D2D技术在多媒体集群通信中的应用

【摘 要】为了提高宽带多媒体集群专网的频谱资源利用率以及提升专网基础设施不足情况下网络边缘用户信道质量，介绍了d2d技术，分析了该技术应用在LTE宽带多媒体集群系统中需要考虑解决的信道资源复用技术等问题。研究结果表明，多个D2D连接可以并行使用专网集群系统上行传输信道资源，系统整体信道质量等级得到了较大的改善。

【关键词】D2D ProSe 空间频谱利用率 CQI

1 引言

专业集群通信系统分为任务关键型集群系统和业务关键型集群系统。业务关键型集群通信系统主要应用于大型厂矿企业的指挥调度，该类型的集群系统以支持完成业务流程为主，通信系统设计指标重点关注系统可靠性、安全性、可服务性；任务关键型集群通信系统主要应用于公共安全、应急反恐、轨道交通等场合，通信系统设计指标重点关注系统的实时性、可靠性、安全性、可用性等指标。集群通信系统从上个世纪80年代开始，基本上是以十年为一个周期经历了模拟集群、数字集群、宽带多媒体集群三个发展阶段。

2010年以来，随着宽带传输技术、大数据技术的发展，集群通信开始向宽带多媒体集群发展。4G无线传输技术特别是LTE技术对下一代数字集群的发展产生了巨大的影响。美国的P25技术体制第三阶段演进明确采用4G无线传输核心技术OFDMA作为接入体制，ETSI宣布TETRA未来将与LTE技术体制实现融合。2013年我国工信部电信研究院牵头16家理事单位成立的宽带多媒体集群产业联盟（B-TRUNC），联合制定了基于LTE体制的宽带多媒体集群技术标准。3GPP在2015年开始制定基于LTE eMBMS体制的多媒体集群标准McPTT。公网的LTE技术体制虽然具备了高实时性、大容量、支持大区制组网等特点，但是在任务关键型集群通信系统中推广应用，还需要解决基础设施缺乏或受损情况下的系统可用性，系统覆盖范围以及进一步提升空间频谱资源利用率等问题。

D2D（Device-to-Device，D2D）是3GPP R12定义的基于LTE技术体制的终端直通技术，邻近的终端可以在近距离范围内通过直连链路进行数据传输，不需要通过中心节点（基站）进行转发。美国高通公司从2008年开始研究D2D终端直通技术，在3GPP D2D课题立项之前已经进行了大量的研究工作。国内的展讯、酷派等终端设备厂商都对D2D技术比较关注。工信部在2016年“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项课题中也安排了D2D技术在多媒体集群通信系统中的应用研究，已经展开了相关的技术预先研究和标准研究工作。D2D技术的短距离通信特点和直接通信方式使其具有较低的延时和功耗，可以实现空间频谱资源的有效利用，能够适应如无线P2P业务的本地数据共享需求，降低网络负载，能够利用网络中分布广泛的终端拓展网络的覆盖范围，提供具有灵活适应能力的数据服务，非常适合在任务关键型集群通信专网中应用。

2 部署D2D技术的LTE集群系统架构

D2D可以使一定距离范围内的用户通信设备直接进行通信，以降低对服务基站的负荷。在D2D技术出现之前，已经有类似的通信技术出现，例如TETRA集群通信系统的DMO技术、Wi-Fi Direct和高通提出的FlashLinQ技术。TETRA的DMO技术属于窄带直通技术，需要不能与TETRA TMO的工作频段重叠的许可频段，后面两种技术由于各种原因没能大范围商用，3GPP研究的D2D技术会在一定程度上弥补点对点通信的短板。

D2D相比于类似技术，其最大的优势在于D2D技术的终端可与基站转发模式下的终端工作在相同的频段，而其他技术在这种模式下产生较严重的干扰。由于D2D终端在基站覆盖区边缘可实现距离相对较短的直通，实现较高的传输速率，传输时延小，设备功耗低。D2D还可以满足人与人、物与物之间大量信息交互的需求。和蓝牙相比，D2D无需繁琐的匹配，传输速度更快；和免费的Wi-Fi Direct相比，则有更好的QoS保证。此外，3GPP提出了一种类似TETRA系统中的双监听中继的D2D通信模式，该技术的主要目的是可以使处在小区边缘的用户通过单跳或者多跳连接至信号质量好的用户，然后接入网络，这可以提升小区吞吐量，提高小区边缘用户通信质量，扩大网络覆盖范围。

部署D2D技术的LTE宽带多媒体集群系统的一种可能架构模型如图1所示。

部署D2D技术的LTE集群系统，需要在系统架构中增加如下几类接口和功能模块，以实现D2D相关功能：

（1）PC5接口：是UE到UE之间的接口，用于完成控制面和用户面的信令和数据传输、邻近服务发现、直接通信和对终端的入网中继功能。

（2）PC1接口：是接近服务应用（ProSe）服务器和终端应用之间的接口，用户传输ProSe应用层的信令协议。

（3）PC2接口：是ProSe应用服务器和ProSe功能实体之间的接口，用于传输EPC侧的ProSe功能模块的接近服务发现协议。

（4）PC3接口：是ProSe功能实体和UE侧ProSe应用之间的接口，通过用户面传输，用于通过EPC侧ProSe服务发现申请和终端直接发现的授权；发送ProSe业务代码的分配以及定义集群网络服务提供商专属的授权策略；近邻服务直接发现与通信。

