Обзор сервисов device-to-device (D2D) в стандартах 3GPP

Общие сведения

Device-to-device сервисы для сетей связи стандарта LTE впервые появились в стандартах 3GPP Rel. 12. Разработка прямой связи между ближайшими мобильными устройствами позволяет улучшить эффективность использования спектра, общую пропускную способность, эффективность потребления энергии, позволяет дополнительно внедрять новые сервисы и приложения типа точка-точка (peer-to-peer). LTE устройства с поддержкой D2D также могут быть использованы для организации систем связи общественной безопасности, в случае когда основная сеть недоступна или её работа была нарушена. Внедрение D2D создает множество вызовов и рисков для сотовых архитектур старых стандартов, которые сфокусированы вокруг базовой станции. Мы приводим обзор стандартных функций D2D в сети 3GPP, выявляя нерешённые технические задачи, извлекая уроки из исходных оценочных исследований, сводя воедино «лучшую практику» дизайна радио интерфейса с поддержкой D2D в сотовых сетях LTE.

Введение

С недавнего времени наблюдается повышенный интерес к поддержке сервисов при использовании прямой связи между устройствами (D2D). Заинтересованность в этом в основном была обусловлена популярностью приложений для социальных сетей. Первые попытки были сделаны инженерами сферы беспроводных технологий, которые поспособствовали знакомству с этим социально-технологическим трендом: компания Qualcomm первая разработала систему мобильной связи, известную как FlashLinQ, в которой беспроводной сенсор внедрён для обеспечения бесконтактной связи (на малых расстояниях) между устройствами [1]. Стандарты 3GPP нацелены на возможность использования D2D связи в сетях LTE, что позволит сетям LTE стать конкурентоспособной технологией широкополосной связи для организации сетей связи общественной безопасности [2]. Из-за бюрократических проблем и ограниченности бюджета для организации сетей связи общественной безопасности в настоящий момент до сих пор используются сети основаны на технологиях 2G, таких как Project 25 (P25) и наземное транкинговое радио (TETRA), в то время как коммерческие сети быстро внедряют LTE. Существенная разница в уровнях технологий и желание расширения услуг привели к глобальным попыткам усовершенствования существующих сетей общественной безопасности. Например, в США принято решение построить сеть общественной безопасности на базе LTE, работающую в полосе частот 700 MHz. Сравнивая с коммерческими сетями, сети общественной безопасности имеют более строгие режимы работы (надёжность и безопасность) и также требуют прямую связь между устройствами, особенно когда сотовая сеть недоступна [2, 3]. Эта важная функция ранее отсутствовала в сетях LTE. С технической точки зрения, использование связи между устройствами может обеспечить множество эксплуатационных преимуществ [4]:

  • D2D устройства поддерживают высокую скорость передачи данных и низкие сквозные задержки благодаря прямому обмену по короткому расстоянию.
  • Для устройств, находящихся в непосредственной близости, менее энергозатратно устанавливать связь между собой, чем устанавливать соединение через eNB. В частности, сравнивая с обычными downlink/uplink соединением, прямая связь экономит энергоресурс и повышает эффективность использования радио ресурса.
  • Переход от сотовой связи к прямому соединению сможет разгрузить трафик сотовой сети, уменьшить загруженность сети, и таким образом повысить общую эффективность использования других пользовательских устройств, не использующих D2D соединение.

Другие преимущества могут быть достигнуты путём расширения зоны действия за счёт ретрансляции от одного устройства пользователя к другому (UE-to-UE). Рисунок 1 показывает возможные варианты использования D2D.

Варианты использования D2D и потенциальная выгода

Рис.1. Варианты использования D2D и потенциальная выгода.

С экономической точки зрения, D2D технология в сетях LTE должна создавать новые возможности для бизнеса, хотя, коммерческое применение не является частью стандарта LTE Rel. 12. Для примера, многие мобильные приложения стараются находить пользователей, находящихся в непосредственной близости, но процедуры поиска устройств (например, Facebook Places) обычно не работают в автономном режиме. При запуске приложения сначала регистрируется информация о их местоположении в центральном сервере, а затем центральный сервер распространяет информацию о местоположении пользователя другим пользователям, использующее то же приложение. Но если бы обнаружение устройства происходило автономно, без физической регистрации местоположения - это привлекло бы поставщиков услуг. Другое применение для интернет-бизнеса, это, когда частная информация должна использоваться локально между двумя сторонами при передачи больших файлов (например, только что снятое видео, которым нужно поделиться между друзьями).
Изначально, варианты использования бесконтактных сервисов (proximity services или ProSe), также известных как LTE-Direct, были рассмотрены в [5], и соответствующие усовершенствование архитектуры было изучено в [6]. В дополнение, новые вопросы для исследования системы D2D были согласованы в декабре 2012 года на планерном заседании RAN [7]. После чего, благодаря последним встречам 3GPP был сделан прогресс в методологии организации сервисов и моделях каналов для D2D, и 3GPP согласовали это в LTE Rel. 12. Сервисы ProSe основное внимание будут уделять сетям связи общественной безопасности, в частности соединениям точка-многоточка “one-to-amany” [9]. В рамках 3GPP, рабочие группы отвечают за изучение архитектуры построения сервисов ProSe, в то время как рабочие группы RAN отвечают за изучение показателей радио сигналов. Архитектурные аспекты включают изучение архитектуры, сервисов и безопасность. Показатели радио сигналов включают в себя синхронизацию, обнаружение устройств и их взаимодействие.

