IMT-A_D2D技术白皮书_v1.9.1.doc

IMT-Advanced D2D技术白皮书IMT-Advanced推进组3GPP项目组IMT-Advanced D2D(Device-to-Device)技术白皮书(Version 1.9.1 Draft)Page 72目录目录i1D2D通信技术介绍21.1D2D技术简介21.2场景描述31.3基本假设和要求32D2D通信与蜂窝通信的无线资源共享方式52.1正交方式的无线资源共享52.2复用方式的无线资源共享52.3D2D链路间资源共享方式82.4蜂窝通信与D2D通信资源共享方式仿真92.5结论193支持D2D无线资源复用的干扰分析203.1D2D链路间干扰203.2蜂窝与D2D通信间干扰203.3结论334IMT-Advanced D2D通信控制方式344.1网络完全控制的D2D通信344.2网络辅助的自主D2D通信344.3结论345D2D通信干扰避免、控制和协调机制355.1网络完全控制的D2D通信355.2网络辅助的自主D2D通信366D2D通信的连接建立和释放926.1D2D终端发现机制926.2同步机制996.3寻呼机制996.4通信流程997D2D通信的增强和应用1007.1D2D通信与蜂窝通信的切换1007.2D2D通信的链路自适应技术1047.3D2D通信与MIMO技术1077.4D2D通信与中继技术1087.5D2D通信与网络编码技术1137.6D2D通信与MBMS1138总结1239参考文献12410版本信息1251 D2D通信技术介绍下一代宽带蜂窝移动通信系统（IMT-Advanced）中以基站为中心的通信方式存在局限性，系统仍存在覆盖和容量等方面的问题。研究表明终端直通（D2D）技术在节省资源、减小干扰和提升传输效率等多方面有巨大优势。在IMT-Advanced演进中融合D2D 技术，将显著改善网络结构、增强覆盖、提高系统容量。1.1 D2D技术简介下一代宽带蜂窝移动通信系统（IMT-Advanced）中采用了载波聚合（CA）技术、增强的多入多出（MIMO）天线技术、协同多点传输（CoMP）技术和中继技术，在原有蜂窝移动通信系统的基础上，进一步提高了系统容量，改善了小区边缘用户的数据速率和用户体验。然而，由于蜂窝通信系统以基站为中心的小区覆盖和业务提供方式本身所存在的局限性，IMT-Advanced系统仍存在覆盖和容量等方面的问题。尽管中继技术及CoMP技术能够提高小区覆盖性能，增强小区边缘用户体验，然而由于基站及中继站不具有移动性，网络结构和业务支持的灵活性仍然不够，系统覆盖及小区边缘用户容量仍有较高的提升空间。另外，随着无线多媒体业务的发展，当前日益增长的本地数据共享业务需求给IMT-Advanced系统的容量和覆盖以及服务灵活性提出了较高要求，以基站为中心的小区业务提供模式在适应本地业务的发展方面有明显的局限性。D2D（Device-to-Device），即终端直通技术，是指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的方式，而不需要通过中心节点（即基站）进行转发。D2D技术本身的短距离通信特点和直接通信方式使其具有如下优势：1. 终端近距离直接通信方式可实现较高的数据速率、较低的延迟和较低的功耗；2.利用网络中广泛分布的用户终端以及D2D通信链路的短距离特点，可以实现频谱资源的有效利用，获得资源空分复用增益；3. D2D的直接通信方式能够适应如无线P2P等业务的本地数据共享需求，提供具有灵活适应能力的数据服务；4. D2D直接通信能够利用网络中数量庞大且分布广泛的通信终端以拓展网络的覆盖范围。需要注意的是，这里所指的D2D技术与传统的短距离通信技术有所不同。许多短距离通信技术如蓝牙、WiFi Direct、Zigbee等等使用非授权频带如ISM频段进行数据直接传输，与蜂窝网络形成相对独立的系统。而本文讨论的D2D技术专指与蜂窝系统共享使用授权频带资源的终端直通技术，形成统一的混合蜂窝与D2D网络。蜂窝通信系统与终端直通技术的结合实际已有较长的历史。已有的点对点网络（Ad-Hoc）以终端直通技术为基础，无论在通信方式还是网络结构上都具有极大的灵活性和可扩展性，但其应用仍然有一定的局限性。由于其纯粹的分布式结构，这类网络难以实现干扰控制，终端缺乏对网络全局信息的了解，不适合应用于业务量和干扰很高的通信环境；终端只能通过简单的相互竞争以统计时分复用方式共享无线资源，导致资源使用率较低；由于基于纯分布式结构的通信机制与蜂窝通信差异巨大，融合难度较高。无线网格（Mesh）网以及类似的研究工作就是将以基站为中心的蜂窝网络与Ad-Hoc网络相结合，形成混合网络，提高网络的综合性能，然而普遍的研究都关注于网络结构的创新和应用，并未探索与真实蜂窝网络协议的融合。本文讨论的是将D2D技术引入IMT-Advanced系统授权频带内，利用D2D技术本身的短距离通信特点和直通通信方式，充分发挥D2D在节省无线资源、减小系统干扰、以及业务提供等方面的巨大优势和潜力，拓展网络覆盖、提高无线资源使用效率和系统容量，并更好地适应本地数据业务的需求。