蜂窝网络中的设备到设备通信：特征，技术和应用场景

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 4（2018）203www.elsevier.com/locate/icte蜂窝网络中的设备到设备通信的概述Udit Narayana Kar，Debarshi Kumar Sanyal计算机工程学院，KIIT大学，Bhubaneswar-751024，印度接收日期：2017年5月10日;接受日期：2017年2017年10月9日在线发布摘要设备到设备（D2D）通信预计将在即将到来的蜂窝网络中发挥重要作用，因为它承诺用户之间的通信的超低延迟。该新模式可以在许可或未许可频谱中操作。它是对传统蜂窝通信模式的新补充。然而，它的好处伴随着许多技术和商业问题，这些问题必须在将其集成到蜂窝生态系统之前解决本文讨论了D2D通信的主要特征，包括其使用场景、体系结构、技术特征和活跃的研究领域。c2017年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B.V.的出版服务。这是一个开放获取CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：设备到设备通信;蜂窝网络; 5G;资源管理; LTE直连内容1.导言. 2042.使用案例2042.1.本地数据服务2.1.1.信息共享2042.1.2.数据和计算卸载2042.2.覆盖范围扩展2042.3.机器对机器（M2M）通信2053.架构2053.1.频谱分配2053.1.1.带内D2D通信2053.1.2.带外D2D通信2053.2.LTE-Advanced205中的D2 D通信3.3.单跳和多跳网络2064.挑战和正在进行的研究4.1.同步2064.2.对等体发现2064.3.模式选择2064.4.资源分配2064.5.干扰管理2074.6.具有移动性的D2D2074.7.价格2074.8.安全207*通讯作者。电子邮件地址：uditnarayankar@gmail.com（联合国）Kar），debarshisanyal@gmail.com，debarshi. kiit.ac.in（D.K.Sanyal）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所负责。https://doi.org/10.1016/j.icte.2017.08.0022405-9595/c2017韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。204联合国Kar，D.K.Sanyal/ICT Express 4（2018）203−−5.D2D通信和5G网络2076.结论208参考文献2081. 介绍蜂窝网络现在已经有四代了。需要 快速的多媒体丰富数据交换以及高质量的语音呼叫已经成为这一前进过程中的主要动机。随着更新和要求更高的应用程序的出现以及用户群呈指数级增长，迫切需要更新颖的技术来提高数据速率并减少延迟。D2D通信是蜂窝网络中的新范例[1]。它允许非常接近的用户设备（UE）使用直接链路进行通信，而不是使它们的无线电信号一直通过基站（BS）或核心网络传播。它的主要好处之一是由于较短的信号遍历路径而导致的通信中的超低延迟。可以使用各种短距离无线技术，如蓝牙、WiFi直连和LTE直连（由第三代合作伙伴计划（3GPP）[2它们主要在数据速率、1跳设备之间的距离、设备发现机制和典型应用方面有所不同。例如，蓝牙5支持50 Mbps的最大数据速率和接近240 m的范围，WiFi Direct允许高达250 Mbps的速率和200 m的范围，而LTE Direct提供高达13.5 Mbps的速率和500 m的范围 [3]。D2D连接将使运营商在从核心网络卸载流量方面更加灵活，提高频谱效率并降低每比特的能量和成本。图1示出了蜂窝通信和D2D通信如何起作用。直到最近，D2D通信对于蜂窝网络提供商来说似乎在经济上不可行。但当前上下文感知和位置发现服务的蓬勃发展正在迅速改变这种情况[4]。读者可以在[5]中找到关于D2D通信的权威调查和原始研究的列表。我们不打算在这里进行另一项调查，而只是提供该领域的高级教程式概述2. 用例使用D2D通信，可以在短距离内的移动设备之间快速传输大量数据。我们在下面提到其中D2D通信是有效技术的一些更常见的场景。2.1. 本地数据服务D2D通信可以通过单播、组播和广播传输非常有效地支持本地数据服务。示例应用包括以下。