Обзор 3GPP сервисов связи на близких расстояниях (ProSe)

В этом разделе, мы представим вам краткое описание 3GPP ProSe сервисов, включая основные случаи использования, сценарии, методологию улучшения, и модели каналов связи. Эти аспекты лежат в основе дизайна ProSe.

Основные функции и сценарии

Обнаружение устройств D2D и организация канала связи – это два основных направления для организации сервисов 3GPP ProSe. Различные варианты использования сервисов ProSe изучены в [5]. C точки зрения пользовательских устройств, при обнаружении устройств D2D для того чтобы определить другие пользовательские устройства, которые находятся в непосредственной близости используется радиоинтерфейс стандарта LTE. Обнаружение устройств D2D можно разделить на две категории: ограниченное обнаружение и открытое обнаружение, в зависимости от того необходимо разрешение или нет. Организация канала в D2D– это установка связи между двумя пользовательскими устройствами, которые находятся в непосредственной близости, используя для установки соединения радиоинтерфейс LTE, не затрагивая eNBs и ядро сети. В данном случае, под близким расстоянием будет подразумеваться более дальнее расстояние, чем просто физический контакт. Необходимо учитывать, что расстояние зависит от состояния канала связи, отношения сигнал/шум (SINR), пропускной способности, задержки, плотности и загрузки. В общем, сервисы ProSe могут не ограничиваться только стандартом LTE. В частности, при работе в ISM диапазонах, ProSe сервисы могут работать с использованием существующих технологий (например, Wi-Fi direct) [5]. Для простоты, 3GPP разбила сценарии работы D2D на категории с точки зрения наличия сетевого покрытия. Для варианта «в зоне покрытия» (in-coverege) необходимо, чтобы все пользовательские устройства были в зоне покрытия базовой станции, в то время как для варианта «вне зоны покрытия», устройства должны быть вне зоны покрытия. Сценарий «частичного покрытия» - что-то среднее, когда несколько устройств находятся в зоне покрытия, когда как остальные нет.

Сравнение D2D и Ad Hoc сетей

Прежде чем углубляться в анализ D2D и его дизайн, будет полезно сравнить D2D с мобильными сетями Ad Hoc (MANETs), которые изучались и активно развивались около трёх десятилетий с ограниченным успехом, по причинам, частично задокументированным в [10]. Ключевое отличие D2D от Ad Hoc сетей заключается в том, что D2D может пользоваться поддержкой сетевой инфраструктуры (сеть Базовых станций), для функций управления, синхронизации, установления сессии, выделения ресурсов, маршрутизации, и других дополнительных функций, которые весьма энергозатратны в MANET. Более того D2D сети состоят из локальных, необходимых для организации соединения связей вида single-hop, в то время как для MANET необходимо использовать multi-hop соединение, и в некоторых ситуациях нельзя избежать соединения через много узлов, что ухудшает производительность сети. В сотовых сетях с использованием D2D допускается прямое соединение только когда это необходимо, обеспечивая эффективный резерв через eNodeB.
В случае сетей общественной безопасности, D2D должна работать без поддержки eNodeB, что похоже на работу в системах MANET. Обслуживание в режиме «без покрытия»  для D2D должно быть простым, и больше похожим на рацию, чем на (полный) MANET, когда может передаваться и потоковое видео. Более того, в случае режима «без покрытия» абонентские устройства группируются (порядка нескольких десятков узлов), когда выделяется устройство, которое работает как eNodeB.

Добавление D2D функций в LTE связано c множеством проблем и рисков. Сеть сотовой связи существует несколько десятилетий, и операторы сотовой связи будут препятствовать внедрению технологий, которые будут уменьшать их контроль над сетью (в основном на БС). Более того, все существующие технологии сотовой связи включая LTE в основном спроектированы и оптимизированы для связей eNodeB – абонентское устройство. При использовании D2D, предполагающий наличие каналов связи между устройствами, при разработке дизайна сети необходимо принимать во внимание воздействие D2D на всю сеть в целом.