1.2 场景描述本文讨论的场景是在IMT-Advanced系统授权频段引入D2D技术，形成蜂窝通信和D2D通信共存的混合网络，如下图所示。在该场景中，终端可以以两种不同的模式通信。其一，蜂窝通信模式：终端通过基站进行通信；其二，D2D模式：终端使用D2D链路直接通信。在该混合网络中，部分终端仍以蜂窝通信模式通过基站进行信息转发和通信，部分用户则以终端直通模式进行数据的直接传输。图 11 IMT-Advanced系统中的D2D通信场景1.3 基本假设和要求基于上述场景，为在IMT-Advanced系统中有效的引入D2D技术，实现在授权频段上的共存并对无线资源进行共享，提出如下基本要求：1. D2D通信对IMT-Advanced蜂窝系统的无线资源可以进行有效的共享；2. D2D通信对IMT-Advanced蜂窝系统的干扰是网络运营者可管可控的，不影响整个系统的稳定性；3. 在满足以上要求的前提下，D2D终端所需增加的复杂度尽可能小；4. 在满足以上要求的前提下，对IMT-Advanced蜂窝系统及标准产生的影响尽可能小，且应满足后向兼容性要求。为满足以上基本要求，提出如下基本假设作为后续技术研究的基础：1. 如无特殊说明，后续技术研究针对IMT-Advanced系统的代表系统LTE-Advanced系统进行。如有需要，可以兼顾考虑802.16m系统；2. D2D通信尽可能采用与IMT-Advanced蜂窝通信相同的物理层传输技术，并与IMT-Advanced蜂窝网络在物理层上保持基本同步。本要求具有以下优势：采用与蜂窝通信相同的物理层传输技术可以减少对硬件配置的额外要求；D2D通信产生的干扰与蜂窝通信干扰是同质的，减小对蜂窝通信调度的影响；对干扰的测量不需要变化；D2D终端甚至可以同时工作于蜂窝通信模式和D2D模式。3. 为满足网络运营着对D2D通信干扰的管理和控制，D2D终端应该有能力接收蜂窝系统下发的控制消息。4. D2D终端相比于普通LTE-Advanced终端需要增加的功能：共享蜂窝上行资源须增加D2D接收功能；共享蜂窝下行资源须增加D2D发送功能。2 D2D通信与蜂窝通信的无线资源共享方式将D2D通信引入到IMT-Advanced系统的授权频带上时，D2D通信链路将与蜂窝通信共享无线资源，这也是在蜂窝系统中融合D2D通信技术的最基本问题。无线资源的共享方式可以分为两种：正交方式的共享和复用方式的共享。本章对D2D通信与蜂窝通信的可能的资源共享方式进行了介绍。2.1中介绍了D2D通信与蜂窝通信以正交方式共享无线资源；2.2节介绍了D2D通信与蜂窝通信以复用方式共享无线资源，并通过初步的仿真结果说明复用资源的可行性；2.3节给出了D2D链路间资源共享方式；2.4节对不同的资源共享方式进行了初步的性能比较，仿真结果说明复用方式共享资源能够给D2D和蜂窝网络带来性能增益，但同时会引入复杂的干扰，因此需要对干扰避免、控制、协调机制进行深入研究以确定可行的资源复用方案。注：本章仅对资源共享方式进行描述，并非实现资源共享的具体方案。文中的仿真涉及的场景较为简单，仅为说明不同共享方式下性能的不同趋势，尤其说明了复用方式能够带来性能增益、同时也引入了干扰的现象，为后续研究提供基础。1.2.1 正交方式的无线资源共享采用正交方式进行无线资源共享是指在无线资源使用上以静态或动态的方式对无线资源进行正交分割，使蜂窝通信和D2D通信使用相互正交的资源。以使用IMT-Advanced FDD系统无线资源为例，D2D通信可以正交使用蜂窝通信的上行或下行资源。如图所示：图 21 D2D以正交方式使用蜂窝的上行或下行资源D2D通信以正交的方式共享蜂窝通信的无线资源，使用的是蜂窝通信未用的资源。这种方式在蜂窝通信无线资源使用率并不高、仍然有空闲无线资源的情况下较为适用。2.2 复用方式的无线资源共享采用复用方式进行无线资源共享是指D2D通信以合理的方式对正在使用的蜂窝资源进行共享重用，并将干扰限制在一定水平范围内。以复用IMT-Advanced FDD系统无线资源为例，D2D通信可以复用蜂窝通信的上行或下行资源。图 22 D2D通信复用蜂窝的上行或下行资源D2D通信以复用方式进行资源共享能够发挥D2D短距离通信的优势、更加高效的利用无线频谱资源，从而提高系统容量和性能。这种方式适用于无线资源使用率较高的场景中。2.2.1 资源复用的可行性当D2D技术引入蜂窝系统后，蜂窝通信和D2D通信之间往往没有节点重合现象，这为无线资源的复用创造了根本条件。从Okumura-Hata等传播损耗预测模型可以看出错误!未找到引用源。无线通信的传播损耗在很大程度上受收发两端天线高度的影响，由于终端的高度远小于基站，或者处于具有穿透损耗的建筑物内，终端对终端造成的干扰都会小于传统蜂窝通信干扰。这样在地面附近形成的有害干扰区将远小于小区覆盖范围，如图 23所示，D2D TxUE2与RxUE2形成的干扰区相对于蜂窝用户是比较小的。