D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 課件 第五章

5D2D同步技術(shù)5.1概述5.3LTE同步與D2D同步5.2同步的分類5.4分布式同步策略5.5本章小結(jié)5.1概述同步的方式：頻率同步、相位同步、時(shí)間同步。頻率同步：指設(shè)備A和設(shè)備B以相同的速度接收到信號前沿，但不是在同一時(shí)刻。相位同步：即設(shè)備A和設(shè)備B在同一時(shí)刻但不同時(shí)間間隔接收到信號的前沿。時(shí)間同步：設(shè)備A和設(shè)備B在同一時(shí)刻、同一時(shí)間間隔接收到信號前沿。5.2同步的分類

從場景上看，D2D同步分為基站覆蓋、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和分布式網(wǎng)絡(luò)下的同步。5.2同步的分類

從分布角度看，在D2D網(wǎng)絡(luò)中有兩種主要的定時(shí)同步方法：集中式和分布式。集中式方法：啟用D2D通信的終端在終端集群中扮演協(xié)調(diào)者的角色，以便將其傳輸范圍內(nèi)的參考計(jì)時(shí)器交付給其他啟用D2D的終端。分布式方法：支持D2D通信的UE要為其傳輸范圍內(nèi)的其他UE提供計(jì)時(shí)參考，因無固定AP可用，加上移動(dòng)AP帶來的不確定性，若AP失去與網(wǎng)絡(luò)的連接，則其它UE要重新選擇AP5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點(diǎn)及改進(jìn)：提供時(shí)間參考時(shí)嚴(yán)重依賴簇頭（CH）在選擇一個(gè)新的CH之后，由于傳輸范圍的限制，可能很難保證整個(gè)集群都能搜索到新的CH。簇間通信變得更加困難。需要重新選擇一個(gè)新的同步源引入一種機(jī)制來中繼或傳輸CH的傳輸范圍之外的參考計(jì)時(shí)器在附近獨(dú)立創(chuàng)建的集群提供一種機(jī)制5.2同步的分類與集中式方法相比，分布式方法的缺點(diǎn)及改進(jìn)圖示5.3LTE同步與D2D同步D2D同步是以LTE同步技術(shù)為基礎(chǔ)，沿用LTE的幀結(jié)構(gòu)、同步信號生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術(shù)。并對同步信號進(jìn)行了改造，以此適應(yīng)D2D通信中的應(yīng)用場景。

在LTE同步技術(shù)中，初始同步和新小區(qū)識別過程采用3GPP規(guī)定的兩種物理信號，分別是主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）。5.3LTE同步與D2D同步

在D2D通信中，D2D同步信號在6個(gè)物理資源塊（PRB）中間填充4個(gè)單載波頻分多址（SC-FDMA)符號。

UE通過對其進(jìn)行解碼獲取物理層小區(qū)標(biāo)識和每個(gè)傳輸符號的循環(huán)前綴長度，從而得到小區(qū)使用的是頻分雙工（FDD）還是時(shí)分雙工（TDD）。這兩種雙工模式所對應(yīng)的是兩種不同的無線幀結(jié)構(gòu)。FDD無線幀結(jié)構(gòu)5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步5.3LTE同步與D2D同步TDD無線幀結(jié)構(gòu)5.3LTE同步與D2D同步TDD相對于FDD的優(yōu)勢有:（1）靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；（2）可以通過調(diào)整上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，靈活支持非對稱業(yè)務(wù)；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低設(shè)備成本；（4）接收上下行數(shù)據(jù)時(shí)，無需收發(fā)隔離器，只需一個(gè)開關(guān)，可降低了設(shè)備的復(fù)雜度。5.3LTE同步與D2D同步TDD相對于FDD的缺點(diǎn)有:（1）TDD系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射功率的時(shí)間比FDD短；（2）TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進(jìn)行干擾隔離；（3）為避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預(yù)留較大的保護(hù)帶，影響了整體頻譜利用效率；（4）因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)下信道變化快，TDD分時(shí)系統(tǒng)導(dǎo)致UE報(bào)告的信道消息有延遲。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書P83的例子及5.2小結(jié)中的三種同步場景可知，自適應(yīng)分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：