Методология оценки и модели каналов

Каждое из вышеупомянутых исследований сервисов D2D включает в себя обширные темы дизайнов/наработок, где требуется сравнения различных технических аспектов. На первом этапе необходимо было согласовать единую систему оценки. В этом аспекте был сделан значительный прогресс в 3GPP. В результате, доступно шесть различных вариантов [8]. Например, варианты 1 и 4 включают удалённый радиоприёмник (RRH) или зону внутри помещения (hotzone), в то время как остальные варианты учитывают только макроячейки.
Подходящие модели каналов важны для получения реалистичных результатов для оценки D2D систем как в симуляции канала связи, так и в симуляции систем. Существующие асимметричные eNodeB-UE модели каналов плохо подходят для моделирования оконечное устройство-оконечное устройство (UE-UE) каналов. В частности, следующие факторы делают характеристики распространения UE-UE соединений отличными от eNodeB-UE соединений.
Двойная мобильность (dual mobility) – При eNodeB-UE соединении, мобильны только UE устройства, в тот момент, как eNodeBs неподвижны. В случае взаимодействия UE-UE оба терминала могут быть мобильны, создавая сценарий двойной мобильности. Такая двойная мобильность влияет на временную корреляцию затенения, также на быстрое угасание (увеличение допплеровского распространения).
Низкая высота антенны – Высота размещения антенны eNodeBs может варьироваться от нескольких метров (для фемтосот) до десятков метров (для макросот), в то время как типичная высота размещения антенны абонентского устройства составляет 1,5 метра. При одинаковой длине линии связи UE-UE соединение подвергается большим потерям в канале связи, чем при eNodeB-UE. К тому же, поскольку оба терминала UE-UE соединения расположены низко, они видят одинаковую зону рассеяния, которая отличается от среды рассеивания, в которую излучают eNodeBs.
Межканальная корреляция – Ожидается, что плотность расположения D2D UE устройств будет высокой; для примера, в 3GPP для оценки обнаружения D2D используется 150 устройств на соту [8]. В результате, ожидается малое расстояние между UEs; сравнивая с eNodeB-UE связями, в характеристиках распространения UE-UE канала более высокая корреляция, включая затенение, угол прихода, угол ухода и задержки распространения.
Учитывая все выше перечисленные отличительные черты UE-UE соединения, идеальным подходом было бы провести реалистичные измерения и разработать подходящую модель D2D канала. Однако, это может значительно замедлить ход исследования D2D [7], поэтому основная идея адоптировать существующие каналы 3GPP для D2D [8, таблица A.2.1.2]. Конкретно, модели канальных потерь в D2D в основном адаптированы из Winner + B1, International Telecommunication Radiocommunication Standards (ITU-R) IMT, и двухканальных моделей. Предполагается, что величины затенения независимые и одинаково распределены (логнормально); отклонение уровня затенения зависят от условий модели D2D. Модели быстрых затуханий – это адоптированная модель ITU-R IMT c пересмотренным доплеровским моделированием для обеспечения двойной мобильности в каналах D2D.

Аспекты дизайна

Сервисы D2D ProSe это относительно новый объект исследований и дизайн носит открытый характер. В этой части, мы предоставим обзор подходов в проектировании, которые обсуждаются в 3GPP, разделяя их на четыре части: управление ProSe, синхронизация, обнаружение устройства и прямая связь. В этом разделе сравниваются варианты дизайна, кратко изложенные в таблице 1. Суждения базируются на основе систем радиодоступа; более высокоуровневых систем, таких как безопасность, авторизация, конфиденциальность, и биллинг, которые могут быть найдены в [6].

 

Варианты дизайна

Ожидания

Ограничения

Режим управления «вне зоны покрытия»

Мастер – ведомый

(clusterhead)

Топология подобна E-UTRAN

Повторное использование функций eNB

Требует кластерную схему

Мастер (основной) UE становится узким местом

Накладывает большую нагрузку на основной UE, который может  «протесту»

Ad Hoc

Распределенные и "демократичные"

Значительно отличие от E-UTRAN топологии

Накладные расходы могут быть высоки

Распределение ресурсов для сигналов D2D

Статические

Низкая сложность и накладные расходы

Подходит для случаев обнаружения устройств

Нет возможности для адаптации под нужды динамического трафика

Динамические

Более гибкое использование ресурсов

Высокая сложность и накладные расходы

Использование радиоресурсов

Downlink

Можно использовать downlink Rx сеть

Интерференционные помехи при приёме downlink на UE

Downlink ресурсы перегружены

Сложность управления сигнализацией в downlink

Управляемые ограничения (для FDD LTE)

Требуется downlink Tx сеть на UE (для FDD)

Uplink

Можно использовать uplink Tx сеть

Интерференционные помехи в uplink передаче на eNodeB

Требуется uplink Tx сеть на UE (для FDD)

Тип модуляции

SC-FDMA

Низкое среднее значение пиковой мощности (PAPR)

Требуется новый SC-FDMA приёмник на UE

OFDMA

Сложность добавления OFDM Tx ниже, чем добавления SC-FDMA Rx

Высокий PAPR, что приводит к снижению энергоэффективности

Более короткий диапазон

HARQ

Прямая

Одинаковое решение для случаев «в зоне покрытия» и «вне зоны покрытия» D2D

Обратная связь HARQ неизвестна

Косвенная

Можно повторно использовать существующие downlink и uplink каналы с минимальными изменениями