这为无线资源的空分复用创造了条件，即相互干扰微弱或可控的链路之间以空分复用方式进行资源共享。图 23 以上行链路为例终端间的相互干扰下面以一些初步仿真结果来说明在一定地理区域内是可以进行资源复用的。以共享上行资源为例，仅考虑单小区蜂窝系统的场景。小区内蜂窝用户使用正交的无线资源。仿真参数使用如下：表 21 仿真参数设置小区半径500 m基站发射功率36 dBm蜂窝用户发送功率20 dBm终端到终端路损模型116.9log10(dm) + 46.8 + 20log10(fcGHz/5.0)40 log10 (dkm) + 30 log10 (fcMHz) + 49基站到终端路损模型2-2161.04 7.1 log10 (W) + 7.5 log10(h) (24.37 3.7(h/hBS)2) log10(hBS) + (43.42 3.1 log10(hBS) (log10(d) 3) + 20 log10(fcGHz) (3.2 (log10 (11.75 hUT) 2 - 4.97)其中W = 20 m为平均街道宽度，h = 20 m为平均建筑高度，fc为中心频率，c为光速；hBS = 25 m, hUT =1.5m在小区的特定位置上放置蜂窝用户，其中一个蜂窝用户引入的干扰功率情况如下图：图 24 蜂窝用户的地理位置及其引入的干扰功率分布图谱图 24 是蜂窝用户的地理位置及其引入的干扰功率分布图谱，其中x、y轴是蜂窝用户的地理位置，z轴是不同位置感受到该蜂窝用户的干扰功率情况。该图中蜂窝用户的坐标位置为(-239.1973 -149.1575)（m）。下面在小区中放置4个蜂窝用户，正交地使用无线资源。放置4个观测点，观测到不同位置无线资源使用情况如下图所示。图 25 (a) 不同观测点处所测量到的蜂窝用户的功率水平 （b）各蜂窝用户及观测点的位置图 25 (a) 给出了不同观测点处所测量到的蜂窝用户的功率水平，类似于频谱空穴。x轴为不同观测点观测的蜂窝用户频带，y为接收功率水平。 (b)则清晰地标出了各蜂窝用户及观测点的位置。可以看到，信号随距离的增加呈现出较明显的衰落趋势，不同的地理位置上测量到蜂窝用户的功率水平是不同的。尤其对于上行时的场景，由于用户终端的发射功率受限，其在距离较远处产生的干扰将很低，这为复用相同的资源提供了机会。例如，在观测点1测到蜂窝用户2的功率较高，而蜂窝用户4的功率较低，这意味着此处可以合理复用蜂窝用户4的资源而不会对其造成较大干扰。因此，在不同地理位置上相互干扰微弱或可控的链路之间进行无线资源的空分复用是可行的。2.3 D2D链路间资源共享方式不论D2D正交使用还是复用蜂窝资源，不同D2D链路之间的资源共享方式有如下两种：l D2D链路之间正交使用资源以D2D复用蜂窝系统上行资源为例，下图中两条D2D链路正交地使用资源。图 26 D2D链路之间正交使用蜂窝的上行资源l D2D对之间复用资源以D2D复用蜂窝系统上行资源为例，下图中两条D2D链路复用了相同资源。图 27 D2D链路之间复用蜂窝的上行资源实际上，D2D通信资源使用的方式往往是上述两种方式的结合。从宏观上看，距离较远的D2D对之间干扰较小，可以复用同一资源，而如果在小范围内存在多个D2D通信对，为了避免这些通信对之间的干扰，需要采用调度、协商或者机会竞争的方式使这些D2D通信对之间采用正交的资源。2.4 蜂窝通信与D2D通信资源共享方式仿真蜂窝用户与D2D用户间不同的资源共享方式将对系统性能产生显著不同的影响，下面通过仿真来描述具体的影响效果。2.4.1 共享蜂窝通信上行资源考虑单小区中D2D用户可复用FDD蜂窝系统上行资源的场景，所有用户均随机分布在小区内。研究如下4种资源共享方式：Case 1：仅存在蜂窝系统，所有用户均以蜂窝模式进行通信。各链路均分系统带宽，正交使用资源；Case 2： 蜂窝系统与D2D通信共存，蜂窝用户使用蜂窝模式，所有D2D对则采取直连的方式通信。各链路均分系统带宽，正交使用资源；Case 3：蜂窝系统与D2D通信共存，蜂窝用户使用蜂窝模式，所有D2D对则采取直连的方式通信，同时任一D2D链路复用某一蜂窝用户的资源，而任意两个D2D对之间则正交地使用资源。根据复用策略的不同又可以分为两种简单的情况：a）各D2D对随机复用某个蜂窝用户的资源。具体地，首先将所有蜂窝用户使用的资源并为一个“资源池”集合，再依次为每一对D2D用户从“资源池”中随机地选出一个元素（即一段资源）作为其复用的资源，这样就使得每对D2D用户唯一地和某个蜂窝用户形成了频率重用；b）各D2D对在复用蜂窝资源时采用一种简单优化方案。具体地，首先将所有蜂窝用户使用的资源并为一个“资源池”集合，接着统计所有D2D在每段蜂窝资源上受到的干扰并挑选出受蜂窝干扰最小的D2D及其在“资源池”中的对应复用资源。重复上述过程直至所有D2D用户都获得复用资源；Case 4：蜂窝系统与D2D通信共存，蜂窝用户仍使用蜂窝模式，所有D2D对则采取直连的方式通信，同时所有D2D链路复用整个频带。