5G时代D2D与V2X通信技术剖析

# 5G 时代下 D2D 与 V2X 通信技术深度解析 ## 1. 引言 在当今通信技术飞速发展的时代，设备到设备（D2D）通信和车联网（V2X）通信成为了研究的热点。D2D 通信指的是两个或多个处于彼此传输范围内的用户设备（UE）之间的“直接模式”通信，即通信无需经过基站等网络实体。V2X 通信则涵盖了车与车（V2V）、车与行人（V2P）、车与基础设施（V2I）以及车与网络（V2N）之间的信息交换。 ### 1.1 应用场景 D2D 和 V2X 通信在不同领域有着广泛的应用场景，部分已在 4G 系统中实现，而更多的应用则有望在 5G 系统中得到支持。 - **公共安全通信**：在火灾、地震、海啸等自然灾害和突发灾难中，现有的网络基础设施可能会被破坏，此时基于 D2D 的网络能够快速搭建，为应急服务提供支持。 - **基于近距离的应用**：设备之间可以直接通信，实现本地广告、社交应用、内容共享和游戏等功能。 - **流量卸载**：通过 D2D 本地数据共享，可以节省网络资源，减少端到端延迟。 - **可穿戴设备和物联网**：5G 的目标之一是实现各类设备的连接，D2D 设备可以作为中继，使建筑物内和覆盖范围外的传感器设备以及家用电器能够以 D2D 模式通信，避免所有设备直接接入基站。此外，智能手表和健康监测设备等可穿戴设备可以通过稀疏连接到手持设备作为中继来节省电量。 - **V2X 应用**：可分为安全相关和非安全相关（商业）两类。安全相关应用包括自动驾驶、高密度车队行驶、地图服务和精确定位等；商业应用包括移动高数据速率娱乐、移动热点和软件更新等。 ### 1.2 5G 设计视角下的技术挑战 在 5G 时代，D2D 和 V2X 功能需要原生支持到 5G 无线和下一代网络系统的控制和用户平面协议栈中，这带来了以下几个方面的挑战： - **设备间的信道探测**：在 D2D 通信中，需要估计设备之间的链路质量。在 5G 中，应基于复用用于蜂窝上行链路的相同探测参考信号（SRS）来实现，这与 LTE Release 12 中使用专用信号进行 D2D 链路估计的方法不同。由于设备不能同时发送和接收 SRS，因此需要设计 SRS 静音模式，以便设备能够随时间估计与附近其他设备的链路。 - **设备间的控制信令**：如何实现直接通信设备之间的控制信令（如 ACK/NACK、信道质量指示符 CQI 反馈）是一个设计挑战。这预计将基于为蜂窝通信设计的相同控制信道来构建，但设备不能同时发送和接收上行控制信号。 - **协作 D2D 通信的挑战**：协作 D2D 通信中，D2D 对作为中继，促进蜂窝用户与基站之间的传输，以提高频谱效率。挑战在于 5G 无线接入网（RAN）如何动态允许协作 D2D 模式选择和通信，同时确保干扰缓解，例如在共享无线资源上同时进行 D2D 和蜂窝 UE 到基站的通信时。 - **车载网络中安全消息同时传播的干扰管理**：V2X 通信的主要动机之一是提高道路安全性，车辆需要定期发送包含其当前位置、速度和加速度等参数的消息。在现实场景中，由于资源的空间复用，会导致干扰和消息冲突，而车辆的高移动性和消息传输频率使得干扰管理变得极为困难。 ## 2. 技术现状与标准化概述 ### 2.1 D2D：3GPP 标准化概述 3GPP 从 Release 12 开始研究基于 LTE 的 D2D 通信。最初的研究阶段主要由运营商和供应商推动，旨在确定支持 LTE 网络上 D2D 服务的用例、场景和系统需求。相关成果被纳入系统架构组 SA1 规范 TS 22.278 中，包括基于接近性的发现服务（ProSe 发现）和通过演进的通用移动通信系统（UMTS）陆地无线接入网（E - UTRAN）进行的 ProSe 通信，适用于网络覆盖内和覆盖外的用户。在 Release 12 和 13 中，网络覆盖外的规范主要侧重于公共安全服务。此外，还规定了增强分组核心（EPC）对无线局域网（WLAN）上 ProSe 通信的支持。 对应 SA1 的要求，SA2 规定了演进分组系统（EPS）中 ProSe 功能的第 2 阶段，并在 TS 23.303 中提供。该阶段包括 ProSe 直接或 EPC 级发现以及使用 E - UTRAN 或 WLAN 直接进行的 ProSe 直接通信的规范。UE - to - UE 接口（PC5 接口）在 TS 23.303 中定义，在 RAN 规范中称为侧链路。3GPP RAN1 的方面，如同步信号设计、同步程序、设备发现和资源分配等，在 3GPP TS 36.211 中规定。TS 36.331 规定了侧链路发现和通信的无线资源控制（RRC）协议方面。SA3 负责接近性服务的整体安全方面，相关规范在 3GPP TS 33.303 中。 未来，3GPP 在 Release 14、Release 15 及以后的工作将重点关注可穿戴设备和物联网等商业用例，讨论商业应用的覆盖外场景，并计划规定基于第 2 层的中继支持。从物理层设计角度来看，未来版本的新无线电规范预计将原生支持侧链路传输。 ### 2.2 V2X：3GPP 标准化概述 3GPP 目前关于 V2X 的规范主要集中在对长期演进 - 高级（LTE - A）的增强上，但已经制定了在 5G 工作中支持 V2X 的路线图，包括新无线电（NR）和下一代（NG）工作项目。LTE 上 V2X 服务的用例和系统需求来自汽车行业、运营商和供应商，在 TS 22.185 中规定。对于 Release 15 及以后，3GPP 路线图旨在支持与 SA1 TR 22.886 中研究和纳入的用例和需求相对应的 V2X 服务。这些服务可以基于新无线电和/或 LTE 使用 3GPP 系统进行通信传输。SA1 TR 22.886 和随后的 TS 22.186 将所有用例分为五类：车辆编队、高级驾驶、远程驾驶、扩展传感器和一般方面。 系统级架构在 TS 23.285 中规定，旨在解决 TS 22.185 中的用例和需求，包括促