Высокие доп. расходы

Более длинные задержки обратной связи

Тип обнаружения

Прямое обнаружение

Не требуется сотовое покрытие

Лучше подходит для открытого обнаружения

Более частые передачи сигнала обнаружения

Влияет на заряд аккумулятора UE

Непрямое (маршрутизируемое сетью)

Можно повторно использовать downlink и uplink каналы с минимальными изменениями

Требуется EPC для отслеживания UE Опирается на сотовое покрытие

Обнаружение сигнала

На основе последовательностей

Низкая сложность приёма/передачи

Последовательность может быть повторно использована для синхронизации

Ограничения передаваемой информации

На основе пакетов

Может содержать ценную информацию

Приём/передача сложнее, для примера, синхронизация может быть запрошена до декодирования

Синхронное/ асинхронное обнаружение

Синхронное обнаружение

Эффективен с точки зрения UE энергии и использования радиоресурсов

Быстрее и надёжнее (т.е. меньше ложных тревог)

Синхронизация до обнаружения может быть недоступна для случая «вне покрытия»

Асинхронное обнаружение

Работает в обоих случаях (сценарий «в зоне покрытия/вне зоны покрытия»)

Низкая эффективность с точки зрения потребления энергии и использования радиоресурсов абонентским устройством

Таблица 1. Сравнение различных вариантов дизайна 3GPP ProSe.

Управление сервисами ProSe

Режим управления (Ad Hoc vs. Clusterhead) – В сотовой связи, включая LTE, плоскость управления существует только между UE и сетью, т.е., сеть полностью контролирует работу мобильных телефонов за исключением стандартизированных и специфических для поставщика оборудования аспектов. Когда D2D устройства находятся в зоне покрытия, ProSe должен находиться под постоянным контролем и управлением сетью. Однако, полный контроль сетью над поведением D2D UE устройств может быть пересмотрен. Для примера, использование алгоритма повторной передачи данных (HARQ) в устройствах D2D может снизить сетевую нагрузку и уменьшить задержки обратной связи. Данные наблюдения сподвигли к необходимости разделения функционального контроля между сетью и UE, как показано на рисунке 2. Для каждого режима разделения необходим детальный анализ и изучение.

Режимы контроля UE для различных сценариев D2D

Рисунок 2. Режимы контроля UE для различных сценариев D2D.

Кроме того, D2D устройства могут переместиться в зону без покрытия, в которой сотовая сеть теряет возможность контроля. Две разных топологии контроля ad hoc и clusterhead показаны на рисунке 2. В Ad hoc топологии, каждое D2D UE устройство контролирует своё поведение, и передача может быть скоординирована средствами протокола доступа к среде (MAC), таким как вероятностный сетевой протокол (CSМА). Такой режим управления прост с точки зрения реализации. Однако, случайный MAC протокол не так эффективен, как централизованное планирование ресурсами. Также, они не очень хорошо вписываются в существующую архитектуру LTE; и таким образом, потребуется значительная реорганизация сети LTE.
В случае топологии основанной на clusterhead контроле, одно UE устройство принимает основную роль и действует как кластерная ячейка в группе UE устройств [12]. Кластерная ячейка действует как eNodeB и решает задачи локальной синхронизации, управлением радио ресурсом, планированием D2D передачи, и другими функциями в своём кластере. Данный режим делает топологию без покрытия ProSe (по крайней мере вне зоны покрытия точек управления) похожей с E-UTRAN, где eNodeBs обслуживают UE устройства в соте, также преимущество в том, что многие существующие функции структуры E-UTRAN могут быть применены (возможно с необходимыми для этого модификациями) в D2D вне зоны покрытия. Минусы при таком контроле заключаются в том, что кластерная ячейка становится узким местом контроля, и это приводит к быстрому разряду батареи.
Заметим, что режим управления мастер-ведомый не ограничивается сценарием «вне зоны покрытия». Например, авторизованные в зоне покрытия сотовой сети UE устройства могут принимать роль мастера и контролировать UE устройства вне зоны покрытия, которые находятся в том же диапазоне. В качестве альтернативы, он может выступать как реле для приема и повторной передачи управляющих сигналов от eNodeB к UE устройствам вне зоны покрытия, как показано на рисунке 2.
Канал вниз (downlink) vs. канал вверх (uplink) – в то время как абонентские устройства обычно имеют доступ к выделенному спектру, коммерческие D2D устройства вынуждены делить радио ресурс с существующими сотовыми устройствами в парном дуплексе с частотным разделением (FDD) или непарном дуплексе с временным разделением (TDD) в LTE сетях. Когда D2D передача использует ресурсы downlink канала, передающее D2D устройство может быть причиной сильной интерференции с близкими устройствами, которые находятся в той же соте и принимают uplink трафик.
Есть несколько причин в пользу использования uplink ресурсов. Первое, ресурсы uplink канала часто менее используются, чем ресурсы downlink канала, поэтому совместное использование ресурсов uplink канала с D2D может повысить эффективность использование спектра. Во-вторых, определенные типы информации, такие как управление, пилот-сигналы и сигналы синхронизации всегда передаются в downlink канале. Чтобы свести к минимуму влияние D2D на производительность сети в downlink канале, необходим сложный, почти неосуществимый дизайн. В-третьих, повторное использование ресурсов uplink канала может минимизировать помехи D2D с помощью сотовой передачи, поскольку помехи могут быть лучше обработаны eNodeB, которые обычно расположены вдали от устройств UE и являются более мощными. Последнее, но тем не менее важное, в FDD LTE, использование ресурсов uplink канала требует, чтобы UE было способно принимать в uplink, в то время как использование ресурсов downlink канала требует, чтобы UE было способно передавать в downlink. В дополнение к проблемам регулирования, последнее сложнее с точки зрения проектирования аппаратного обеспечения (из-за более строгих условий RF передачи).

