倪艺洋，王玉玺，朱洪波
（1.江苏第二师范学院数学与信息技术学院，江苏南京 210003；2.南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏南京 210003）
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移动通信需提升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]。
图1 使用预留频谱资源模式和复用蜂窝频谱资源模式示意图Fig.1 Application of reserved spectrum resource mode and reused cellular spectrum resource mode
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满足未来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]。也有研究者对毫米波MIMO 系统的天线设计、信道估计等做了相关研究[40-42]。
另一方面，毫米波信道易被阻塞的特性也成为毫米波通信发展的瓶颈问题。在毫米波通信中，非视距传输的传输损耗比视距传输的传输损耗高很多，对于工作在60 GHz 的通信系统，当收发信双方的距离为10 m 时，视距和非视距的路径传播损耗相差约[43]10 dB，在功率受限的系统中，10 dB 的功率损耗需要降低10 倍的传输速率以保证传输的可靠性。因此，建立毫米波通信中两用户的视距传播路径是毫米波通信中避免链路阻塞的有效方法。一种克服毫米波信道阻塞的有效方法就是在毫米波系统中使用中继，通过中继节点转发，使得两用户间进行多跳视距通信，帮助毫米波信号绕过受阻塞的链路，增加毫米波接收信号的信号强度，增加毫米波链路的连通性[44-46]。
2.3 小 结
不难看出，毫米波通信的研究目前已围绕着天线设计、预编码策略、毫米波中继传输等多个方面全面展开，面向蜂窝通信网络架构下的毫米波传输技术的研究相对较少，尤其是对移动环境中毫米波通信的研究尚在起步阶段。
3 毫米波D2D通信
将毫米波与D2D通信技术相结合进而充分发挥毫米波通信以及D2D通信的优势，是5G 移动通信研究的热点之一。在毫米波通信中，相近的用户间采用D2D通信方式进行并发传输，可以进一步提高系统的传输效率[47]，但是毫米波的高频段会增加D2D 设备的各种开销。在传统低频段的多天线系统中，波束赋形和预编码可以在基带进行数字化处理，而在毫米波通信中信号设备具有高开销和大功率消耗的特点，使得模拟的处理方式在射频域的应用吸引了更多的关注。根据毫米波信道的空间结构，可以将预编码/组合器的问题转化为稀疏数据重构的问题，并提出精确的近似最优预编码器和组合器的算法，从而在低开销的射频硬件中进行应用[48]。
增强毫米波链路的连通性以及覆盖范围的有效途径是合理利用中继节点，利用具备在较多频段实现无线通信能力的移动终端充当中继节点，为基于毫米波无线传输的D2D通信提供契机与基础。利用D2D通信技术将原有的毫米波阻塞链路转变为多跳视距通信链路，进而保证毫米波通信质量的方法引起了学者们的广泛关注。通过设计合理的路径选择算法、D2D 并发传输方法，可以建立毫米波用户之间的多跳传输路径，提高系统速率[49-50]。此外，还可以采用混合的通信模式，在链路没有阻塞时利用毫米波频段进行通信，在其他情况下则用低频段进行通信。通过这种混合的方式更好地发挥毫米波通信的宽频带，避免在基于毫米波无线传输的D2D通信系统中因遭受链路阻塞而产生的高损耗[51]。与此同时，在基于毫米波无线传输的D2D通信系统中，由于其特殊的信道传输特性，针对基于低频段的D2D通信系统资源优化方案已经不再适用。已有研究者对毫米波频段的小区无线接入传输调度机制进行了研究，分析了传输调度机制对基于毫米波无线传输的D2D通信用户性能的影响，包括通信模式、通信负载、用户密度、用户移动性等，揭示了当通信负载较重时，随着用户密度的增加，D2D通信的性能得以提高[52]。在基于中继的毫米波通信系统中，针对毫米波传输的阻塞以及高损耗特性设计合理的资源分配方案，以提高系统可达速率、降低总发射功率、提高能量效率。设计时还应考虑到总发射功率和系统量之间的折衷[53-56]。此外，在对毫米波D2D通信系统的性能分析上，相应的研究也初步展开，特别在覆盖概率、区域谱效率、中断概率等性能的分析上已取得初步进展[57-59]。
4 毫米波D2D通信研究热点展望
针对5G 移动通信对系统吞吐量、谱-能率以及覆盖能力提出的突破性需求，可突破传统运行于低频段的D2D通信理论与关键技术在5G 移动通信中的应用限制，探索适用于大带宽传输、高定向性波束以及易受阻挡效应的毫米波D2D通信理论方法。目前，5G 移动通信的研究工作已在全球范围内全面展开，伴随着标准化进程的快速推进，基于毫米波无线传输的D2D通信已引起研究者的极大重视，可以跟随5G 移动通信发展的前沿动态展开后续研究工作。
