面向5G的毫米波D2D通信技术综述

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摘要：摘 要： 第五代移动通信系统(5G)是面向2020年以后需求的新一代移动通信系统，将满足未来大规模机器通信、超可靠和低延迟通信等应用场景的需求。为了满足5G移动通信中网络业务不均匀性和热点地区业务高速数据分发的需求，需要大力发展新的系统架构以及无线传

　　摘 要： 第五代移动通信系统(5G)是面向2020年以后需求的新一代移动通信系统，将满足未来大规模机器通信、超可靠和低延迟通信等应用场景的需求。为了满足5G移动通信中网络业务不均匀性和热点地区业务高速数据分发的需求，需要大力发展新的系统架构以及无线传输理论。结合国内外移动通信发展的最新趋势，讨论了D2D通信、毫米波无线传输以及毫米波D2D通信的发展历程、技术特点、应用场景以及关键技术，并对毫米波D2D通信的未来研究热点进行展望。

　　关键词： 5G; D2D通信; 通信系统; 移动通信; 低延迟通信; 毫米波无线传输

　　《铁路通信信号工程技术》(双月刊)创刊于2005年，由铁道部主管，北京全路通信信号研究设计院主办。办刊宗旨是：反映国内外铁路和城市轨道交通领域的近期成果和发展动态，为广大铁路和城市轨道交通工程技术人员架起沟通的桥梁。

　　0 引 言

　　近年来，国际电信联盟明确了5G移动通信的主要应用场景，包括增强型移动宽带、大规模机器类型通信、超可靠和低延迟通信。5G移动通信将在用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、网络能效等8个方面的技术指标较4G系统提升一个或多个数量级。以峰值传输速率和系统能量效率为例，5G移动通信的峰值传输速率预期将达到10 Gb/s，较4G移动通信的100 Mb/s提高100倍，系统能量效率相比4G移動通信需提升10倍。现有支持4G移动通信的无线传输关键技术将无法满足5G移动通信的需求，因此发展新型无线传输关键技术迫在眉睫[1?2]。

　　作为5G移动通信无线传输关键技术之一的D2D通信技术，其基本特征是在距离较近的用户终端间建立直接通信的链路，其数据传输无需基站中转，就可实现终端间各种形式的直接通信[3]。采用直接通信方式的D2D通信技术可以大幅提升用户间数据传输速率、提高系统容量、减小系统开销、增强通信可靠性。另一方面，能够实现数十Gb/s高速率传输的毫米波通信也成为5G移动通信关注的焦点，其基本原理是利用非授权频段进行超大带宽传输，实现极高速率的无线传输从而获得更大的系统容量[4?5]。毫米波通信目前在室内无线个域网和室外无线Mesh网络中均已取得相当进展[6?7]，但面向5G移动通信，其传输损耗大、易被遮挡等信道传输特性也为毫米波通信在实际中的应用带来了巨大挑战。从使用频段看，当前D2D通信的研究主要集中在6 GHz以下的低频频段，可利用的频谱资源相对稀缺，实现的无线传输峰值速率相对较低，无法满足5G移动通信大量基于视频分发的业务应用;从干扰形成机理来看，现有D2D通信技术往往采取复用蜂窝用户时频资源的传输模式，工作在6 GHz以下频段时会产生较为严重的同频干扰。如何面向5G移动通信的特点发展新型通信技术已成为学术界和工业界关心的热点问题。

　　近年来，国际和国内一些研究者开始探索利用毫米波的高信道损耗特性以及高度指向性，在毫米波频段发展D2D通信，力图在大幅度提高D2D用户间峰值传输速率的同时有效抑制同频干扰。究其原理是巧妙地将毫米波通信在信道传播方面的劣势转换为对D2D通信有利的条件，相关研究目前尚处于起步阶段。因此，探索适用于毫米波无线传输的D2D通信系统架构、无线传输理论、资源分配方案，无疑对满足5G移动通信的需求有着重要的理论价值和实际意义。

　　1 D2D通信

　　1.1 概述

　　从D2D通信的发展历史看，D2D通信最早可追溯至本世纪初，为了解决4G蜂窝网络中无线频谱资源短缺、网络建设开销大、网络容量受限等难题，研究者们提出一种终端间直通的通信机制[8]。从频率资源的利用方式看，基于蜂窝网络的D2D通信分为两种模式，分别是使用预留频谱资源的Overlay模式和复用蜂窝用户频谱资源的Underlay模式[9]，其示意图如图1所示。在Overlay模式中，D2D用户通信信道与蜂窝用户通信信道相互正交，两者之间不存在干扰，但大大降低了频谱资源利用率。在Underlay模式中，由于D2D用户复用蜂窝用户频谱资源，可有效提高系统吞吐量和频谱利用率。

