基于LTE-A的设备间直接通信(D2D)协议架构分析
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摘要：设备间直接通信（D2D）使得设备之间可以直接传输数据而无须基站转发，可有效降低网络负荷，提升系统吞吐量，是5G移动通信系统的关键技术之一。相较于现有移动通信模式，5G通信系统将支持对等设备间直传数据。该文针对LTE-A通信系统架构，分析了现有通信架构对D2D的通信的支持性，并较为深入的介绍了协议架构结构及功能。
关键词：LTE-A;5G;设备间直接通信（D2D通信）;协议架构
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）10-0034-02
1背景
未来十年里，物联网中的互联设备将超过50亿台，导致移动数据业务量的指数增长，预计超过1000倍。强大的市场需求的增长促使运营商寻找新的方式来规划、部署以及管理网络，以期改善覆盖、提升网络容量、降低运营维护成本。移动厂商期望在2020年部署下一代網络，即“5G”，并为其规划了技术路线。设备间直接通信（Device-to-Device Communication）被认为是实现上述目标的一种突破性具有成本效益的通信方式。其主要动机源于运营商可以借此卸载核心网的业务量以及通过局域化支撑社交网络。LTE-A、高通和IEEE 802.15.4g等致力于解决许可频段内的D2D通信标准。目前，社交网络、朋友间近距离数据共享、本地广告等应用的流行使得人们对了解附近感兴趣的事物并与之通信的需求逐渐增加。同时，在智能家居、安全监控等M2M应用中，网关和传感器之间需要一种能够令距离较近的设备之间进行高效通信的技术手段。而在某些网络覆盖较差的地方，利用附近的手机终端进行协作中继，保持与基站的通信也是一种基于位置的通信手段。
2基于LTE-A的设备间直接通信协议架构
2.1设备间直接通信（D2D）参考架构模型
LTE-A网络是LTE通信系统的演进。LTE-A系统可以分为两个子系统：接入子系统（E-UTRAN）和控制子系统（EPC）。现今采用扁平式架构方式，提升了系统的可扩展性和有效性。另外，控制子系统是一个全IP系统，支持服务流的高包数据速率和低时延嘲。现将协议模型进行分析。
图1描述了设备间直接通信参考模型。现将参考模型主要模块及功能介绍如下。
1）基站控制系统
基站控制系统根据ProSe特征和所起作用不同，包含三个子功能：
（1）提供参数。用来在设备间直接发现和直接通信过程中为用户提供必要的参数。它为用户提供具体的网络信息以使得用户可以在具体的网络下使用D2D服务。对于公共安全直接通信，可以为不在网络服务范围内的用户提供需要的参数信息。
（2）为直接发现过程提供命名管理。在开放性直接发现过程中，提供应用识别ID和应用识别码，并完成二者间的映射关系。它用存储在归属用户服务器里的D2D相关的订阅信息授权发现请求过程。
（3）提供基站控制的直接发现过程。可实现在归属用户服务器里存储或撤回与D2D有关的订阅信息;为用户通过PC3接口进行基站辅助的设备发现过程的授权和信息配置;系统内存储着可以被授权使用基站辅助的设备发现过程的应用列表;作为提供位置信息的服务代理以保证基站辅助的设备发现。
2）支持直传的用户
支持设备间直接传输的用户支持以下功能：
（1）通过PC3接口交换直传用户和近距离通信控制器间的控制信息。
（2）通过PC5接口机和其他具有直传能力的用户进行开放性发现过程。
3）用户一网络中继
用户一网络中继主要为没有在网络服务范围内的远端用户提供单播服务支持。
用户一网络中继建立了远端用户和网络间的连接，可以中继任何类型的符合公共安全的业务。远端用户通过PC5接口以无连接的方式与用户一网络中继进行通信。
4）直传应用服务器
直传应用服务器用来存储核心网级用户ID和基站ID，可完成应用层级用户ID和核心网级用户ID间的映射。
5）移动管理实体
移动管理实体主要对用户移动性进行管理，并从归属用户服务器接收和直传通信相关的订阅信息。可完成授权认证功能，向接入网提示用户已授权使用直传通信功能。
2.2设备间直接通信（D2D）通信过程
假设用户A与用户B发起设备间直接通信过程，且每个用户设备中搭载相应的设备间直接通信的应用。设备间直接通信的应用通过PCI平面向基站控制系统发送通信请求，基站控制服务器通过PC2平面向应用服务器请求授权，基站控制服务器与归属用户服务器和位置服务器通信，获得用户的位置信息授权信息等。通过S1平面，与接入网通信，对用户进行授权及资源分配。基站控制服务器实体通过PC3平面授权用户进行直接发现过程。用户通过PC5平面进行设备间直接通信的信令交互和数据交互。在通信过程中，接人网对D2D通信过程进行监管。经分析，设备间直接通信参考模型可很好的支持设备间直接和发现和直接通信。
3结束语
针对5G移动通信系统的关键技术设备间直接通信（D2D），本文基于LTE-A网络从协议架构方面进行了分析，LTE-A协议架构可支持设备间发起直接发现和直接通信，可在现有通信网络运营的基础上，进一步提升网络吞吐量。
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