以上各case的资源分布示例如下图所示。图 28 4种场景下资源分配情况示意图注：上图仅用于定性描述不同case中蜂窝用户与D2D用户的资源分配策略，并不代表实际对资源的使用情况。下面将对10,000次随机撒点各用户的仿真结果进行统计和分析。仿真参数如下：表 22 仿真参数设置小区半径500 mD2D平均链路长度20 m蜂窝用户发送功率min(Pmax, 10 log10(M)+PL+P0)D2D的发送功率17 dBm系统带宽10 MHz中心频率2 GHz蜂窝用户数4D2D对数4白噪声功率谱密度174 dBm/HzD2D链路路损模型2-116.9 log10(dm) + 46.8 + 20 log10(fcGHz/5.0)蜂窝对D2D干扰链路的路损模型2-140 log10(dkm) + 30 log10(fcMHz) + 49上行蜂窝链路、D2D对蜂窝干扰链路的路损模型2-2161.04 7.1 log10 (W) + 7.5 log10(h) (24.37 3.7(h/hBS)2) log10(hBS) + (43.42 3.1 log10(hBS) (log10(d) 3) + 20 log10(fcGHz) (3.2 (log10 (11.75 hUT) 2 - 4.97)其中W = 20 m为平均街道宽度，h = 20 m为平均建筑高度，fc为中心频率，c为光速；hBS = 25 m, hUT =1.5m仿真结果及相关分析如下所示：图 29 4种场景下系统吞吐量CDF曲线从仿真结果可以看到，在相同无线环境下的4种场景中，case1的吞吐量（频谱利用率）最低，此时仅有蜂窝用户存在。比较case 1与case 2的性能，可知D2D在短距离通信场景中能显著提升原蜂窝系统的吞吐量（频谱利用率）。case 2与case 3的对比，证明了D2D以复用的方式来使用蜂窝资源，能够产生比正交方式更高的系统吞吐（频谱利用率）。将case 3中两个子类进行对比，可以看到case3（b）的吞吐有所提升，说明D2D通信复用资源的方式存在着进一步的优化空间。这里case3（b）仅采用了较为简单的复用方案（干扰控制协调方案），只为给出复用这种资源共享方式能带来性能提升的现象。采用更为合理的复用方案应能带来更大的性能提升。case 3与case 2、case 4的对比指出，资源的复用并不一定总是带来更高的收益。相反，随意的复用蜂窝资源会产生更复杂的干扰情况，使系统容量明显低于有限制复用时（case 3）的情形。在实际应用中为尽可能地提升混合网络的容量和频谱利用率，应考虑采用更为复杂和合理的干扰避免措施（包括资源分配、功率控制等）。下面的图2-9和图2-10分析了case3和case4性能差异。图 210 4种场景下D2D容量占系统和容量比重的CDF曲线Case 1曲线显示D2D链路的容量在系统和容量中的比重约在45%70%间，这实际上意味着纯蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户获得的上行速率较接近，因而公平性得到了充分的保证。而随着直连方式的启用，较短的通信距离相对带来的是较高的通信速率，在提升系统和容量的同时也使得D2D的吞吐在整个系统容量中占据了相当的比重。而case 4更指出这样一种较极端的情况：随着D2D对蜂窝干扰的加剧，传统蜂窝链路的信道质量大大下降；而D2D受到的干扰有限，获得的容量增益远超过蜂窝链路的容量。图 211 case 3a（左）与case 4（右）中蜂窝、D2D SINR的CDF曲线由上图可以看到，case 4中由于D2D复用的频带变宽，D2D与蜂窝用户、D2D与D2D之间的干扰变得强烈，蜂窝用户与D2D用户的SINR都有所下降。但二者的受影响程度明显不同：case 4中复用全频带蜂窝资源的方式对传统蜂窝用户的影响是很严重的，其SINR平均下降了1020dB；另一方面，D2D链路由于收发端距离很近，而干扰源又相对很远，因此其SINR只是略微衰减。这也导致了图2-8、2-9中case 3a与case 4的差异。为更好地理解以上仿真结果，下面给出相关系统参数对几种case性能的影响，同时也为后续方案设计提供参考。图 212 不同D2D发射功率对系统吞吐量的影响上图描述的是当D2D平均链路长度为20m、D2D发射功率取不同值时，各case的平均系统容量。从图中能清楚地看到，D2D功率只会影响蜂窝用户的SINR高低和平均系统容量的具体数值，但各case间的相对差异基本不变。图 213 不同D2D平均链路长度对系统吞吐量的影响上图描述的是当D2D发射功率为17dBm、D2D平均链路长度（D2D收发端间的通信距离）取不同值时，各case的平均系统容量。