（1）部分覆蓋同步場景中，如何快速可靠地傳播SL的時(shí)鐘值，特別是當(dāng)存在多個(gè)SL時(shí)，顯得尤為重要，此時(shí)的冗余的SL也會(huì)成為傳播的優(yōu)勢。（2）對于覆蓋外同步場景，如何設(shè)計(jì)分布式操作來實(shí)現(xiàn)全局時(shí)鐘的一致性。（3）在覆蓋外同步場景中，當(dāng)一個(gè)新設(shè)備加入一個(gè)幾乎同步的組時(shí)，如何保證新設(shè)備不會(huì)對該組產(chǎn)生較大的影響。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)

由書P83的例子及5.2小結(jié)中的三種同步場景可知，自適應(yīng)分布式同步需要面臨的挑戰(zhàn)如下：（4）即使使用MAC層時(shí)間戳，仍然會(huì)存在延遲，時(shí)間戳過程本身也存在不確定性。因此，如何處理不正確的時(shí)間戳來實(shí)現(xiàn)高精度的同步？（5）在這兩個(gè)不同的場景以及它們各自的同步挑戰(zhàn)中，SF最初并不知道它們所處的覆蓋場景。其次，對于SF來說，如何確定要遵循哪種類型的同步方法仍是需要解決的重點(diǎn)。5.4分布式同步策略5.4.1分布式同步的挑戰(zhàn)在挑戰(zhàn)4中，有兩種消除時(shí)間戳的不準(zhǔn)確性從而得到精確估計(jì)的方法:遞歸估計(jì)和和分層結(jié)構(gòu)。設(shè)備必須收集足夠數(shù)量的有效時(shí)間戳，來估計(jì)回歸系數(shù)。

有效時(shí)間戳--接收設(shè)備用于SL設(shè)備時(shí)鐘的時(shí)間戳。在快速傳播中引入了兩種策略：Pseudo-syncleader（PSL）和合作同步。當(dāng)一個(gè)設(shè)備開始充當(dāng)PSL時(shí)，傳輸?shù)母怕蕰?huì)因此提高。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步

在D2D系統(tǒng)中，自組網(wǎng)系統(tǒng)研究的許多同步協(xié)議存在一定的結(jié)構(gòu)局限性。本章節(jié)介紹一種新的D2D系統(tǒng)定時(shí)同步方法。當(dāng)蜂窩基站的存在時(shí)：考慮了蜂窩上行過程中基于隨機(jī)訪問過程的蜂窩輔助(CA)同步方法。

當(dāng)蜂窩基站不可用時(shí)：用戶設(shè)備執(zhí)行獨(dú)立(SA)同步方式。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步

基于上述提出的CA同步方法和SA同步方法。圖示如下：D2D通信類型5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步下圖為SA-D2D通信的框架結(jié)構(gòu)：

在傳輸間隔內(nèi)，終端只以參考時(shí)鐘的速度向其他終端發(fā)送自己的全局同步信號(GSS)。在整個(gè)系統(tǒng)過程中，終端將參考時(shí)鐘作為自身的時(shí)鐘；在傳輸間隔中，終端只以參考時(shí)鐘的速度向其它終端發(fā)送自己的GSS；在接收間隔中，終端只偵聽鄰UE的GSS一幀。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步下圖為LTE系統(tǒng)中eNB與終端上行同步的隨機(jī)接入過程：

