D2D通信中Chief,UE应用的研究
摘 要： Chief UE的作用是辅助实现D2D通信与蜂窝网络通信更好地无缝切换并且提高通信的质量。对Chief UE的概念进行了详细描述，并且对于其在切换中的作用进行了相应的阐述和论证：在传统D2D通信的基础上，定义了其中一个性质稳定良好的UE为Chief UE，进行D2D连接的内部管理和通信，并且在需要切换时，能够进行通行保持直到整个通信切换的完成和结束。将具有Chief UE的D2D切换同不具有Chief UE的D2D切换进行了相应的对比和论述，以更好地论证Chief UE存在的必要性。
关键词： D2D通信； Chief UE； 切换； eNodeB； 蜂窝通信系统
中图分类号： TN925⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）03⁃0010⁃05
Research on application of Chief UE in D2D communication
SONG Xiao⁃jia， YU Cui⁃bo
（Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China）
Abstract： Chief UE is used to aid better seamless handover between D2D communication and cellular network communication， and to improve the communication quality. The concept of Chief UE is described in detail， and the role in the switch is elaborated and demonstrated. Based on traditional D2D communication， one UE with steady performance is chosen and defined as Chief UE to conduct D2D connection inner management and communication. The communication can be kept till the handoff is over when deeded. The D2D switch with Chief UE and without Chief UE are compared and discussed， to demonstrate the necessity of the existing of UE.
Keywords： D2D communication； Chief UE； switch； eNodeB； cellular system
0 引 言
Device⁃to⁃Device （D2D）通信是3GPP中LTE⁃A物理层通信的一个新的概念。对于LTE和LTE⁃A网络，UMTS、EUTRA和EUTRAN为网络通信提供了较高的数据传输速率和网络系统容量，而SAE则为网络减少相应的资源开支。近年来，随着LTE升级成为LTE⁃A，由于移动互联网技术的高速发展，用户对于数据容量和数据传输速率的需求也不断地加剧。而由于智能业务的不断普及和推广，系统在基于更高速率、更大带宽和更高QoS的要求上不断演进。而对于LTE⁃A，必须满足IMT⁃Advance的网络要求，即LTE⁃A应当提供高达100 MHz的带宽以支持大数据的数据业务，这样一来，D2D通信能够也更好地接入互联网[1]。
近年来，随着LTE⁃A技术和用户终端（UE）的不断发展，小区域内部通信技术的需求也大大地增加，其更加倾向于直接的、更高容量的并且消耗少的通信技术。因此，设备间的对等通信（Peer⁃to⁃Peer），例如，蓝牙、WLAN和D2D被广泛地应用于区域间的通信之中，同时，这些通信技术都具有消耗低、接入迅速的特点。而就这些P2P技术而言，蓝牙通信需要进行身份识别验证、并且只适用于两个用户之间，WLAN比起前者而言，应用的更加广泛，并且多个UE可以通过WLAN低消耗、低成本、快速地使用非授权频谱资源接入因特网。因此，在P2P通信中，低消耗、高速率的WLAN的应用范围更加广泛。然而，对于局域通信的提供商而言，在非授权频谱资源过于紧张时，蓝牙通信就变得不再适用，因此，不得不耗资购买经过授权的频谱资源，寻找更加适合的无线P2P通信技术，D2D就进入了的视线。对于D2D通信而言，通信本身对于用户是透明的，用户只需通过URL验证之后，网络能够自行探测到媒体服务器并且将通信由蜂窝通信自动切换为D2D通信。因此，现今D2D在局域通信中得到广泛应用并且为蜂窝通信提供很好的辅助通信的作用[2]。