Управление ресурсами – Когда UE устройства находятся в зоне покрытия, сеть отвечает за управление радиресурсами. Сеть может распределять ресурсы либо динамически (то есть на основе текущей потребности в передаче D2D), либо статически (то есть, определенные ресурсы периодически резервируются для передачи D2D). Очевидно, что динамическое распределение использует радиоресурсы более гибко за счет больших затрат на управление, в то время как обратное верно для статического распределения.
Для обнаружения устройств D2D, статическое распределение кажется подходящим. Если радиоресурсы распределяются динамически, UE устройства должны быть постоянно активными, что приводит к высокому потреблению энергии. Напротив, статическое распределение может минимизировать влияние обнаружения на батарею абонентского устройства. Например, структура пакета может быть стандартизирована таким образом, 50 смежных подкадров uplink каждые 5 секунд зарезервированы для обнаружения, потребляя всего 1 процент от пропускной способности сети. Это позволяет устройствам UE, участвующим в обнаружении, «спать» в течение 99 процентов времени и просыпаться только для приема/передачи сигналов обнаружения в предопределенных подкадрах.
Для организации взаимодействия между D2D устройствами, более уместно динамическое распределение, чем статическое, так как флуктуации D2D трафика могут значительно отличаться как по пространству, так и по времени. Заметим, что, если плотность D2D устройств высока, централизованное планирование ресурсов по шкале времени 1 мс может включать в себя высокие дополнительные расходы для сбора информации о состоянии канала UE-UE и затем информирования UE устройств о запланированном решении. С другой стороны, сеть может легко распределить пул ресурсов для D2D связи и позволить D2D UE устройствам конкурировать за него используя протоколы случайного доступа.
Когда абонентские устройства находятся вне зоны покрытия, радио ресурсом можно управлять централизованно (сlusterhead).  В качестве альтернативы, UE может быть предварительно сконфигурировано с использованием протокола доступа к распределенному ресурсу (например, CSMA), который может быть запущен, когда UE покидает зону покрытия.

Синхронизация

Синхронные D2D передачи это очень существенное преимущество сети D2D перед MANET. eNodeB предусматривает синхронизационный маяк. Для примера, в случае синхронизированного по времени обнаружения устройства, абонентские устройства могут быть активны только в предопределенный временной слот для приема информации об обнаружении. Это потребляет намного меньше энергии, чем асинхронное обнаружение, где может быть запрошен продолжительный поиск для обнаружения сигналов. Тем не менее, синхронизация для D2D передачи является сложной задачей, потому что это обычно включает несколько соединений: сигналы излучаются от разных передающих UE устройств (в отличие от ситуации с downlink каналом) и приходят на разные принимающие UE устройства (в отличие от ситуации uplink каналом).
Когда D2D UE устройства находятся в зоне покрытия и синхронизированы с соответствующими eNodeB, первый вопрос в FDD LTE заключается в том, следует ли выбирать синхронизацию uplink канала или downlink канала для D2D передачи. Если полоса uplink канала используется для связи, использование синхронизации uplink канала для D2D передачи может создавать меньшие интерференционные помехи. Тем не менее, ни одна из них не может гарантировать синхронизацию двух D2D UE устройств, поскольку
1. Они могут быть связаны с различными eNodeB, которые не синхронизированы в FDD LTE.
2. Даже находящиеся в одной и той же соте, они могут находится на разном расстоянии от eNodeB, и могут применяться различные временные корректировки синхронизации.
Последняя проблема также существует в TDD LTE. Таким образом, влияние временной синхронизации на производительность линии связи/системы требует дальнейшего изучения, а дополнительные методы синхронизации необходимы, если воздействие оказывается незначительным.
Задача синхронизации становится сложнее, когда UE устройства находятся вне зоны покрытия. В таком случае может быть необходима периодическая передача синхронизирующего сигнала. Хотя повторное использование существующих служебных сигналов LTE, таких как первичный/вторичный сигнал синхронизации (PSS/SSS), проще и очевиднее, неясно, достаточно ли этого или необходима дальнейшая оптимизация. Более того, характеристика синхронизирующих сигналов, включая период передачи, радио ресурс, мощность передачи, также является открытой проблемой. Одним из простых решений является использование кластерного режима управления, в этом случае clusterhead передает опорный сигнал синхронизации. Кроме того, авторизованное абонентское устройство, находящееся в зоне покрытия, может отправлять или ретранслировать опорный сигнал синхронизации eNodeB на абонентских устройствах, находящееся вне зоны покрытия, которые находятся в том же диапазоне связи.

