及資源分配，也可以在無網路基礎設施的時候進行資訊互動。

D2D通訊與藍芽、無線區域網(WLAN)等基於ISM頻段的短距離通訊技術的最大區別是它使用電信運營商的授權頻段，其干擾環境是可控的，資料傳輸具有更高的可靠性。此外，藍芽需要使用者手動匹配才能實現通訊，WLAN在通訊之前需要對接入點（AP）進行使用者自定義設定，而D2D通訊無需上述過程，提供了更好的使用者體驗。此外，D2D還可以滿足人與人之間大量的資訊互動，且傳輸速度更快，相比於免費的Wi-FiDirect卻有更好的OoS保證。

D2D通訊與傳統的蜂窩通訊網路架構有顯著區別，如圖1所示

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假設一個通用的蜂窩網路，小區中央配有一個全向天線的基站，該網路利用OFDM技術，將頻譜資源分為一系列相互正交的子載波分配給不同的使用者，利用正交資源的使用者之間不會產生干擾。

網路中使用者分為2類：1）傳統蜂窩使用者，它們之間通過基站通訊：2）D2D使用者，彼此之間直接通訊，也可進行蜂窩通訊，並且能夠實現2種通訊模式的切換。如圖2所示.使用者1和使用者2以蜂窩模式通訊，使用者3和使用者4以D2D模式通訊。

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D2D通訊分為集中式控制和分散式控制。集中式控制由基站控制D2D連線，基站通過終端上報的測量資訊，獲得所有鏈路資訊，但該型別會增加信令負荷；分散式控制則由D2D裝置自主完成D2D鏈路的建立和維持，相比集中式控制，分散式控制更容易獲取D2D裝置之間的鏈路資訊，但會增加D2D裝置的複雜度。集中式控制既可以發揮D2D通訊的優勢，又便於對資源的管理和控制。如圖2所示，使用者3，使用者4以D2D鏈路進行資料交換，並受基站的的控制。

三．技術需求

針對前述應用場景，涉及接入側的5G網路D2D的潛在技術需求包括如下方面：

　　● D2D發現技術，實現鄰近D2D終端的檢測及識別。對於多跳D2D網路，需要與路由技術結合考慮；同時考慮滿足5G特定場景的需求如超密集網路中的高效發現技術、車聯網場景中的超低時延需求等。

　　● D2D同步技術。一些特定場景如覆蓋外場景或者多跳D2D網路會對保持系統的同步特性帶來比較大的挑戰。

　　● 無線資源管理。5G D2D可能會包括廣播、組播、單播等各種通訊模式，以及多跳、中繼等應用場景，因此排程及無線資源管理問題相對於傳統蜂窩網路會有較大不同，也會更復雜。

　　● 功率控制和干擾協調。相比傳統的Peer-to-Peer（P2P）技術，基於蜂窩網路的D2D通訊的一個主要優勢在於干擾可控。不過，蜂窩網路中的D2D技術勢必會對蜂窩通訊帶來額外干擾。並且，在5G網路D2D中，考慮到多跳、非授權LTE頻段（LTE-U）的應用、高頻通訊等特性，功率控制及干擾協調問題的研究會非常關鍵。

● 通訊模式切換。包括D2D模式與蜂窩模式的切換、基於蜂窩網路D2D與其他P2P（如WLAN）通訊模式的切換、授權頻譜D2D通訊與LTE-U D2D通訊的切換等。先進的模式切換能夠最大化無線通訊系統的效能。

四．D2D通訊的優勢

　　● 提高頻譜效率

　　在D2D通訊模式下，使用者資料直接在終端之間傳輸，避免了蜂窩通訊中使用者資料經過網路中轉傳輸，由此產生鏈路增益；其次，D2D使用者之間以及D2D與蜂窩之間的資源可以複用，由此可產生資源複用增益；通過鏈路增益和資源複用增益則可提高無線頻譜資源的效率，進而提高網路吞吐量。

　　● 提升使用者體驗

　　隨著行動通訊服務和技術的發展，具有鄰近特性的使用者間近距離的資料共享、小範圍的社交和商業活動以及面向本地特定使用者的特定業務，都在成為當前及下階段無線平臺中一個不可忽視的增長點。基於鄰近使用者感知的D2D技術的引入，有望提升上述業務模式下的使用者體驗。

　　● 擴充套件通訊應用

傳統無線通訊網路對通訊基礎設施的要求較高，核心網設施或接入網裝置的損壞都可能導致通訊系統的癱瘓。D2D通訊的引入使得蜂窩通訊終端建立Ad Hoc網路成為可能。當無線通訊基礎設施損壞，或者在無線網路的覆蓋盲區，終端可藉助D2D實現端到端通訊甚至接入蜂窩網路，無線通訊的應用場景得到進一步的擴充套件。

五．D2D通訊的應用

結合當前無線通訊的發展趨勢，5G網路中可考慮的D2D通訊的主要應用場景包括如下方面。

1.本地業務

　　本地業務（local service）一般可以理解為使用者面的業務資料不經過網路側（如核心網）而直接在本地傳輸。

　　本地業務的一個典型用例是社交應用，基於鄰近特性的社交應用可看作D2D技術最基本的應用場景之一。例如，使用者通過D2D的發現功能尋找鄰近區域的感興趣使用者；通過D2D通訊功能，可以進行鄰近使用者之間資料的傳輸，如內容分享、互動遊戲等。