从图中能清楚地看到，D2D平均链路长度对混合系统的容量有着决定性的影响，而各case随D2D平均链路长度改变的变化更是大相径庭：当D2D平均链路长度增加时，case 1（蜂窝模式）不受影响，而case 2中的场景则越来越接近case 1；case3（包括3a和3b）、case 4则由于D2D复用蜂窝资源时产生的相互干扰而遭受较大的容量损失，尤其是case 4在D2D平均链路长度为100m时，其性能甚至低于传统的蜂窝网络。总之，由于其短距离直接通信的特点，D2D通信在被引入到蜂窝系统中后，可以提升系统的吞吐量和频谱利用率。尤其以复用方式共享蜂窝无线资源时，性能可以得到比正交方式共享资源更多的提升，但需要设计合理的干扰避免方式以防止由于盲目复用引入的强烈干扰，此外在设计实际应用方案时，还需要考虑链路长度、发送功率等参数的影响以及D2D与蜂窝系统性能的折中关系。需要说明的是，上述仿真场景中几种case的比较仅用于说明不同资源共享方式（正交或者复用）系统性能的变化，并非给出实际应用的资源共享方案或干扰控制协调方案。合理的复用策略及系统参数仍需在后续方案设计中进行深入研究。下面对D2D通信引入蜂窝通信系统后的性能补充一部分仿真结果。表 23 仿真参数设置基站数量7基站-21扇区小区半径500 mD2D用户链路长度10 m20m系统资源蜂窝用户与D2D用户以不同的方式复用上行链路的46个RBD2D的发送功率20dBm系统带宽10 MHz中心频率2 GHz蜂窝用户数210D2D对数21撒点方式每个扇区的激活蜂窝用户812个不等，平均10个；每个扇区有一个D2D对进行通信D2D通信MCS等级28白噪声功率谱密度174 dBm/Hz蜂窝用户调度Proportional Fair调度算法蜂窝用户路损模型D2D链路路损模型计算路损时考虑LOS和NLOS两种情况，其概率计算如下：LOS模型和NLOS模型的路损计算公式如下：（其中d为D2D之间的链路长度）为了评估引入D2D通信后对系统性能的影响，首先以不引入D2D通信的系统上行吞吐量为基准，探讨引入D2D通信技术对系统性能带来的影响。在这部分仿真场景中，假设D2D用户总以固定功率20dBm进行发射，调制等级采用最高等级29。在此基础上，针对D2D的资源使用方式分别给出另外3种方案的仿真，比较这几种仿真方案的数据。下面分别介绍这几种资源调度方式。 Case 1 Base :仿真场景中不引入D2D通信，以本方案的系统上行吞吐量作为基准； Case 2 All_RB_Reuse：如图2所示，仿真场景中引入D2D通信，并且D2D通信与蜂窝通信共同使用系统上行资源的所有46个RB； 图 214 All_RB_Reuse方案资源调度方式 Case 3 10RB_Reuse：如图3所示，仿真场景中引入D2D通信，并且D2D通信只与蜂窝通信复用系统上行资源的10个RB，其余36个RB仍由蜂窝通信独立使用； 图 215 10RB_Reuse方案资源调度方式 Case 4 10RB_Sep：如图4所示，仿真场景中引入D2D通信，并且D2D通信与蜂窝通信不进行频率复用，D2D通信使用10个RB通信，蜂窝通信使用其余的36个RB。图 216 10RB_Sep方案资源调度方式对以上四种方案进行仿真，统计基站平均吞吐量、边缘用户平均吞吐量、D2D用户平均吞吐量、系统平均吞吐量和D2D通信的传错率等数据并且比较分析，如表 24所示。表 24 四种方案仿真数据表格仿真case基站平均吞吐量（kbps）5%用户吞吐量（kbps）D2D用户平均吞吐量（kbps）总计吞吐量（kbps）D2D-BLERBase5887.64259.015887.64All_RB_Reuse1281.070.098863.9410145.0134.92%10RB_Reuse4680.124.422350.367030.4821.54%10RB_Sep4607.12206.672460.537067.6517.87%由仿真数据可以看出，如果D2D通信复用蜂窝通信资源，系统总计吞吐量会有较大提升，但是D2D通信会对整个系统带来较大干扰，尤其是边缘蜂窝用户会受到很强的干扰。同时，系统中心用户由于一直受到干扰，吞吐量也有大幅度下降。因此，D2D通信如果不考虑干扰避免协调就对蜂窝通信资源进行复用，会对正常的蜂窝通信带来较强的负面影响，在实际通信系统中不可取的。下面的图 217从信干噪比的角度进一步验证了上述结论。图 217 四种场景下蜂窝用户SINR曲线2.4.2 共享蜂窝通信上/下行资源的对比D2D通信可以复用蜂窝系统资源，复用的资源既可以在D2D Tx所在的蜂窝小区，也可以属于D2D Rx所在的蜂窝小区，由此会引入较为复杂的干扰，表 25中列举了不同的干扰情况。