Обнаружение устройств D2D

Возможность обнаружения близкорасположенных устройств требуется как для коммерческих устройств, так и для устройств, используемых при организации систем связи общественной безопасности [5]. Обнаружение устройств может быть классифицировано на два типа: прямое обнаружение и EPC (evolved packet core) обнаружение [6]. В случае прямого обнаружения, UE устройство будет искать близлежащие устройства автономно; для этого требуется, чтобы UE устройства участвовали в процессе обнаружения устройства для периодического приема/передачи сигналов обнаружения. Возможны два механизма обнаружения: «push» механизм, где присутствует UE вещание; и «pull» механизм, где UE запрашивает информацию о обнаруженных устройствах. Прямое обнаружение в обоих случаях, при нахождении в зоне покрытия или иначе, не исключает поддержки сети, когда это возможно. В случае EPC-обнаружения, EPC определяет расстояние между UE устройствами, а UE устройство запускает процесс обнаружения устройства после того, как получает целевую информацию от сети. Такая схема работы требует, чтобы сеть отслеживала UE устройства, уменьшая нагрузку обнаружения на UE устройствах.

Дизайн сигнала обнаружения. При прямом обнаружении или EPC-обнаружении абонентские устройства будут передавать сигналы обнаружения, которые могут быть обнаружены другими UE устройствами. Закономерен вопрос, какая информация должна быть передана сигналами обнаружения. В настоящий момент, в [6] предполагают, что будет добавлена подлинность UE устройства; другие составляющие, такие как информация, связанная с приложениями, также может быть добавлена. Объем информации, отправляемой во время обнаружения, определяет требуемый объём радио ресурсов, а также влияет на сигнал обнаружения или структуру канала. Таким образом, грубая оценка количества информации об обнаружении может быть полезна для построения дизайна.
Если размер информации об обнаружении мал, для абонентских устройств может быть достаточно передавать определенные последовательности для обнаружения. Несмотря на то, что может передаваться только ограниченная информация, приём/передача этих последовательностей относительно проста. Для начала, естественно было оценить, достаточно ли будет использовать существующие сигналы физического уровня LTE, такие как PSS/SSS, PRACH и различные типы опорных сигналов. Если размер информации об обнаружении слишком велик для обработки способом на основании последовательности, может быть использован способ на основе пакетов [13]; однако, организация приёма/передачи пакетов обнаружения сложнее.

Синхронное vs. асинхронное обнаружение. По сравнению с асинхронными схемами обнаружения синхронные схемы предпочтительнее, поскольку они более эффективны с точки зрения потребления энергии и спектральной эффективности и приводят к более надежному, и более быстрому обнаружению. Хотя, предполагая синхронизацию априори до обнаружения устройства, может оказаться сомнительным в сценарии отсутствия покрытия. Это подразумевает, что, по крайней мере, для сетей общественной безопасности абонентским устройствам может потребоваться возможность асинхронного обнаружения.

Организация прямой связи D2D

Несколько режимов прямой связи определены в [7], включая unicast, relay, groupcast, и broadcast. Хотя и повторное использование некоторых существующих LTE дизайнов (схем) (например, структура кадра и частотные параметры) возможно, поддержка UE-UE связи может потребовать значительное изменение физического уровня и новые усилия по стандартизации, как описано ниже.

Формат модуляции - Первый вопрос в прямом соединении (связи) касается выбора модуляции. В данный момент LTE использует single frequency-division multiple access (SC-FDMA) на uplink и OFDMA на downlink, таким образом на UE устройство установлены SC-FDMA излучатель и OFDMA приёмник. Если бы SC-FDMA использовалась (соответственно OFDMA), будет необходимо оснастить D2D UE новыми SC-FDMA приёмниками (соответственно, излучателями SC-FDMA). По сравнению с реализацией OFDMA передатчика, реализация SC-FDMA приемника является более сложной задачей, поскольку передача с одной несущей требует относительно сложного выравнивания на приемнике. Тем не менее, SCFDMA передатчик может обладать низким отношением пиковой мощности к средней мощности (PAPR).

Управление питанием – управление питанием D2D полезно для сохранения энергии UE и уменьшения помех. Заметим, что мощностью uplink передачи полностью управляет eNodeB. Позволяя D2D устройству иметь частичный контроль над мощностью своей передачи, может снизить задержки и накладные расходы на передачу контрольных сигналов. Например, eNodeB может просто отвечать за управление мощностью разомкнутого контура, и устанавливать уровень мощности грубой передачи и допустимый диапазон мощности, в то время как устройства D2D могут обрабатывать более тонкое управление мощностью в замкнутом контуре, чтобы адаптироваться к быстрым изменениям качества канала.