　　本地業務的另一個基礎的應用場景是本地資料傳輸。本地資料傳輸利用D2D的鄰近特性及資料直通特性，在節省頻譜資源的同時擴充套件行動通訊應用場景，為運營商帶來新的業務增長點。例如，基於鄰近特性的本地廣告服務可以精確定位目標使用者，使得廣告效益最大化：進入商場或位於商戶附近的使用者，即可接收到商戶傳送的商品廣告、打折促銷等資訊；電影院可向位於其附近的使用者推送影院排片計劃、新片預告等資訊。

　　本地業務的另一個應用是蜂窩網路流量解除安裝（offloading）。在高清視訊等媒體業務日益普及的情況下，其大流量特性也給運營商核心網和頻譜資源帶來巨大壓力。基於D2D的本地媒體業務利用D2D通訊的本地特性，節省運營商的核心網及頻譜資源。例如，在熱點區域，運營商或內容提供商可以部署媒體伺服器，時下熱門媒體業務可儲存在媒體伺服器中，而媒體伺服器則以D2D模式向有業務需求的使用者提供媒體業務。或者，使用者可藉助D2D從鄰近的已獲得媒體業務的使用者終端處獲得該媒體內容，以此緩解運營商蜂窩網路的下行傳輸壓力。另外，近距離使用者之間的蜂窩通訊也可以切換到D2D通訊模式以實現對蜂窩網路流量的解除安裝。

2.應急通訊

　　當極端的自然災害如地震發生時，傳統通訊網路基礎設施往往也會受損，甚至發生網路癱瘓，給救援工作帶來很大障礙。D2D通訊的引入有可能解決這個問題。如通訊網路基礎設施被破壞，終端之間仍然能夠基於D2D連線建立無線通訊網路，即基於多跳D2D組建Ad Hoc網路，保證終端之間無線通訊的暢通，為災難救援提供保障。另外，受地形、建築物等因素的影響，無線通訊網路往往會存在盲點。通過一跳或多跳D2D，位於覆蓋盲區的使用者可以連線到位於網路覆蓋內的使用者終端，藉助該使用者終端連線到無線通訊網路。

3.物聯網增強

　　行動通訊的發展目標之一，是建立一個包括各型別終端的廣泛的互聯互通網路，這也是當前在蜂窩通訊框架內發展物聯網的出發點之一。根據業界預測，在2020年時，全球範圍內將會存在大約500億部蜂窩接入終端，而其中的大部分將是具有物聯網特徵的機器通訊終端。如果D2D技術與物聯網結合，則有可能產生真正意義上的互聯互通無線通訊網路。

　　針對物聯網增強的D2D通訊的典型場景之一是車聯網中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通訊。例如，在高速行車時，車輛的變道、減速等操作動作，可通過D2D通訊的方式發出預警，車輛周圍的其他車輛基於接收到的預警對駕駛員提出警示，甚至緊急情況下對車輛進行自主操控，以縮短行車中面臨緊急狀況時駕駛員的反應時間，降低交通事故發生率。另外，通過D2D發現技術，車輛可更可靠地發現和識別其附近的特定車輛，比如經過路口時的具有潛在危險的車輛、具有特定性質的需要特別關注的車輛（如載有危險品的車輛、校車）等。
基於終端直通的D2D由於在通訊時延、鄰近發現等方面的特性，使得其應用於車聯網車輛安全領域具有先天優勢。

　　在萬物互聯的5G網路中，由於存在大量的物聯網通訊終端，網路的接入負荷成為嚴峻問題之一。基於D2D的網路接入有望解決這個問題。比如在巨量終端場景中，大量存在的低成本終端不是直接接入基站，而是通過D2D方式接入鄰近的特殊終端，通過該特殊終端建立與蜂窩網路的連線。如果多個特殊終端在空間上具有一定隔離度，則用於低成本終端接入的無線資源可以在多個特殊終端間重用，不但緩解基站的接入壓力，而且能夠提高頻譜效率。並且，相比於目前4G網路中小小區（Small Cell）架構，這種基於D2D的接入方式更靈活且成本更低。

　　比如在智慧家居應用中，可以由一臺智慧終端充當特殊終端；具有無線通訊能力的家居設施如家電等均以D2D方式接入該智慧終端，而該智慧終端則以傳統蜂窩通訊的方式接入基站。基於蜂窩網路的D2D通訊的實現，有可能為智慧家居行業的產業化發展帶來實質突破。

4.其他場景

　　5G D2D應用還包括多使用者MIMO增強、協作中繼、虛擬MIMO等潛在場景。比如，傳統多使用者MIMO技術中，基站基於終端各自的通道反饋，確定預編碼權值以構造零陷，消除多使用者之間的干擾。引入D2D後，配對的多使用者之間可以直接互動通道狀態資訊，使得終端能夠向基站反饋聯合的通道狀態資訊，提高多使用者MIMO的效能。

　　另外，D2D可協助解決新的無線通訊場景的問題及需求。比如在室內定位領域。當終端位於室內時，通常無法獲得衛星訊號，因此傳統基於衛星定位的方式將無法工作。基於D2D的室內定位可以通過預部署的已知位置資訊的終端或者位於室外的普通已定位終端確定待定位終端的位置，通過較低的成本實現5G網路中對室內定位的支援。

隨著終端數量的持續超線性增長及業務需求日益多樣化，可以預見D2D在5G時代將會扮演非常重要的角色，為實現建立真正意義上廣泛互聯互通行動網路的無線通訊發展願景提供重要支撐。