表 25 D2D通信复用蜂窝资源时引入的干扰复用方式复用资源干扰形式Mode1D2D Tx所在蜂窝系统(Cellular1)的上行资源蜂窝用户发送对邻小区D2D Rx造成的干扰D2D Tx发送对本小区蜂窝基站(eNB1)接收造成的干扰以及多个D2DTx发送造成的累积干扰Mode2D2D Tx所在蜂窝系统(Cellular1)的下行资源D2D Tx发送对本小区蜂窝用户接收的干扰eNB1发送对邻小区D2D Rx的干扰Mode3D2D Rx所在蜂窝系统(Cellular2)的上行资源蜂窝用户发送对本小区D2D Rx造成的干扰D2D用户发送对邻小区基站(eNB2)接收造成的干扰以及多个D2D用户复用统一资源时的累积干扰Mode4D2D Rx所在蜂窝系统(Cellular2)的下行资源D2D Tx发送对邻小区蜂窝用户接收的干扰eNB2发送对本小区D2D接收的干扰仿真取单个蜂窝用户，给定D2D用户对的空间位置以及发送功率等相关参数。基于两个相邻的小区内，在不同地理位置上放置蜂窝用户，分别对四种场景进行仿真，仿真参数如下表所示：表 26 仿真参数设置小区半径500mD2D Tx与D2D Rx 的距离20m蜂窝用户发送功率20dBmD2D用户发送功率17dBmBS发送功率36dBm中心频率fc = 2GHz信道模型路损（d为发送到接收的距离，）白噪声功率谱密度-174dBm/Hz无线资源带宽10 MHz (FDD 上行下行各10MHz)仿真结果如下：图 218 4种模式下D2D用户的系统容量（d=20m）图 219 4种模式下D2D用户的系统容量（d=100m）图 220 4种模式下被复用资源的蜂窝用户的系统容量（d=20m）从仿真结果图 218, 图 219可以看到，在4种D2D用户资源复用的模式下，mode1和mode3（这两种模式下D2D通信共享蜂窝上行资源）的D2D用户的吞吐量比较于mode2与mode4（这两种模式下D2D通信共享蜂窝下行资源）的性能有显著的提升。这是由于基站的发射功率远远大于蜂窝用户的发射功率，从而导致共享下行资源时D2D接收UE受到的干扰更大，严重的影响其容量。Mode1与mode 3，以及mode2与mode 4的对比，可以看出复用D2D Tx发射端所在的蜂窝的资源比复用D2D Rx发射端所在的蜂窝的资源使D2D用户吞吐量性能的提升更加明显。这是因为复用D2D Tx发射端所在的蜂窝的资源，对D2D Rx的干扰来自于邻小区的蜂窝基站或者用户，反之，复用D2D Rx发射端所在的蜂窝的资源,则其干扰主要来自于本小区的干扰。通过对比图 218和图 219，可以看到当D2D之间的距离d变大了，Mode1与Mode3，Mode2与Mode4，这两种策略的差距也更加大。从而选择复用D2D发射端所在的下去资源还是邻小区资源从而变得更加有意义。图 220中红棕色代表着蜂窝1和蜂窝2下上下行蜂窝用户不受D2D复用资源干扰下的最大吞吐量，然而采用了四种模式的复用策略，可以看出对蜂窝用户的容量有一定程度的干扰，其中mode1和mode3策略下更加明显，这是因为在此两种策略中，蜂窝用户的干扰是来自本小区D2D Tx发射端的干扰，显然比mode2, mode4中来自邻小区的干扰更加明显。总之，从D2D用户吞吐量的角度出发，mode1与mode3的复用策略显然优于mode2和mode4的策略，并且mode1的性能更加好，也就是说，复用D2D Tx所在蜂窝小区的上行资源能是D2D用户的性能最佳，然而这是以增加对蜂窝用户的干扰为代价。反之，如果从保护蜂窝用户受干扰的程度，mode2和mode4策略更加适合，同时选择复用D2D Tx发射端的上行资源效果更加好。2.5 结论1. D2D技术指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的方式。D2D本身的短距离通信特点和直接通信方式使其可获得较高的数据速率、资源空分复用增益等优势。2. 将D2D引入IMT-Advanced系统中时，D2D通信不仅能以正交方式与蜂窝通信共享无线资源，还可以采用复用方式共享蜂窝通信的无线资源。3. 正交方式的资源共享能够充分利用基站的控制，但由于这种共享方式仅使用了蜂窝通信未用的资源，在通信容量上仍然有一定的局限。4. 复用蜂窝无线资源的方式在资源的使用上更为灵活，可以为系统带来通信容量的提升，但会引入更为复杂的干扰形式，因此也需要考虑对干扰的情况进行分析。3 支持D2D无线资源复用的干扰分析当D2D通信仅使用与蜂窝通信相互正交的资源时，相互之间的干扰并不明显。由于小区内使用的正交无线资源，因此主要的干扰是和传统蜂窝系统中类似的小区间干扰。2.3.1 D2D链路间干扰当D2D用户之间以复用的方式使用无线资源时，会产生同频干扰，如下图所示：图 31 D2D链路间的同频干扰D2D通信间需要以合理的方式对资源的复用进行管理，无序的资源复用不仅无法改善系统性能，反而可能因重用相同资源的D2D通信链路间距离过近而产生强烈干扰。3.2 蜂窝与D2D通信间干扰由前一节可知，D2D通信可以复用蜂窝系统资源。复用的资源既可以在同一小区内，也可以属于邻小区，由此会引入较为复杂的干扰，表 31中列举了不同的干扰情况。