图1.一、 蜂窝通信和D2D通信。示出了由D2D链路形成的单跳2.1.1. 信息共享UE可以利用D2D链路以比传统蜂窝信道中的那些更高的数据速率和更低的能量来传输文件、音频和视频。它们通过形成集群和集群内的组播数据来促进流媒体服务，如Google Chromecast、IPTV等。它们还有助于其他邻近服务，如公共安全。D2D链路可以在所有BS都瘫痪的受灾地区不受阻碍地运行。2.1.2. 数据和计算卸载具有良好互联网连接的设备可以充当热点，数据从BS卸载/缓存到该热点，并且其他设备可以使用D2 D链路从该热点下载数据。具有差的处理能力或低能量预算的UE还可以使用D2D链路将计算繁重的任务卸载到附近更有能力的UE。大量的研究已经进入卸载技术的设计[6]。2.2. 覆盖扩展UEX（例如，在小区边缘或在受灾区域）在连接到BS时可能遇到差的信号质量。然而，具有到BS的更好链路的靠近它的UE Y可以充当它的中继。因此，D2D链路X Y之后是蜂窝链路Y BS，其将X连接到BS。图1，UE6充当BS与UE9之间的中继。中继用于扩展蜂窝服务的覆盖范围并实现多跳联合国Kar，D.K.Sanyal/ICT Express 4（2018）203205通信另一种在接收端增强信号强度的方法是通过多条并行路径中继，每条路径都由协作设备组成这些技术通常被称为协作分集技术。研究人员已经提出了两层蜂窝架构来支持这些应用：包括BS到设备通信的宏小区层和包括D2D通信的设备层[4]。2.3. 机器对机器（M2M）通信M2M通信是用于物联网（IoT）的使能技术它涉及从嵌入式低功耗设备到强大的富计算设备的设备之间的自主连接和D2D连接可用于在物联网中建立M2M通信，因为它们提供超低延迟，因此提供实时响应[7]。一个特定的应用是车辆到车辆（V2V）通信，其中D2D链路可以用于在相邻车辆之间快速共享信息并有效地卸载业务。它们还可以用于车辆到基础设施和车辆到行人的通信。3. 架构3.1. 频谱分配在频谱使用方面，D2D通信主要分为两种类型。他们是内带和外带[1]。3.1.1. 带内D2D通信这里，蜂窝通信和D2D通信使用许可给蜂窝运营商的相同频谱。可以将增强的频谱划分为分别用于D2D和蜂窝通信的非重叠部分（重叠），或者可以根本不划分（重叠）。覆盖方案更容易实现，但覆盖方案导致机会主义，因此，更有效的频谱使用和更多的利润运营商。3.1.2. 带外D2D通信这 里 ，D2D 通 信 使 用 未 许 可 频 谱 （ 例 如 ， 免 费 的2.4GHz ISM频带或38GHz毫米波频带），其中不发生蜂窝通信。它有助于消除D2D和蜂窝用户之间的干扰，尽管来自在该频带中操作的其他电子设备（如蓝牙和WiFi）的干扰仍然存在。事实上，运营商可以在使用授权频谱时控制干扰，但这对于带外方案是不可行的。带外技术进一步分为受控和自主类型。在前者中，用于D2D通信的无线电接口由蜂窝网络控制，而在后者中，蜂窝网络仅控制蜂窝通信，将D2D通信的控制留给用户。图二. 3GPP Rel. 12个。3.2. LTE-Advanced中的D2 D通信3GPP发布版本LTE-Advanced标准的第12部分规定了基于邻近的服务（ProSe）的一般概念，其允许物理上接近的设备发现它们自己并经由直接链路进行通信[8]。ProSe意味着公共安全通信以及商业应用，尽管Rel.第12章只为公众安全D2D发现和D2D通信被定义为对ProSe的支持。它也被称为LTE Direct，因为它支持使用授权频谱的UE与全球LTE生态系统之间的直接通信。考虑D2D通信的三种场景：（1）D2D通信中涉及的所有UE都在网络覆盖范围内，（2）D2D通信中的UE中只有一些在网络覆盖范围内，以及（3）D2D通信中没有UE在网络覆盖范围内。图2中示出了基于ProSe参考架构（非漫游情况）的用于D2D 通 信 的 高 度 简 化 的 模 型 。 连 接 到 演 进 分 组 核 心（EPC）的BS或eNB（在3GPP中被称为eNB）可以使用蜂窝通信直接与UE通信。另外，UE可以经由直接D2D链路进行通信。在信道结构方面，两个UE之间的直接链路被称为侧链路，其可以通过频分双工或时分双工来操作UE在上电时首先与eNB或其他UE同步为此，在3GPP Rel. 12.回到Fig.中的架构。 在图2中，各种ProSe应用（APP）可以安装在UE中，并且它们可以与远程ProSe APP服务器中的ProSe APP交换数据。当UE想要206联合国Kar，D.K.Sanyal/ICT Express 4（2018）203−在与其对端UE通信时，其中的ProSe APP向服务器请求其自身和其目标对端的表达码。