導讀
一直以來，手機之間的通信都是通過基站進行控制的，那麼能不能實現不占用基站資源，直接實現手機之間的通信呢？
當然可以，這就是我們今天說的D2D。
就像我們身邊的藍牙通信，蘋果手機的airdrop隔空投送。
圖1 藍牙無線連接
只不過目前這些技術傳輸速率不高，覆蓋距離不遠，無法滿足5G時代萬物互聯、大規模數據傳輸的應用場景。
那麼藍牙是免費使用的，有了D2D，是不是就可以不要運營商了呢？本文將解答這個問題！
什麼是D2D？
設備對設備(D2D，Device-to-Device)通信預計將在5G網絡中發揮重要作用，因為它可以實現用戶之間的超低延遲通信。
它是對傳統蜂窩網絡的一種補充。
蜂窩網絡現在已經發展到了第5代了，今年年底5G網絡將在部分區域商用。
5G網絡需要快速的、多媒體形式的、豐富的數據交換，以及高質量的語音通話。
隨著新的、要求更高的應用程式APP出現和用戶群的成倍增長，迫切需要更多的新技術來提高數據速率和減少延遲。
D2D通信是蜂窩網絡中的一種新的模式。
它允許相互接近的用戶設備(UE)使用直接鏈路進行通信，而不是讓他們的無線電信號通過基站(eNodeB)轉發傳輸。
圖2 D2D於傳統通信過程的區別
其主要優點之一是由於信號遍歷路徑較短，通信延遲極低。
各種短距離無線技術，如藍牙、wifi Direct和LTE Direct(由高通公司率先成功開發)可以用來實現D2D通信。
它們主要在數據速率、設備之間的距離、設備發現機制和典型應用程式上存在差異。
圖3 藍牙的速率更慢，覆蓋距離短
D2D連接將使運營商在業務方面更加靈活，提高頻譜效率，降低功耗和每比特成本。
圖4 D2D通信
在頻譜使用方面，D2D通信主要分為兩類。
它們是帶內InBand和帶外OutBand。
InBand帶內的情況：
D2D通信使用與蜂窩網絡相同的頻譜。採樣這種方案，D2D占用現有LTE網絡的一小塊頻譜，頻譜復用，從而提高了頻譜利用率，給運營商帶來了更多的利潤。
圖5 這時NB網絡的InBand和Standalone模式，D2D的帶內模式和這裡類似
OutBand帶外的情況：
在這裡，D2D通信使用公共的頻譜(例如，2.4GHz的多頻帶或38 GHz的毫米波段)
這樣有助於消除D2D和已有蜂窩用戶之間的干擾，但是必然會和其他電子設備(如藍牙和wifi)干擾。
3GPP中的ProSe
3GPP,Proximity Services(ProSe)
是一種基於3GPP通信系統的近距離通信技術，允許物理上接近的設備相互發現並通過直接連結進行通信。
它也被稱為LTE Driect，因為它支持使用許可的頻譜和全球LTE生態系統之間的直接通信。
標準中，提出了三種D2D通信方案：
- (1)D2D通信所涉及的所有UE都在網絡覆蓋範圍內；
- (2)只有D2D通信中的部分UE在網絡覆蓋範圍內；
- (3)D2D通信中沒有一個UE在網絡覆蓋範圍內。
圖6是基於ProSe參考架構D2D通信的高度簡化模型。
圖6 ProSe通信架構
在3GPP中，基站BS或ENB與核心網(EPC)相連，可以直接通過蜂窩通信與UE通信。
此外，UE可以通過直接D2D鏈路進行通信。
在信道結構上，兩個UE之間的直接鏈路稱為旁鏈路，它可以是頻分雙工或時分雙工。
圖7 D2D通信
UE在啟動時首先與ENB或其他UE同步。為了實現同步，在3GPP標準中定義了幾種同步信號。
各種ProSe應用程式安裝在UE中，它可以與遠程的ProSe應用伺服器中的ProSe應用程式交換數據。
當左邊的UE想要與右邊的UE（目標UE）通信時，它已經安裝的ProSe應用程式請求從伺服器獲取其自身和目標UE的「ID代碼」。或者，UE可以從ENB中的鄰近函數獲得「ID代碼」。
在檢索「ID代碼」之後，左邊的UE通過宣布自己的「ID代碼」或詢問目標UE是否存在來啟動發現過程。
在設備被發現後，用戶可以直接通信。
在D2D信號和數據傳輸的空中接口方面，資源由ENB或從預先配置的資源池隨機分配。
D2D通信發生在第1層，使用開環通信，即D2D接收機不向D2D發射機發送任何反饋(包括信道狀態信息和確認)。
圖8 LTE通信的各種層