表 31 D2D通信复用蜂窝资源时引入的干扰复用范围复用资源干扰形式小区内复用资源蜂窝系统上行资源蜂窝用户发送对本小区D2D接收造成的干扰D2D用户发送对本小区蜂窝基站接收造成的干扰以及多个D2D用户发送造成的累积干扰蜂窝系统下行资源D2D发送对本小区蜂窝用户接收的干扰基站发送对本小区D2D接收的干扰小区间复用资源蜂窝系统上行资源蜂窝用户发送对邻小区D2D接收造成的干扰D2D用户发送对邻小区基站接收造成的干扰以及多个D2D用户复用统一资源时的累积干扰蜂窝系统下行资源D2D发送对邻小区蜂窝用户接收的干扰基站发送对邻小区D2D接收的干扰下面对不同形式的干扰进行分析。1. D2D通信复用小区内蜂窝资源1) 复用上行资源a) 当D2D通信复用小区内蜂窝通信的上行资源时，蜂窝用户发送会对D2D接收机造成干扰，如下图所示。图 32小区内蜂窝用户发送对D2D接收机造成的干扰假设D2D通信对中的UE1为发送端，UE2为接收端，两者的距离为，UE1发送信号至UE2。蜂窝用户CeUE1到eNB距离，发送信号至eNB。而蜂窝用户CeUE1到D2D接收端UE2的距离。在D2D UE2处接收到的信号为其中和分别为D2D UE1和CeUE1的发送功率，和采用单位功率。为路损因子，和分别为CeUE1到D2D UE2以及D2D UE1到D2D UE2的衰落系数。为加性白高斯噪声，服从分布。因此在D2D UE2处的信干噪比为小区内蜂窝用户发送对D2D接收机造成的干扰可以从D2D接收的吞吐变化看出。为简化仿真给出直观现象，本节仅考虑路损，由此可以获得此处D2D UE2的吞吐应为：其中干扰部分包括蜂窝用户的发送功率以及它到D2D接收端的距离，增大或减少都会降低吞吐。仿真取单个蜂窝用户，给定蜂窝用户的空间位置以及发送功率等相关参数。在不同地理位置上放置单个D2D用户，获得D2D用户在各地理位置上受固定的蜂窝用户干扰下吞吐的变化。仿真参数如下表所示：表 32仿真参数设置小区半径500mD2D Tx与D2D Rx 的距离10m蜂窝用户发送功率20dBmD2D用户发送功率17dBmBS发送功率36dBmCarrier Frequency (CF)fc = 2GHz信道模型路损（d为发送到接收的距离，）Thermal noise level-174dBm/Hz无线资源带宽10 MHz (FDD 上行下行各10MHz)仿真结果如下： 图 33单个蜂窝用户空间分布及引入的干扰功率分布图 33给出了蜂窝用户空间位置和引入的干扰功率分布图谱，xy轴为地理位置，z轴为接收功率，其中小区基站坐标为0, 0，蜂窝用户坐标为300，200（m）。可以看到在蜂窝用户周围接收到的干扰功率较大，随着距离增加所受干扰减弱。图 34 D2D接收在不同地理位置的性能曲线图 34为D2D接收在不同地理位置时受图 33所示蜂窝用户发送引入的干扰时的性能曲线，xy轴为地理位置，z轴为吞吐性能。小区基站坐标为0, 0，蜂窝用户坐标为300，200（m）。可以看到D2D接收距蜂窝用户越近，所受干扰越大，D2D吞吐量越低。图 33和图 34都反映了D2D复用上行资源时，会受到来自蜂窝用户上行发送的干扰。该干扰与蜂窝用户发送功率以及与蜂窝用户的距离有关，发送功率越大、距离越近，所受干扰越大。b) 小区内复用蜂窝上行资源，小区内D2D用户发送会对蜂窝基站接收造成干扰，此外当多个D2D用户复用同一资源时，会产生累积干扰，如下图所示。图 35小区内D2D用户发送对蜂窝基站接收造成干扰使用类似图 32中的模型，可以得到当单个D2D 用户复用某一蜂窝资源时，eNB上行接收的吞吐应为：如果存在多个D2D 用户复用某一蜂窝资源，则eNB上行会遭受D2D发送端的累积干扰。此时eNB上行接收的吞吐应为：其中为复用同一上行资源的D2D链路个数。由上式可以看到，干扰和复用同一资源的D2D个数、D2D发送功率和D2D发送端到基站的距离有关。仿真取单个D2D用户，给定其发送功率等相关参数。移动该用户至不同的地理位置，考察其对某一蜂窝用户上行接收吞吐的影响。仿真设置参考表 32。图 36单个D2D用户空间分布和在小区内引入的干扰功率图谱图 36给出了单个D2D用户发送端空间位置和在小区内引入的干扰功率图谱，xy轴为地理位置，z轴为接收。小区基站坐标为0, 0，D2D用户坐标为300，200（m）。下面考察这样的D2D用户在小区内不同地理位置对基站上行接收吞吐的影响。图 37 D2D发送在不同地理位置时蜂窝系统的性能曲线, 蜂窝用户坐标为(a) 300，200（m） (b) 30，20（m）图 37为D2D用户发送遍历小区不同地理位置时，蜂窝系统的吞吐性能曲线，xy轴为地理位置，z轴为吞吐性能。小区基站坐标为0, 0，左图中上行蜂窝用户坐标为300，200（m）、右图为30，20（m）。从（a）和（b）可以看到D2D发送距基站越近，基站所受干扰越大，吞吐量越低。对比（a）和（b），（a）中D2D发送引入对基站上行的干扰范围（呈现“碗状”）较大，原因是对应的蜂窝用户（发送功率固定且相同）距离基站较远。在这种情况下距离基站较近的蜂窝用户受到的干扰会小于距基站较远的用户。图 33和图 34都反映了D2D复用上行资源时，基站接收会受到来自D2D发送的干扰。该干扰与D2D用户发送功率以及D2D用户的位置有关，发送功率越大、距离基站越近，所受干扰越大。