5G无线技术基础自学系列 | D2D

Posted 2022-11-23 COCOgsta

素材来源：《一本读懂5G技术》

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在现网的移动通信系统中，手机用户之间的通信都是通过基站来控制的，而且手机之间的数据发送也需要通过基站中转。凡事都需要通过基站，基站为了应对这么大数量的用户，实在是忙不过来，因为资源实在有限。虽然通过部署大量小型基站提升了系统容量，通过无线资源的复用提升了频谱资源的利用率，但是5G通信的双方不仅是人和人通信，还有大量设备和设备、机器和机器之间的通信需求，基站事无巨细，都参与其中，将是多么悲惨的事情。

就像在工作岗位上，如果两个平级同事之间的沟通事无巨细都经过主管，沟通效率低，而且占用主管精力多，如图9-55所示；如果两个同事能做到大多数事情直接沟通，少数大事经过主管，这样就能够提高沟通效率，降低主管资源的占用。事必躬亲的主管不是好主管，凡事甩锅的下属也不是好下属。

我们要想办法减少基站的工作负荷，好钢要用在刀刃上，让基站有限的无线资源用在要求苛刻的应用上。一些近距离的、点对点的通信尽量少占用基站资源。让基站不必“事必躬亲”，让终端不能“凡事甩锅”。

我们想到已经有通过蓝牙或者红外线进行数据交互的应用，比如共享单车开锁，通过遥控器控制电视，苹果手机之间直接进行数据传送等。但这些应用通信距离短，传输速率低，不能满足5G万物互联，高速数据传输的需求。

D2D（Device-to-Device，设备到设备）技术是指移动网络中相邻设备之间直接交换数据信息的技术。一旦设备和设备之间的直接通信链路建立起来，传输数据就无须基站设备的干预。这样可降低移动通信系统基站和核心网的压力，提升频谱利用率和吞吐量。D2D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数据的交互不需要基站的中转，如图9-56所示。

图9-55 同事之间的沟通

图9-56 蜂窝通信与D2D通信

D2D通信中的“D”（设备）既可以是人与人通信用的手机，也可以是物联网海量连接的设备或者是工业物联网中的机器，如图9-57所示。

图9-57 D2D通信的设备

9.6.1 D2D通信方式

按照蜂窝网络中基站参与设备通信的程度不同，D2D通信分成3种方式：蜂窝网络控制下的D2D通信、蜂窝网络辅助控制下的D2D通信、不受蜂窝网络控制的D2D通信。如表9-4所示。

表9-4 D2D通信的三种方式

（1）蜂窝网络控制下的D2D通信

这种方式的D2D通信是指，蜂窝网络下，从设备的发现、会话的建立到通信资源的分配都严格在基站的管控下完成。

一般的通信过程如下。首先，有D2D功能的设备向基站发送“发现信号，请求配对”的信息；然后，基站通过控制信令指示目标D2D设备接收配对控制信令；D2D设备之间通过IP检测的方法或者D2D设备专用信令建立连接，形成D2D设备对。最后基站为D2D设备分配无线信道资源，被分配的信道资源通常是复用蜂窝网络的资源。基站通过信令控制D2D设备的发射功率，也可以配置D2D设备能够复用哪些蜂窝网的信道资源，从而降低D2D设备对蜂窝通信设备的干扰。如图9-58所示。

（2）蜂窝网络辅助控制下的D2D通信

这种方式的D2D通信，基站只在开始阶段参与设备的发现和会话建立，引导设备双方建立连接，至于后续D2D设备信道资源的分配，基站不再插手，由D2D设备按照内置的资源分配算法自行选择信道资源。这种方式和蜂窝网络完全控制的组网方式相比，D2D设备的复杂度低，但信道资源D2D设备自行分配，会导致对蜂窝网络通信干扰的增加，对蜂窝网用户的通信质量有所影响。如图9-59所示。

图9-58 蜂窝网络控制下的D2D通信

图9-59 蜂窝网络辅助控制下的D2D通信

（3）不受蜂窝网络控制的D2D通信

这种方式适用于没有蜂窝网络覆盖或者蜂窝网络瘫痪的情况。这时，D2D通信的设备发现、会话建立及资源分配都由D2D设备自行完成，完全不需要基站的参与。这种方式D2D设备的复杂度最高。为了能和基站取得联系，D2D设备需要具备自动转发消息的功能，可以充当中继节点的角色。没有蜂窝网信号的D2D设备，可以通过中间D2D设备的消息转发，和远方的基站取得联系，从而通过多跳的方式接入蜂窝网。如图9-60所示。