或者，UE可以从eNB中的邻近功能获得表达式代码。在检索到表达式代码之后，UE通过通告其自己的表达式代码或询问目标UE（由检索到的表达式代码标识）是否存在来发起发现过程在设备发现之后，UE可以直接通信。在用于D2D信号和数据传输的空中接口方面，资源由eNB或由UE从预配置的资源池中随机分配D2D通信使用层1中的开环通信发生，即，D2D接收机不向D2D发射机发送任何反馈（包括信道状态信息和反馈）[8]。3.3. 单跳和多跳网络通常，D2D链路将发送器UE与其预期的接收器UE连接，从而导致单跳通信。还可以具有由D2D链路组成的多跳网络在多跳D2D网络中，中间UE充当BS与UE之间或两个UE之间的中继（参考图1）。第一场景的变型可以是UE的协作集群，其中BS向集群头发送数据项，集群头然后将其组播到集群中的其他UE（可能利用网络编码来提高吞吐量）。3GPP发布版本13使能UE到网络中继，而3GPP Rel. 14增加了对车辆通信的支持（即，高速度和高节点密度）。4. 挑战和正在进行的研究我们现在将讨论无线网络中的D2D通信的各种技术方面和相应的挑战。4.1. 同步在典型的蜂窝网络中，UE使用来自BS的周期性广播来实现时间和频率同步D2D通信中的设备也可以与相同的广播同步，只要它们属于相同的BS。在以下情况下，情况变得复杂：（1）UE位于可能自身不同步的不同BS，或者（2）一些UE在网络的覆盖范围内，而一些UE在覆盖范围外，以及（3）所有UE都位于网络覆盖范围外 [9]。UE之间的同步对于D2D通信是有益的注意，D2 D通信可能不需要网络中的所有UE之间的全局同步;相反，相邻设备之间的本地同步就足够了。尽管可以采用针对MANNET和无线传感器网络提出的同步协议，但是D2D通信通常需要更准确的同步，并且还允许同步。在UE中使用更复杂的算法（在计算和功率预算方面），这与资源受限的传感器中的情况研究人员已经提出了一些用于D2D通信中的同步的物理层[9]和MAC层方案[10]4.2. 对等点发现考虑到D2D网络的需求，应该有一种有效的方法来发现对等点。这意味着UE应该能够快速地并且以低功耗发现附近的其他UE。从用户的角度来看，有两种类型的对等点发现技术，限制和开放[11]。在第一种情况下，终端用户在没有其权限的情况下无法发现设备。在第二种情况下，只要设备位于其他用户附近，就可以发现它们。从网络的角度来看，对等点发现可以由BS轻微或严格控制[11]。在多小区网络中，很难从相邻BS获得合作，使得对等点发现成为一项具有挑战性的工作[12]。基于激励的计划（即，博弈论框架）可以作为可能的解决方案进行研究。4.3. 模式选择已经发现自己的一对UE是D2D通信的潜在候选者。但是在性能方面，如果例如直接信道噪声更大，则蜂窝通信可能更优选模式选择涉及为两个UE之间的通信选择正确的模式（模式选择可以由网络或UE完成。 为了公式化模式选择问题，可以将决策变量与每个UE相关联，其捕获所选择的模式，然后添加各种目标和约束。一个简单的目标可以是所选模式的信道增益应该高于其他可能模式的信道也可以使用更复杂的目标，如最优频谱重用、约束可以是接收机处的最小QoS、最大发射功率等。因此，模式选择通常与功率控制耦合。可以使用瞬时系统信息（在实践中可能难以获得）来进行分析或统计系统信息，导致分别在给定时刻最优或在较长持续时间内平均意义上最优的决策[13]。4.4. 资源分配无线电资源（例如，子载波）分配是在蜂窝网络中创建和维护D2D对之间的直接链路的重要步骤（尤其是在带内模式中）。在[14]中提出了一种简单但通用的资源分配框架，用于带内多小区架构：在覆盖中，上行链路频谱被划分为两个正交部分，其中分数η被分配给D2D通信，而1在蜂窝通信中，频谱被划分为B频带和D2D频带。联合国Kar，D.K.Sanyal/ICT Express 4（2018）203207∈UE可以随机且独立地访问它们中的βB（β[0，1]）。通过假设UE根据随机空间泊松点过程分布并且模式选择基于UE距其预期接收机的距离，然后优化某个性能目标（如蜂窝和潜在D2D用户实现的速率的联合函数）来计算η和β的最优值。通过改变优化目标和增加各种约束条件，可以设计出不同的资源分配方案。4.5. 干扰管理在带内通信中，蜂窝链路和D2D链路可以基于它们如何在带外通信中，D2D链路遭受来自彼此以及来自在相同频带中操作的其他设备的干扰[15]。如果UE以较低的功率电平发送，则可以减少干扰，然而，这可能影响接收机处的QoS。因此，干扰感知资源管理是一个复杂的优化问题。