（5）PC4a接口：是HSS和ProSe功能实体之间的接口，用于提供ProSe授权接入需要的用户信息，向ProSe功能实体提供EPC侧ProSe发现相关的用户数据。

（6）PC4b接口：是SLP（SUPL定位平台）和ProSe功能实体之间的接口，用于ProSe功能实体向SLP查询用户位置信息。

ProSe Function用于ProSe网络侧相关操作的逻辑功能，由三个子功能组成：

（1）直接配置功能

提供UE使用ProSe直接发现和ProSe直接通信的必需参数；提供UE使用ProSe需要的集群网络提供商专属参数；在公共安全场景中，提供UE在脱网情况下进行直接通信所需参数。

（2）直接发现管理功能

分配和处理用于直接发现的ProSe应用ID与ProSe业务代码之间的映射；使用HSS存储的ProSe相关用户信息，对每个发现请求进行授权；提供UE所需的安全参数。

（3）发现近邻服务功能

用于存储与/或从HSS获取近邻服务相关用户数据，在核心网级近邻服务发现过程中通过PC3接口对UE进行授权和配置。存储已获得授权使用核心网近邻服务发现与通信功能的应用列表，提供UE用于直接发现与通信服务的信息。通过PC2接口与第三方应用服务器交换信令，用于应用注册和识别号映射。通过PC6接口与其他运营商网络中的ProSe Functions交换信令，用于发送近邻请求、提醒和位置报告。通过HSS请求UE位置的功能支持。

另外，为了完成D2D的接近服务功能，多媒体集群系统eMME功能实体中还需要负责从HSS接收ProSe相关的订阅消息，通知接入网络该终端可以授权使用ProSe功能。

3 LTE集群系统D2D无线技术的设计

按集群通信系统覆盖范围区分，可以把D2D无线通信需求分为以下三种场景：

（1）集群网络覆盖下的D2D通信（网络控制下的D2D）

本场景适用于集群通信网覆盖区内相邻的用户或传感设备之间通信的场景，基站首先需要发现D2D通信设备，然后控制D2D设备的资源分配，进行资源调度和干扰管理，用户可以获得高质量通信，网络侧设备也可以实现流量卸载。

（2）集群网络边缘覆盖下的D2D通信（网络辅助控制下的D2D）

本场景适用于覆盖区边缘的用户中继通信的场景，考虑到用户距离基站较远，基站只需引导设备双方建立连接而不再进行资源优化调度。在中继模式下，一个UE在基站覆盖区内，一个UE在基站覆盖区外，覆盖区内的UE作为中继帮助覆盖区外的用户与网络进行通信。中继功能对于基础设施比较缺乏的集群通信系统尤其重要。图2是集群网络边缘覆盖下的D2D通信示意图：

（3）无蜂窝网络覆盖下的D2D通信（不受网络控制的D2D通信）

脱离集群网络覆盖的用户设备进行直接通信，此场景应用于用户执行任务移动至覆盖区外或者网络瘫痪时候，用户可以通过终端内置的ProSe资源管理策略，经过多跳相互通信或者接入网络。

宽带多媒体集群通信系统应用于不同场景的时候，D2D技术的应用需要考虑的设计选项主要包括覆盖区外控制模式、资源分配方式、无线链路方式、调制方式、发现检测方式以及HARQ方式等，每个设计选项的优缺点如表1所示。

在上述选项中，关于无线链路方式和调制模式的选择，主要考虑到如果选择使用LTE下行链路设计，会导致干扰UE下行接收，而且干扰协调比上行要困难，且采用OFDMA调制方式会带来高PAPR，导致发射功率效率低、覆盖范围小。集群通信系统通常都比公网通信系统有更远的覆盖要求，所以集群专网通信系统D2D无线技术体制设计一般都考虑选用LTE上行链路设计和使用SCFDMA调制解调方式。

关于覆盖区外控制模式，表1中提出了主从模式（簇头）和Ad Hoc两种模式。主从模式具有与E-UTRAN的拓扑结构相似，可重用eNB的功能设计，但是簇头UE会成为瓶颈，大量的负荷可能会导致簇头UE存在拥塞的风险。Ad Hoc模式终端具有高度的分布自治能力，终端间组网应用灵活等特点，缺点是需要较多的网络控制信令开销，终端数量较多时容易导致网络的效能下降。因此需要根据具体的应用场景进行选择配置。例如网络中如果存在大量的传感终端，应采用主从模式，降低网络控制开销，提升网络容量；如果是快速移动用户脱网应用的场景，应考虑使用Ad Hoc模式，提升用户组网的灵活性。