如图1所示，在现行的传统D2D通信中，与其他P2P通信不同，UE在通信时需要受到eNodeB的控制。即进行D2D通信时，如为语音通信，两个在各自的eNodeB的控制之下UE直接进行语音通信；如为数据传输业务，例如，在一个演唱会现场，在场地中将会有许多UE进行视频或音频的数据业务的下载，这时，最实用的即是D2D通信，eNodeB将视频资料下传给其中一个UE，而其他需要视频数据的UE则在受到eNodeB的控制的前提之下，可直接通过D2D通信从已有视频资料并且已被选定的UE处获取。
图1 传统的D2D连接
本文提出了一种改进后的LTE⁃A蜂窝网络通信的辅助通信，即具有Chief UE的D2D通信。对于现有的传统的D2D通信而言，UE之间直接连接进行语音、数据业务的通信。如图1所示，在UE进行D2D通信时，每个UE在基站eNodeB的控制管理之下进行通信。而Chief UE是在D2D通信中，惟一受到eNodeB管理控制的UE，而在D2D中其他UE受到Chief UE的直接控制。而当D2D通信结束时，在保持Chief UE连接的前提下，恢复蜂窝网络的连接，在连接稳定之后再断开Chief UE与eNodeB的D2D连接。下面将传输业务分为语音和数据方面进行相应的讨论。
1 LTE⁃A中的传统D2D连接
在LTE⁃A的D2D通信中，如图2所示，D2D通信与正常的通信的信令传输形式有所不同，在进行了会话发起协议（SIP）初始化之后，在eNodeB、MME和S⁃GW的控制之下，D2D中UE直接进行通信，并且在D2D通信结束时，必须立刻恢复蜂窝网络各个基站对于UE的连接管理。而如图1所示，UE之间无论是语音通信、数据通信都在各自的eNodeB的管理之下相互进行通信。
图2 SAE中具有SIP的D2D的信令传输
2 Chief UE
在现行传统的D2D通信中，数据或语音业务的通信连接如图1所示，出于对高速率和良好的管理的需求，eNodeB在D2D通信过程中，对每个UE进行管理但不进行任何相应的语音或是数据业务的传输。基于这一原则，在此提出了一个新的概念Chief UE：在D2D通信中，选取最适合管理即通信性质最稳定的UE对D2D中的其他UE设备进行管理，并且在通信中，只有Chief UE直接和eNodeB进行连接，对D2D通信进行控制，Chief UE作为一个管理中继存在于D2D通信和eNodeB之间。而此时，将D2D中的其他UE定义为Sub UE（s），如图3（a）所示。改进后D2D通信的信令流程如图3（b）所示。
图3 D2D通信的改进及改进后D2D通信的信令流程
2.1 Chief UE 的选取
根据业务类型的不同，对于Chief UE的选择方式有所区别。当D2D是数据传输或是应用程序之间的数据交互时，D2D通信可能会涉及到两个或是两个以上的UE通信，而对于这样的数据业务，应用D2D是十分合适的，由于在现行的D2D中，在数据通信时，会选取几个DUE（D2D UE）中的一个进行eNodeB对数据的下发和D2D中的数据分发，它在DUE中具有最适合数据传输的条件，因此，此时就将这个在现行传统D2D中与eNodeB进行数据交互的UE选择作为Chief UE，进行相应的数据传输和连接管理。
当D2D是语音业务时，D2D通信涉及到两个UE之间的连接，此时将上报给MME测量报告中信号强度最强的UE作为Chief UE。而测量报告（Measurement Report）是由E⁃UTRAN提供给UE在通信中进行上报给eNodeB的通信相关数据信息，其中就包括信号强度的信息。信号强度与距离之间的关系如下：
[P=P0-lgdd0+ξ]
式中：[P0]表示UE的初始位置（参考位置）时的信号强度，此时，UE与eNodeB之间的原始距离为[d0，]当UE运动时，由于eNodeB之间的距离产生了改变成为[d，]而[ξ]表示外部环境对于信号的干扰强度。由公式可知，UE的信号强度与UE同基站之间的距离成正比，因此，在语音通信中，将选择测量报告中，与基站距离最近的UE作为D2D通信中的Chief UE。
2.2 Chief UE对D2D通信的管理即Chief UE与NodeB
之间的连接
前面提出，将UE的管理权限由eNodeB转移交给Chief UE，如图3（a）所示。在此D2D通信期间，Chief UE不仅有本身的通信功能，更重要的是它扮演者一个微型服务器的角色以对其他的UE进行D2D期间的管理和监控，即包括D2D通信的整个过程和由D2D向蜂窝通信进行切换的过程。