通常，D2D鏈路將發射機UE與其目標接收器UE連接起來，從而產生單跳Single-hop通信。
還可以有一個由D2D鏈路組成的多跳multi-hop網絡。
在多跳D2D網絡中，中間UE充當BS和UE之間或兩個UE之間的中繼。
圖9 一般通信，D2D直接1跳通信，D2D多跳通信
D2D的場景
場景1：這種情況下D2D的設備都在蜂窩網絡的覆蓋下，此時從設備相互發現，會話建立，到通信資源的分配都是在基站的嚴密管控之下完成的。
通俗的講，就是此時用戶終端UE都在基站的控制之下。
當兩個設備靠近，它們可以像共享數據一樣啟動通信。這有助於提高數據速率、降低設備的功耗和減少基站的總負載。
圖10 都在蜂窩網絡的覆蓋下
如果其中一個UE，想使用D2D功能，它就向基站「發送信號」，請求配對；
基站指定該目標設備附近的D2D設備接收「發現信號」；
D2D設備之間通過基於IP檢測的方法或D2D專用信令方法建立連接，成為一組D2D設備對；
配對成功後，基站為D2D設備對分配信道資源，被分配的信道資源通常是復用蜂窩網絡的信道資源。
場景2：在這種場景下，D2D設備沒有全部在蜂窩網絡的覆蓋下。
即有些手機，沒在基站的覆蓋之下。
那麼此時，基站只在開始階段參與設備發現和會話的建立，負責引導設備雙方建立聯繫，後續不再管理資源分配，由D2D設備根據內置算法自行選擇信道資源。
圖11 自行選擇信道的D2D
這種D2D通信模式的網絡複雜度比第一類D2D通信大幅降低。
但是，由於自行選擇信道資源帶來的干擾不可控，一般通信用戶和D2D用戶的通信質量都會受到一定影響。
場景3：此時所有的手機都不在蜂窩網絡的覆蓋下。那麼此時，如何連接到大網呢，通過接力賽！
完全沒有蜂窩網絡覆蓋下的D2D通信主要應用於蜂窩網絡癱瘓的場景。比如說應急通信：
圖12 D2D設備自主循跡接力，連接到基站
這種情形下，D2D設備的發現及會話建立都是由D2D設備自主完成的，不需要基站的參與，因此D2D設備的複雜度比前兩類更高。
前面說過D2D終端設備具有充當中繼節點自動轉發消息的功能。所以，失去蜂窩網絡覆蓋的D2D設備可以通過中間D2D設備的消息傳遞，也就是多跳，最終連接到遠方的基站，從而接入網絡。
圖13 一場接力賽
場景4：在這種情況下，多個設備連接到到wifi，然後進行通信。設備UE的控制信號將由基站處理。
WIFI中繼提供了更高的數據速率、更低的功耗和避免了基站的業務過載.
圖14 四種D2D場景
圖14演示了四種常見的D2D場景。
D2D技術面臨的問題
㊀D2D之間的連接建立，需要一套複雜的算法保證高效地處理設備不受干擾。
需要從基站側，增加到特定設備的信號傳輸功率，以克服周圍的干擾。
㊁D2D通信是一種基於鄰近的協議，因此由於功率需求，設備之間的距離受到限制。
㊂設備兼容性和網絡能力是支持D2D協議的必要條件。
㊃儘管D2D通信有效地提高了網絡的效率，但也引起了人們對安全和隱私的關注。必須實現高級加密技術和傳輸協議，以保護與用戶有關的信息。
總結
根據預測，2020年時，全球範圍內將會存在大約500億部終端設備接入通信網絡，其中的大部分是具有物聯網特徵的機器通信終端。這些機器終端恰好具有鄰近通信的特徵，屆時以基站為中心的傳統業務模式可能無法及時響應這海量數據的傳輸需求，而D2D作為一種補充通信模式將為5G時代的移動終端的海量接入及大規模數據傳輸開闢新的途徑。
D2D通信在諸如自動駕駛汽車、機器對機器通信和其他物聯網應用程式中具有重要意義。
想想我們在車頂上裝個小型的微基站，然後利用D2D技術，可以實時與交通信號燈、其他車輛、周邊路況信息進行通信，對自動駕駛的實現起到關鍵作用。
最關鍵的是，在緊急的情況下，如網絡可用性有限或不可用，此時利用D2D技術，手機可以作為一個「大號」對講機使用。D2D通信使用戶能夠連接到最近的設備，甚至在沒有行動網路的情況下也可以相互交互。
說到這裡，文章開頭的問題自然有了答案：
D2D技術相比於藍牙，為什麼能夠速率快，覆蓋遠？還是利用了現有的運營商網絡啊。
利用運營商的授權頻段，減少干擾；
利用運營商的基站信道資源，實現大速率傳輸；
利用基站的控制信道，實現相關D2D建立期間的控制信令的傳輸。
參考文章：
[1]中興文檔. "D2D，讓通信的方式簡單點",8月1日.