关于终端发现检测和同步方式的选择，需要综合考虑终端用户的功耗限制和业务实时性、安全性等因素。在传感终端应用场景下，可以考虑采用EPC侧发现、基于序列信号的同步检测方式，尽量降低设备的功耗和设备的复杂度。对于处于任务关键型或业务关键型的手持终端，则应该考虑采用终端直接发现、基于分组包的同步/异步检测发现模式。

直接HARQ模式是指消息接收终端直接发送ACK/NAK给发送终端而不经过eNodeB，在这种情况下网络侧无法掌握链路的重传情况，直接HARQ的一个好处是可以适应覆盖区内和覆盖区外的D2D直通场景。3GPP在LTE R12版本中，D2D技术的邻近服务重点关注的是公共安全广播应用场景，在这个场景下通常不存在一个闭环链路，因此在R12版本的D2D无线传输不支持HARQ功能，但是在集群通信系统中，终端到终端直接D2D直通无线环境往往比较复杂，为了保证D2D无线传输链路的鲁棒性，应该考虑采用HARQ模式。

4 系统性能评估

本小节主要分析在集群网络覆盖下的D2D通信场景下，终端D2D用户资源共享方式对系统性能产生的影响。限于文章的篇幅，主要考虑市区单小区中D2D用户复用LTE系统上行资源的场景。在D2D信道资源和入网用户上行信道资源分配的策略上，主要考虑的因素是干扰协调控制。通常采用的干扰协调控制方法主要有：

（1）D2D终端感知小区上行信道干扰情况，将感知结果上报基站，由基站进行干扰协调和信道资源分配，D2D通信用户对之间存在一定的竞争使用空闲链路资源的关系。

（2）D2D链路根据集群调度系统GIS信息复用接入基站用户的上行链路资源，例如尽量将使用相同上行链路资源的D2D用户对和接入基站的用户对安排在不同的扇区，可参考文献[3]中提出的基于GIS位置信息的频率资源复用方法，并进行功率控制，具体如图3所示。

如图3所示，将基站覆盖区分成6个不同的分区，图中不同的颜色代表不同分区的信道资源分配。若两个需要通信的D2D UE分属于两个分区，则尽量选择这两个分区的对角分区频谱资源进行D2D通信，这样做可以充分利用扇区天线的反向抑制能力。当某个终端处于覆盖边缘的时候，还可以使用双监听技术通过其中一个距离基站较近的终端接入基站。由于集群系统的用户密度通常没有公网系统的用户密度高，且集群系统对呼叫建立时间、通信可靠度有较高的要求，所以基于GIS信息复用上行链路资源的方法比较适合任务关键型集群系统应用场景。

本文研究对比如下两种资源共享方式的小区信道质量：

场景1：小区中没有D2D通信的情况，所有用户均以接入集群基站模式进行通信。

场景2：D2D链路根据集群调度系统GIS信息，复用接入基站用户的上行链路资源。

对随机撒点用户的仿真结果进行统计和分析，基站位于直角坐标系的原点，入网用户终端随机分布在坐标平面上，系统按照一定的规则选择部分终端用户进行D2D通信业务，系统评估仿真参数如表2所示。

仿真结果及相关分析如图4所示。

从图4的仿真结果可以看到，在上述两种场景中，通过结合集群系统GIS信息合理地调度D2D用户的资源分配，复用系统上行链路资源，能够获得更高的系统整体CQI等级，从而能够获得更高的系统整体吞吐率。

从图5仿真结果可以看出，在市区环境下，当D2D直通距离增加时，1.4 GHz系统CQI=0的概率显著增加，这主要是因为集群终端发射功率受限，天线增益比较低，1.4 GHz终端在距离400 m以上时终端直通性能受环境的影响较大等因素。如果D2D直通频率使用700 MHz左右频率资源，可以显著改善D2D直通的链路CQI等级。仿真过程中采用了固定资源块大小分配方法也有一定的影响，这同时也说明了基于GIS位置信息的D2D资源调度算法还有继续改进的空间。

5 结束语

本文描述了D2D通信在多媒体集群通信系统中应用的网络架构，描述了不改变现有LTE集群核心网或传输资源管理策略的D2D通信解决方案。仿真结果表明，通过合理的资源分配和功率控制，D2D通信用户可以复用系统上行链路资源，能够获得更高的系统整体CQI等级。基于D2D的ProSe服务技术在核心网基础设施被毁的情况下，以故障弱化的模式继续提供高效、宽带的指挥调度通信服务。在某些应急救援的场景下，可以发挥重要作用，具有重要的应用前景。未来在集群通信系统中可继续研究与接入体制无关的，基于网络控制与辅助的终端宽带直通功能，无论终端驻留在窄带还是宽带集群网络，均能够发现邻近用户并发起直通连接，在降低网络侧负载压力的同时，丰富终端直通的业务种类，如文件共享、视频对讲等。

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