在D2D的通信期间，eNodeB和D2D之间的管理由Chief UE进行，即D2D连接期间的测量报告和信令传输由Chief UE进行管理和收集，而在通信时，通过PUCCH（物理上行控制信道）传输至eNodeB，经过eNodeB的处理之后，将测量报告形式和内容进行重新配置通过PDSCH（物理下行共享信道）进行控制信息的重配置，具体的协议变化如图4所示。采用Chief UE之后的D2D通信，在协议平面上，通过PDCP、RLC、MAC和PHY层进行在用户平面进行协议交互，如图4（b）所示。而传统的UE与eNodeB之间的协议交互（如图4（a）所示）则不再进行。
3 D2D通信向蜂窝网络通信的切换
为了使得通信保持较高的吞吐量和QoS，D2D通信应当在适当的时候和条件下切换回到蜂窝网络通信，而现在提出一个具有Chief UE的更加稳定并且无缝的切换技术，如下所述：
图4 通信协议示意图
首先，就切换的场景和条件而言，对于切换的条件，将沿用传统D2D通信时的切换条件，即在语音通信时，当两个UE之间的距离超过25 m或是信噪比超过-6 dB时[3]，需要将UE由D2D模式切换至蜂窝网络通信模式。而当在数据通信时，通信之间的传输是成对出现的，当两个UE之间的距离在25 m以上需要切换[4]。
其次，在进行切换时，最重要的是保持原有的Chief UE的连接和管理，在此情况下进行蜂窝网络的恢复，即将UE还原至各个蜂窝网络中eNodeB的管理连接。在各个UE与eNodeB的连接建立稳定之后，再断开Chief UE与eNodeB的连接。
D2D通信结束并且向蜂窝网络切换的具体过程：
（1） MME收到来自Chief UE通过PUCCH （物理上行控制信道）上传给eNodeB的测量报告，显示当下的相关指标已经达到了需要进行切换回蜂窝网络通信的标准，即达到了上文中所属判断标准之一。由于MME对于eNodeB的控制，此时，就将由MME对测量报告进行判断下发切换指令。
（2） 在切换过程中，最重要的是，在切换之初，将保持原有的Chief UE与eNodeB之间的连接和Chief UE对其余D2D中UE的管理。与此同时，进行蜂窝网络的通信恢复，如图5（a）所示。
（3） 当蜂窝网络通信恢复连接并且稳定时，此时，再将包含Chief UE管理的整个D2D连接断开，这样能够很好地达到无缝切换的目的。
（4） 创建D2D连接和对D2D连接进行断开的信令流程分别如图3（b）和图5（b）所示。
（5） 而通过上述的切换过程，能够很好地达到与传统D2D相比更加无缝切换的目的。而且，由于只有一个Chief UE与eNodeB进行连接，此切换方法能够很好地节约连接时的资源消耗。
图5 通信切换过程中的连接及D2D切换时的信令流程
4 结 语
本文主要提出了两个新的想法：提出了关于D2D中Chief UE的概念，并且优化了具有Chief UE的D2D的切换的具体过程。
首先，对于Chief UE概念的提出，在D2D通信中有助于信令开销的减少和对于通信中资源的节约。由图3（b）可知，具有Chief UE的D2D通信仍然需要进行会话发起协议的初始化，但是与传统D2D通信不同的是，由于D2D将管理权限交给了Chief UE，所以在整个D2D通信过程中，UE与eNodeB之间没有了信令交互，惟一存在的即是Chief UE与eNodeB之间的通信。
其次，在切换中，提出了新的切换流程，为了达到更好的无缝切换的目的。再切换开始之时，将保持D2D的各项连接的同时进行正常的蜂窝网络的通信恢复，而其目的就在于可以通过这一方法很好地避免在切换过程中不稳定情况的出现，即在保证正常地对于蜂窝网络的恢复的同时，不中断D2D的连接，即在蜂窝网络稳定连接之前保证通信能够稳定地进行。而在此提出的切换方法，能够有效地进行D2D到蜂窝网络的无缝切换。
最后，需要注意的是，采用了新的对于UE的管理方法——将D2D中的其他UE的管理权限交给了Chief UE，通过Chief UE进行通信和管理，这样一来在区域通信中，就使得一部分的eNodeB处于空闲状态从而可以更有效地进行其他UE的管理和通信，提高资源的利用率。由于现今对于D2D的研究还不是非常全面，相信在D2D通信方面还有很多值得研究和改进的方面，而在未来的通信中，由于移动互联网的广泛的推广和应用，相信D2D将会成为LTE-A通信中重要的通信技术，并且由于蜂窝网络有限的频谱资源，D2D将成为P2P通信中应用最广的通信技术。
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