Измерения канала – Для целей управления сервисами ProSe, сеть должна знать состояние D2D канала связи [5]. В зависимости от режима управления результаты измерений могут передаваться на сеть или к абонентскому устройству, участвующему в передаче информации. Чтобы внедрить измерения канала, опорные сигналы, используемые в UE–UE соединении требуют дальнейшего изучения, хотя измерение начального канала может быть выполнено во время процесса обнаружения устройства, используя сигнал обнаружения. На первом этапе необходимо оценить применимость существующих опорных сигналов в LTE. Также, желательно классифицировать D2D-связь согласно UE-UE диапазону и/или мобильности. Затем для коротких и малоподвижных UE-UE связей может быть возможно сокращение накладных расходов опорного сигнала так как канал должен иметь лучшее качество и изменяться медленно.

Работа HARQ - HARQ сочетает функции прямой коррекции ошибок (FEC) и повторной передачи ARQ. Так как ситуация с помехами может быть довольно сложной и непостоянной для D2D соединений, HARQ мог бы сделать D2D соединение устойчивей. D2D HARQ также может быть косвенным и прямым [14]. В косвенном HARQ, D2D приёмник сначала отправляет запрос eNodeB на подтверждение (ACK)/отказ (NACK); затем eNodeB передаёт ACK/NACK D2D передатчику. HARQ позволяет повторно использовать существующие uplink и downlink LTE каналы с минимальными изменениями за счет дополнительной избыточности и возможной задержки обратной связи. В случае прямого HARQ, D2D приёмник отправляет напрямую ACK/NACK запрос D2D передатчику. Прямой HARQ может использоваться как в случае нахождения устройства в зоне покрытия, так и вне зоны.
Заметим, что для LTE Rel.12, сервисы ProSe будут ориентированы на безопасность публичного вещания [9], которое обычно не имеет обратной связи. В этом случае, работа HARQ может не поддерживаться.

Производительность системного уровня D2D

В этом разделе представлены некоторые результаты первоначальной оценки, чтобы иметь представление об аспектах производительности ProSe. Основные предположения по моделированию заключаются в следующем.
1. Каждая гексагональная сота состоит из трех секторов, диаграмма направленности антенн которых указана в [15].
2. Если предположить, что все UE устройства находятся вне зданий, модель потерь на пути UE-UE - Winner+ B1 со смещением -10 дБ, а модель потерь на пути UE - eNodeB указана в [15].
3. Задано количество сотовых устройств, которые равномерно расположены в каждом секторе. Такое же расположение применяется для устройств D2D.
4. Для каждой прерванной передачи c устройства D2D, соединение D2D прерывается в соответствии с равномерным распределением в области некоторого радиуса (называемого ниже диапазоном D2D), центрированном на передающем D2D UE. Таким образом, принимающее D2D UE устройство не обязательно должно быть расположено в том же секторе с передающим устройством.
5. Мы акцентируем внимание на uplink передаче, в которой используется управление мощностью открытым циклом: Pt = min (Pmax , SNRt + Pnoise + α*PL), где Pt обозначает мощность передачи, Pmax обозначает пиковую мощность передачи и равную 23 dBm во время симуляции, SNRt  является регулируемым параметром SNR, Pnoise -  мощность шума, α – компенсирующий коэффициент  потерь, PL потери в канале (в том числе и затенения). В случае отсутствия контроля мощности, каждый UE передаёт с максимальной мощностью.
6. Предполагается модель полного буферизированного трафика.
Изначально мы рассматриваем сценарий сети связи для организации общественной безопасности и показываем SINR-распределения D2D - связей при различных настройках управления передающей мощностью изображенных на рисунке 3.

SINR-распределение D2D-линков

Рисунок 3. SINR-распределение D2D-линков: ISD = 1732 м; Диапазон D2D = 250 м; 10 передающих D2D устройств на сектор активны в левой части, тогда как 1 передатчик D2D устройство на сектор активен в правой части.

Если десять D2D передатчиков в секторе не скоординированы и активны одновременно, то левый график на рисунке 3 показывает нежелательное SINR – распределение, почти 40% D2D-связей могут иметь SINR более -6 dB. Такие неудовлетворительные показатели SINR связаны с тем, что D2D устройства распределены случайным образом и в результате, возникающая проблема, не может быть эффективно решена в случае управления мощностью разомкнутым контуром (вопреки случаю uplink связи, где все UE устройства передают на одну и ту же eNodeB).
С другой стороны, если десять D2D связей (линков) в секторе скоординированы и ортогональны во временном домене, то может быть получено намного лучшее SINR распределение, как показано на правом графике рисунка 3. В этом случае, с соответствующей настройкой управления мощностью более 95% каналов D2D могут иметь SINR выше -6 dB. Эти результаты моделирования предполагают, что D2D связи (линки) должны быть скоординированы для обеспечения успешной передачи.
Далее, мы рассмотрим основной сценарий и изучим влияние радиуса действия D2D. SINR распределение D2D связей (линков) при разных настройках контроля мощности показаны на рисунке 4.