通常，它被转换为服从最大发射功率和最小QoS约束的加权和速率最大化问题，或者被转换为服从最小QoS约束的发射功率最小化问题[16]。除了干扰抑制之外，功率控制还导致能量高效操作，这是下一代无线网络的目标之一。仔细调度传输也有助于最小化干扰。合适的调制和编码方案（基于信道质量自适应地选择）和混合自动重传请求（其是自动重传请求和前向纠错的组合）增加了所发送信号对噪声的鲁棒性。模式选择、资源分配和干扰最小化密切相关，并且通常联合优化。对于这三类问题，已经提出了几种集中式、分布式和混合算法，但研究仍处于活跃状态[16]。4.6. 具有移动性的大多数D2D相关的研究都集中在静态用户上，而蜂窝网络基本上迎合了移动用户。 需要更多的分析来理解性能增益如何在动态场景（从行人到车辆速度）中增加，以及当UE在小区内和跨小区移动时需要什么干扰处理和切换机制[17]。多跳D2D通信也提出了许多挑战[18]。4.7. 定价这是蜂窝运营商面临的最紧迫的问题之一。困难的问题是如何控制设备之间的直接连接以及如何向用户收费在[4]中解释了各种定价例如，运营商可以使用UE作为其他用户的中继，并且可以向中继UE提供财务激励[4]。运营商还可以在D2D通信期间提供收费服务，如安全性[4]。其他经济在D2D通信的上下文中的模型包括集群中的D2D UE可以如何购买或出售数据项[19]、蜂窝用户可以如何将其带宽出售给D2D UE [20]以及具有D2D能力的UE对可以如何将其蜂窝资源拍卖给其他等待的蜂窝用户并且它们自己选择D2D通信[21]。4.8. 安全与常规蜂窝通信相比，D2D通信提供更强的匿名性和数据隐私，因为数据不存储在中心位置。然而，诸如窃听、拒绝服务、中间人、节点冒充、IP欺骗、恶意软件攻击等的各种常见攻击可以使D2D链路瘫痪。用户还希望保护他们的隐私，例如，限制其敏感个人数据的可用性。同样，缺乏中央权力机构也使安全和隐私措施难以实施。[3]中的作者在三维空间中建模威胁：(1)攻击者是内部的还是外部的，（2）攻击者是否活跃（例如，它修改传输中数据）或被动（例如，它只窥探数据），以及（3）攻击是本地的还是跨网络扩展的。在[3，22]中回顾了保护D2D网络的几个提议5. D2D通信和5G网络预计即将到来的5G网络将支持聚合数据速率（即，该网络可以服务的数据总量（以比特/秒/面积衡量）是当前4G网络的1000倍[23]。频谱效率（每Hz传输的比特数）和能量效率（每焦耳的比特数）应该比4G网络高10倍，移动用户的数据速率应该是几Gbps，端到端时延大约为1ms。包括异构网络（HetNet）（即，使用各种无线电接入技术、多回程技术和小区的层次结构-宏、微微、毫微微），大规模MIMO（即，在BS处的大型天线阵列以同时服务于许多用户）、认知无线电网络（CRN）（其中次级用户机会性地使用初级用户最后一个在5G中至关重要，尽管实施方面存在挑战[4]。5G中的毫米波频谱可以用于在UE之间形成短程D2D链路。由于毫米波遭受低多用户干扰，因此许多毫米波D2D链路可以同时操作，从而提高网络容量。CRN中的次用户还可以使用D2D通信来避免对主用户的干扰。D2D通信在提高频谱效率和数据速率方面补充了HetNet和支持MIMO的BS。此外，嵌入在UE中的MIMO天线将通过利用分集和复用增益来增加噪声弹性和系统容量具有MIMO功能的设备的基于D2D的中继也可以显著提高系统容量[1]。208联合国Kar，D.K.Sanyal/ICT Express 4（2018）2036. 结论我们已经简要概述了D2D通信的用例、架构和主要技术。在执行方面面临挑战。我们还看到，D2D通信可以在实现5G无线网络的宏伟目标方面发挥关键作用。采用D2D通信的初步系统已经开始到来。更多的开发和行业标准正在酝酿之中。引用[1] A.阿萨迪角Wang，V.Mancuso，蜂窝网络中设备到设备通信的调查，IEEE Commun.监视器家教16（4）（2014）1801-1819.[2] 3GPP ，第三代合作伙伴计 划（3GPP ）。可用：http ：//www.3gpp。org/（2017年9月18日查阅）。[3] M.豪斯，M.瓦卡斯丁氏Y. Li，S. Tarkoma，J. Ott，安全andprivacy in device-to-device （ D2D ） communication ： a review ，IEEECommun.监视器家教19（2）（2017）1054-1079。[4] M.N. 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