4.1 低复杂度动态波束赋形及波束追踪
从标准化进程看，5G 移动通信系统中基站和移动用户都将配置较高维度的天线阵列，利用多天线的阵列增益可以有效提高通信的接收功率、补偿毫米波无线信道高路径损耗。目前已有文献中提出的大规模毫米波多天线信道模型与普通毫米波多天线信道模型之间存在差异，能否直接将该模型应用到多天线的毫米波移动终端需要进一步的研究，毫米波信道本身更加接近于直达径信道的特性也需要考虑。此外，毫米波频段的基站密度、天线辐射方向、衰落因素等系统参数与低频段网络中的系统参数有着较大差异。以天线辐射方向为例，在毫米波频段天线的辐射方向窄，主瓣和副瓣的特性与低频段有着较明显的区别，如图2 所示。 因此针对基于毫米波的D2D通信系统，需要深入研究该模型中各系统参数对系统性能的影响。
图2 毫米波频段天线辐射方向与低频段天线辐射方向对比图Fig.2 Comparison of antenna radiate directions in millimeter wave band and low frequency band
波束成形是毫米波通信的关键技术之一。 采用大规模天线阵列实现波束成形，可有效地提高基站覆盖与吞吐量，如果发射机和接收机同时配置大规模天线阵列，采用波束成形及合并可以明显地扩展基站覆盖范围，并且有效地降低基站之间的干扰。针对移动用户端射频通道受限的情况，可以研究模拟/数字混合波束成形（合并），如图3 所示。对于毫米波频段射频通道成本、功耗、封装尺寸等瓶颈问题，考虑到性能和成本之间取得合理折中，可采用数字和模拟混合天线阵列。考虑到毫米波D2D通信中的终端计算能力和功耗受限，为进一步提升系统频谱效率和能量效率，可以进一步研究面向毫米波D2D通信的低成本、低功耗的模拟/数字混合波束成形方法。
图3 模拟/数字混合预编码的发射机Fig.3 Analog/digital hybrid pre-coding transmitter
4.2 毫米波D2D通信协作传输
由于毫米波存在信道衰耗大、易受阻挡等缺点，因此毫米波是否可以应用在蜂窝移动通信网中长期以来一直是备受争议的问题。无线信号通过大气传播时，由于氧气、湿度、雾和雨等自然环境因素的吸收和散射，会产生信号衰减。现有的信道测量结果显示，无线信号频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近。
针对以上问题，可以通过不同地区的不同自然环境，预先做好充分的链路预算，求出该区域毫米波最大传输距离，进而解决由自然环境引起的毫米波链路中断。尽管可以通过足够的链路预算来克服恶劣天气对毫米波的影响，但毫米波的阻挡效应仍是一大挑战。毫米波在传输中容易被各类建筑物、移动的车辆、人体本身甚至是握着手机的手所阻挡，因此在基于毫米波的D2D通信中需要深入研究可有效克服阻挡效应的无线传输理论与方法，提升系统的吞吐量与覆盖性能。
首先，众所周知，针对基于瞬时信道条件的链路自适应是4G 系统中实现逼近容量传输的关键技术之一。随着5G 移动通信采用大规模天线阵列技术实现毫米波无线传输，完整的瞬时信道状态信息的获取存在挑战，加之阻挡效应会恶化系统性能，因此需要深入研究综合利用统计和瞬时信道状态信息的链路自适应传输技术。特别地，不同于4G 系统中的信道环境，毫米波无线信道由于指向性较强，局部信道质量得到较为明显的提升，支持多信息流空分复用传输的能力显著增强，但同时由于移动用户运动及阻挡效应可能会导致系统通信中断，可以在发射端通过估计/预测对当前链路信道质量进行有效评估，并对传输参数进行动态调整以自适应匹配链路信道的波动。
其次，在毫米波通信中，由于定向天线以及高传播损耗这两个特征，当移动用户端发射功率较低时，也会造成覆盖范围较小的问题。与此同时，在毫米波通信中，用户的干扰将会大幅降低，系统可以支持更多的用户进行D2D通信，这也意味着系统可以容纳更多的可以用于中继传输的用户。由此可以进一步研究面向毫米波D2D通信的中继选择策略，结合放大转发、译码转发、压缩转发等中继协议，结合最优化理论，设计合理的中继选择方法以提高信号的有效传输距离，实现覆盖性能的大幅提升。
5 结 语
5G 移动通信系统将在2020 年以后全面实现商用，其各项系统性能较现有4G 系统将有质的飞跃。作为5G 移动通信的关键技术，D2D通信技术以及毫米波无线传输技术成为当下研究热点。本文详细分析了D2D通信技术、毫米波无线传输技术以及基于毫米波的D2D通信技术的发展历程、技术特点、应用场景，并进一步讨论了毫米波D2D通信的未来研究方向以及需要解决的若干关键问题。