Распределение SINR D2D связей

Рисунок 4. Распределение SINR D2D связей: ISD = 500 м, 1-о передающее устройство D2D на сектор активно на левом графике в радиусе действия D2D устройств 250 м, и два передающих устройства на сектор активны на правом графике в радиусе действия 50 м.

Левый график показывает, что не более 50% D2D связей (линков) могут иметь SINR выше чем -6 dB даже в случае одного передающего D2D устройства на сектор, предполагая поддержку большого радиуса действия D2D (что важно для сетей общественной безопасности), требует согласования работы eNodeBs. С другой стороны, возможно пространственное разнесение, когда радиус действия D2D уменьшается, как показано на правом графике на рисунке 4. При использовании определенных настроек контроля мощности, могут поддерживаться два со-канальных передающих D2D устройства на сектор, когда радиус действия D2D составляет до 50 м.
И в заключении мы оценим пропускную способность. Левый график на рисунке 5 показывает среднюю пропускную способность по сравнению с количеством передающих D2D устройств.

Пропускная способность uplink

Рисунок 5. Пропускная способность uplink. 1 сота/3 сектора, ISD = 500 м, радиус действия D2D = 50 м, 10 передающих устройств на сектор (включая мобильные и D2D).

Результаты показывают, что уменьшение нагрузки на сеть, используя D2D связи может обеспечить рост пропускной способности. На рисунке 5 видно, что пропускная способность уменьшается, когда количество передающих UE устройств достаточно велико (например, девять). Это связано с тем, что принимающие устройство D2D имеет более сложную природу помех, чем eNodeBs, которые становятся определяющими, когда число D2D пар растёт.
    Заметим, что представленная оценка пропускной способности ориентирована только на uplink связь; не принято во внимание что D2D может дополнительно экономить downlink ресурсы и ресурсы ядра сети. Таким образом, реальный рост пропускной способности может быть даже выше. Кроме того, более сложные алгоритмы планирования (например, возможность повторного использования в каждом секторе) могут обеспечить дополнительный рост.

Заключение

Организация связей D2D – это интересный и новый функционал, который представлен в LTE Rel. 13; Этот функционал будет способствовать взаимодействию между сетями общественной безопасности и повсеместными коммерческими сетями на основе LTE. D2D принципиально изменяет сотовую архитектурную, снижает первенство eNodeBs позволяя UE устройствам передавать сигнал напрямую к ближайшим UE устройствам. Как говорится в этой статье, такой сдвиг требует переосмысления многих рабочих предположений и моделей, используемых на сегодняшний день для сотовых систем. В этой статье особое внимание было уделено текущим вопросам по стандартизации D2D в 3GPP для LTE, хотя большинство заключений, скорее всего, применимы к любому сотовому стандарту с поддержкой D2D.

Литература

[0] IEEE Communications Magazine • April 2014
[1] M. Corson et al., “Toward Proximity-Aware Internetworking,”IEEE Wireless Commun., vol. 17, no. 6, Dec.2010, pp. 26–33.
[2] T. Doumi et al., “LTE for Public Safety Networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 51, no. 2, Feb. 2013, pp. 106–12.
[3] ITU-R, “Digital Land Mobile Systems for Dispatch Traffic,”M.2014-2 Report, 2012.
[4] X. Lin et al., “Modeling, Analysis and Optimization ofMulticast Device-to-Device Transmissions,” submitted to IEEE Trans. Wireless Commun. Sept. 2013; arXiv preprint arXiv:1309.1518.
[5] 3GPP, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group SA; Feasibility Study for Proximity Services (ProSe) (Release 12),” TR 22.803 V1.0.0, Aug. 2012.
[6] —, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group SA; Study on Architecture Enhancements to Support Proximity Services (ProSe) (Release 12),” TR 23.703 V0.4.1, June 2013.
[7] Qualcomm, “Study on LTE Device to Device Proximity Services,” RP-122009, Dec. 2012.
[8] 3GPP, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group RAN; Study on LTE Device to Device Proximity Services (ProSe) — Radio Aspects (Release 12),” TR 36.843 V1.0.0, Nov. 2013.
[9] Vodafone et al., “Agreements from TSG RAN on Work on Public Safety Related Use Cases in Release 12,” RP-13177, Sept. 2013.
[10] J. G. Andrews et al., “Rethinking Information Theory for Mobile Ad Hoc Networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 46, no. 12, Dec. 2008, pp. 94–101.
[11] Nokia, Nokia Siemens Networks, “Device to Device Channel Model,” R1-132316, May 2013.
[12] Ericsson, “D2D for LTE Proximity Services: Overview,” R1-132028, May 2013.
[13] Intel, “Discussion on Design Options for D2D Discovery,” R1-131924, May 2013.
[14] InterDigital, “D2D Communication in LTE,” R1-132188, May 2013.
[15] 3GPP, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group SA; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Frequency (RF) System Scenarios (Release 11),” TR 22.803 V1.0.0, Sept. 2012.