另外，该干扰造成的吞吐下降也与蜂窝用户的位置有关，蜂窝用户距基站越近，基站接收吞吐下降的越少。此外，考虑多个D2D用户复用同一上行资源，给定其地理位置及发送功率等相关参数。考察复用同一资源的D2D用户数目对蜂窝系统吞吐的影响。图 38三个D2D用户空间分布和引入的干扰功率分布图谱图 38为多个D2D用户（D2D之间复用同一资源）的空间分布和引入的干扰功率分布的图谱，x、y轴为地理位置，z轴为干扰功率分布。小区基站坐标为0, 0，三个D2D用户随机产生，坐标分别为286.0133，-87.4345，-119.6566，-402.9821，212.1771，-63.2693（m）。可以看到在D2D用户的位置附近接收到的干扰功率较大，随着距各个D2D用户的距离增加所受干扰减弱。图 39小区内存在多个D2D时蜂窝系统的性能曲线图 39为复用同一资源的D2D用户数不同时，蜂窝系统吞吐的性能曲线，x轴为用户数，y轴为基站接收的吞吐性能。小区基站坐标为0, 0，蜂窝用户坐标为200，100（m）。可以看到随着复用同一资源的D2D链路个数增加，基站的吞吐量下降。这是由于D2D用户越多时，对基站的累积干扰越大，因此需要控制复用同一资源的D2D用户的数量，以使混合网络获得更好的整体性能。图 38和图 39都反映了多个D2D用户复用同一上行资源时，基站接收会受到来自D2D发送的累积干扰。该干扰与D2D用户的数量、发送功率以及D2D用户的位置有关，D2D用户越多，发送功率越大，距离基站越近，基站所受累积干扰越大。小结：当D2D用户复用本小区蜂窝上行资源时，会引入两种干扰：1）D2D用户受到来自蜂窝用户上行发送的干扰，这种干扰与蜂窝用户发送功率以及与蜂窝用户的距离有关，发送功率越大、距离越近，所受干扰越大；2）小区内D2D用户发送会对蜂窝基站接收产生干扰，引入的干扰和D2D发送端功率、D2D发送端到基站的距离有关，D2D发送功率越高、D2D发送端到基站的距离越近，干扰越大，此外当多个D2D用户复用统一资源时，会对基站接收产生累积干扰，这将使得干扰情况更加复杂。2) 复用下行资源a) 当D2D通信复用小区内蜂窝通信的下行资源时，小区内D2D发送会对蜂窝用户接收造成干扰，如下图所示。图 310小区内D2D发送对蜂窝用户接收造成干扰使用类似图 32中的模型，可知当单个D2D 用户复用某一蜂窝下行资源时，对应的蜂窝用户的吞吐应为：如果存在多个D2D 用户复用同一蜂窝资源，则对应的蜂窝用户会遭受D2D发送端的累积干扰。此时该蜂窝用户的吞吐应为：其中为基站发送功率，为复用同一下行资源的D2D链路个数。不难得到，干扰部分由D2D的发送功率、蜂窝用户距D2D发送的距离以及复用同一资源的D2D链路数共同构成。蜂窝用户距D2D发送越近，D2D发送功率越大，所受干扰越大，吞吐量越低。如果复用同一资源的D2D用户越多，对蜂窝用户的累积干扰也越大，蜂窝用户的吞吐量越低。b) 小区内复用下行资源，小区内基站发送对D2D接收造成干扰，如下图所示。图 311小区内基站发送对D2D接收造成干扰此时，D2D接收机的吞吐应为：由上式可以看到，干扰部分由基站发送功率以及基站到D2D接收端的距离组成。D2D接收距基站发送越近，所受干扰越大，吞吐量下降。此外，由于基站的发送功率较高，可能会引入较高的干扰。小结：当D2D用户复用本小区蜂窝下行资源时，会引入两种干扰：1）D2D发送会对蜂窝用户接收造成干扰，干扰与D2D的发送功率、蜂窝用户距D2D发送的距离以及复用同一资源的D2D链路数有关。蜂窝用户距D2D发送越近，D2D发送功率越大，所受干扰越大，吞吐量越低，如果复用同一资源的D2D用户越多，对蜂窝用户的累积干扰也越大，蜂窝用户的吞吐量越低；2）小区内基站发送对D2D接收造成干扰，引入的干扰与基站发送功率以及基站到D2D接收端的距离有关。D2D接收距基站发送越近，所受干扰越大，吞吐量下降，且由于基站的发送功率较高，复用下行资源相比上行资源受干扰的风险会较大。2. D2D通信复用小区间资源1) 复用上行资源a) D2D用户复用邻小区上行资源时，蜂窝用户发送对邻近小区D2D接收会造成干扰，如下图所示：图 312蜂窝用户发送对邻近小区D2D接收造成的干扰使用类似图 32中的模型，可以得到当D2D 用户复用邻小区某一蜂窝资源时，蜂窝用户上行发送会对D2D接收造成干扰，D2D接收端的吞吐应为：其中干扰来自于邻小区蜂窝用户发送功率以及它到D2D接收端的距离。越大、距离D2D接收端越近，干扰越大。仿真取单个蜂窝用户和D2D用户，给定D2D用户的空间位置以及蜂窝用户和D2D用户发送功率等相关参数。改变蜂窝用户的位置，考察蜂窝用户到邻小区D2D接收的距离对D2D用户吞吐的影响。仿真参数如表 32。图 313单个蜂窝用户空间分布和引入的干扰功率图谱图 313为蜂窝用户空间分布和引入的干扰功率分布的图谱，x、y轴为地理位置，z轴为引入的干扰功率分布。小区1、2基站坐标分别为0, 0，1000, 0