图9-60 不受蜂窝网络控制的D2D通信

9.6.2 D2D技术特点

D2D通信是指两个对等的设备节点之间直接进行数据转发的一种通信方式。在D2D通信设备组成的分布式网络中，每个设备节点都可以发送和接收信号，并具有自动路由和自动转发数据的功能，可以作为中继节点，在无蜂窝网络覆盖的情况下作为无线信号的跳板。每个设备节点为了组网可以共享自身拥有的一部分软硬件资源，包括信息处理、存储以及网络连接能力等。一个设备节点同时扮演服务器和客户端的角色，设备能够意识到其他节点的存在，自组织地构成一个网络。

在D2D通信之前应用比较广泛的设备之间短距离通信的技术是蓝牙。D2D通信与蓝牙技术相比，有一定的优势。

蓝牙的工作频段是2.4GHz，覆盖范围只有10m左右，数据传输速率很低，通常小于1Mbit/s。而D2D设备使用的频段是运营商授权的频段，干扰可控，直接通信的距离可达100m，信号质量更高，数据速率更大，能够满足5G大带宽、大连接和低时延的要求。

蓝牙设备需要用户手动配置网络，而D2D设备可以通过终端设备自动智能识别网络和目标对象，无须手工配置。

D2D设备既可以在蜂窝网络的控制下连接和分配无线资源，也可以在无蜂窝网络信号的场景下自动组网。近距离的设备直接通信，可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，提高无线资源利用效率。而蓝牙技术往往仅适用于点对点短距离通信，应用场景受限，对蜂窝网的组网性能没有直接影响。

从以上描述可以得出，D2D通信的关键技术有三个：资源分配、功率控制、干扰协调。

（1）资源分配

D2D通信资源分配的方式包括蜂窝模式、专用资源模式和复用模式。蜂窝模式就是D2D设备的信道使用的是蜂窝小区的剩余时频资源；专用资源模式是指D2D设备的信道使用的是专用的时频资源，和蜂窝网的时频资源没有关系；复用模式是指D2D设备的信道复用上行或下行的时频资源。

（2）功率控制

静态功率控制是指D2D设备的发射功率在一定时间内恒定不变。静态功率控制不能反映信道环境的实时变化。

动态功率控制是指D2D设备的发射功率根据信道环境和用户位置的变化进行动态调整。D2D设备在无线环境剧烈变换的场景使用动态功率控制，可以大幅提升D2D设备之间的通信质量，有效控制干扰。

（3）干扰协调

D2D设备在蜂窝模式和专用资源模式下，各通信链路分配正交资源，设备可采用最大功率实现最佳性能，不必考虑干扰。

复用蜂窝链路资源会引入新的干扰，包括D2D链路对蜂窝通信的干扰和蜂窝链路对D2D通信的干扰。在复用模式下，可分为复用上行资源和下行资源，两种情形的干扰源和“受害者”有所不同。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。

9.6.3 D2D技术的应用

D2D技术成为5G的关键技术，已经超越了刚开始时的应用局限性，可以满足多种5G新兴应用的需求，如广告推送、应急通信、车载D2D、智能家居等。

（1）广告推送

本地商家可以利用D2D技术向潜在的顾客推送商品打折信息、影院新片预告。如图9-61所示。

图9-61 D2D广告推送

（2）应急通信

在地震、海啸等自然灾害之后，通信设施被破坏，用户所在地没有蜂窝网络的信号，可以通过一跳或多跳D2D通信连接到有蜂窝网络信号的设备上，从而接入无线网络，取得与外界的联系。如图9-62所示。

图9-62 D2D用于应急通信

（3）车载D2D

汽车和多数的物联网设备不一样，它没有耗电限制，而且活动范围大。如果每个汽车顶部装配上天线，利用D2D技术可以作为运营商的移动微基站，既可以提升车内用户移动应用的体验，又可以实时传递车对车、车对人、车对基础设施等多跳信号，辅助自动驾驶的实现。如图9-63所示。

图9-63 车载D2D

（4）智能家居

家中有很多智能用电设备，通过D2D通信，直接进行数据交换，可以降低对蜂窝网对室内的覆盖要求，如图9-64所示。比如家中的空气温度计检测到温度超过26°，通过D2D链路自动给空调发了一个启动命令；家中的空气质量监控装置检测到室内空气恶化，通过D2D链路自动启动空气净化器。

图9-64 D2D智能家居