　　1.2 挑战及相关研究

　　采用Underlay模式的D2D通信是目前研究的热点，但此模式下D2D用户与蜂窝用户间的相互干扰无法避免，这也使5G移动通信系统在干扰管控上面临新的挑战。针对此模式的干扰控制、功率优化、模式选择等已逐步展开[10?11]。在干扰管理机制的研究上，考虑到基站与用户发射功率的差异，共享蜂窝用户的上行资源是降低D2D链路与蜂窝链路间的相互干扰的方法之一[8，12?14]。此外，将MIMO技术与D2D通信相结合可以有效抑制链路相互间的干扰，是提高D2D通信性能的一个有效的途径。对于不同的目标用户需求，可以通过在基站侧采用波束赋型或者干扰消除等预编码策略进行干扰管控，进而提升系统性能[15?16]。

　　为了实现更广的覆盖、提高D2D通信系统的总体适用性，可以进一步将中继技术引入D2D通信系统中。利用D2D用户作为中继进行多跳通信，并采用不同的中继模式以适应不同的传输场景，进而可以获得更好的链路增益以及更广的网络覆盖[17]。将D2D用户作为移动中继进行传输时，通过设计合理的中继选择策略可以进一步提高业务公平性，提升系统性能[18?20]。与此同时，在对中继D2D通信系统的研究中，对系统速率、中断概率等系统性能的分析也已全面展开[21]。

　　此外，为进一步提高D2D链路和蜂窝链路的通信质量，对基于蜂窝网络的D2D通信系统的资源分配方案和功率优化算法的研究也已逐步展开[22?33]。在多蜂窝用户多D2D用户的通信系统中，已有工作利用不同的优化方法提出相应的资源分配方案以提高D2D通信链路的性能或蜂窝链路性能[25?27]。从链路QoS的角度，根据不同用户的QoS需求，同时考虑到信道复用方式以及信道状态信息的获取，需要设计不同的资源优化方案，以在保证用户QoS的前提下提高系统性能[28?30]。也有研究者以最大化D2D通信系统的能量效率为目标，针对不同的约束条件分别提出相应的资源分配方案[31?32]。此外，在上行链路中采用D2D通信方式并设计相应的资源管理机制可以有效解决蜂窝小区边缘通信质量差的难题[33]。

　　1.3 小 结

　　目前大多数已报道的有关D2D通信技术的研究是围绕6 GHz以下低频段的移动通信系统展开，所采用的信道模型亦是针对低频段。然而，由于6 GHz以下频段频谱资源日益紧张及带宽限制，现有面向低频段D2D通信系统的理论与关键技术无法滿足未来5G移动通信高速数据传输的需求，因此急需研究在6 GHz以上高频段，特别是在毫米波频段的D2D通信新理论与新方法，以满足未来5G移动通信的严苛指标。

　　2 毫米波通信

　　2.1 概 述

　　自1994年10月美国联邦通信委员会发布将40 GHz以上的部分毫米波频段开放供商业产品开发应用后，全球各国和地区对毫米波频段的免费开放极大地刺激了各研究机构对毫米波通信的广泛关注和积极投入。从目前看，毫米波通信能够解决短距离密集用户通信问题，是满足5G移动通信需求的有效解决方案之一。毫米波通信有着显著特点，主要表现在：

　　1) 毫米波波长极短，可利用大规模MIMO技术和自适应波束赋形技术等空间处理技术，获得更强的方向性和保密性[34];

　　2) 毫米波可以分配更大的带宽;

　　3) 频谱资源丰富且具有国际通用性，毫米波上不同频段的相对距离更近，使得不同频段具有相近的性质;

　　4) 毫米波空间传输损耗大但抗干扰能力强。由于自由空间的传播损耗与载波频率的平方成正比，因此毫米波通信的传播损耗远高于低频段通信，但同时此特性也可以有效减少同频干扰。

　　毫米波波长短的特性造成其遇到障碍物的衍射效果差，穿透物体的能力弱，容易造成阻挡效应，因此，毫米波在蜂窝移动通信系统中的传播受到了很大的限制。

　　在低频段通信中，为达到更大的网络容量和更高的传输速率，研究者提出了很多从物理层解决问题的方法，比如多天线技术、信道编码技术等。从物理层着手已经无法获得更多增益以满足未来网络的需求，因此，探索更多的可用频谱成为必然。毫米波通信的出现使得两用户间进行Gb/s的数据传输速率成为可能， 同时，随着硅半导体工业的飞速发展以及毫米波电路的设计方面所取得的跨越式进展，毫米波通信的成本得到进一步降低，也使得将毫米波用于蜂窝通信系统中成为可能[35]。

　　2.2 挑战及相关研究

　　对于工作在毫米波频段的通信系统，如何保证链路质量是毫米波通信将面临的巨大挑战。众所周知，大规模天线阵列的增益可以克服路径损耗并建立可靠的链路连接，同时，大规模天线阵列可以进行多数据流的预编码，这种预编码方式可以增加频谱利用率从而达到更高的系统容量，因此对毫米波MIMO系统的研究已逐步展开[36?43]。有研究者提出了低复杂度的最佳数字预编码策略以降低基站和用户的功率开销[36]。相对于传统的全数字预编码方式，毫米波MIMO系统中采用数字?模拟混合预编码方式可以降低硬件成本降低算法复杂度、提高编码质量、增加毫米波MIMO系统的吞吐量[37?38]。

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