適合于D2D通信的隨機(jī)訪問過程如下：在蜂窩通信的隨機(jī)接入過程中，終端直接應(yīng)用TA信息；而對于D2D通信的同步，UE在定時(shí)調(diào)整過程中使用TA值的一半,該值等于eNB和UE之間的時(shí)間差。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步下面介紹CA-D2D通信類型:CA-D2D同步方法示例如下:假設(shè)eNB和UE之間的距離為30個(gè)樣本，然后，在原始隨機(jī)訪問過程中，UE在30個(gè)樣本的位置發(fā)送信號，eNB在第0個(gè)樣本的位置接收信號。UE在15個(gè)樣本的位置發(fā)射信號。通過提出的基于TA信息使用不同的流程，可以實(shí)現(xiàn)所有終端具有相同的參考時(shí)鐘，而不需要額外的流程。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步

在初始觀測區(qū)間中，確定Tx-Rx區(qū)間的順序。由于Tx-Rx的重復(fù)結(jié)構(gòu)，Tx-Rx的順序在GSS交換過程中非常重要。下表為Tx-Rx順序規(guī)則：最大GSS位置Tx-Rx命令第一幀第二幀無GSS檢測Rx-TxTx-Rx(Tx-Rx)或者(Rx-Tx)5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步功率加權(quán)是參考時(shí)鐘由GSS到達(dá)時(shí)間的接收功率加權(quán)平均決定的決策規(guī)則之一，如下式所示：

5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步同時(shí)，通過下述公式所述的等增益平均，對所有接收到的功率大于檢測閾值的GSS的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行等平均。

5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步在廣域網(wǎng)環(huán)境下，同步所有終端的時(shí)間過長。因此，使用一個(gè)只考慮最大功率的GSS的決策規(guī)則來進(jìn)行群同步。首先，在決策規(guī)則中不考慮距離較遠(yuǎn)的UE，可通過分組過程來切斷傳播問題。同步鎖（SynchronizationLock，SL）--是參考時(shí)鐘在一定間隔內(nèi)不斷保持的一種狀態(tài)，是指在某一幀間隔內(nèi)參考時(shí)鐘的平均值與下一幀間隔內(nèi)參考時(shí)鐘的平均值之差在某一樣本內(nèi)。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步檢測終端是否進(jìn)入SL狀態(tài)，可以通過下式判斷：因此，SL條件通過這種方法，可以使兩個(gè)SL組同步，并且可以應(yīng)用于所有SL組。5.4分布式同步策略5.4.2自適應(yīng)分布式同步綜上所述，UE在D2D系統(tǒng)中的同步流程如圖下所示。首先，UE嘗試在幾秒鐘內(nèi)檢測下行信號，以使用CA方法。如果沒有下行信號，則采用SA方式。5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析

根據(jù)前面所提出的D2D同步的幀結(jié)構(gòu)，假設(shè)信道特性在一個(gè)同步周期內(nèi)不發(fā)生變化，采用的仿真參數(shù)如下:UE數(shù)量50，UE均勻隨機(jī)分布在300m×300m的區(qū)域內(nèi)。鏈路范圍閾值設(shè)置為70m。注意：所有UE都可以通過多跳連接。

為了正確反映同步所需的時(shí)間，模擬時(shí)間被歸一化為幀的數(shù)量。5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析

5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析下圖為UE數(shù)量為50時(shí)的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析下圖為UE數(shù)量為200時(shí)的同步概率：5.4分布式同步策略5.4.3結(jié)果分析論證結(jié)果：可以看出自適應(yīng)分布式同步方法可以實(shí)現(xiàn)100%的同步率，但前提是不良同步包比例的閾值要設(shè)定得極低。當(dāng)同步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，STD-15.8僅為50個(gè)UE和200個(gè)UE實(shí)現(xiàn)了大約75%和68%的同步率。圖2中的高密度UE數(shù)量比圖1中的低密度UE數(shù)量更快地實(shí)現(xiàn)同步，特別是對于所提出的方法。5.5本章小結(jié)本章針對D2D同步中的同步分類進(jìn)行了綜述，大體分為集中式與分布式兩種，其中重點(diǎn)闡述了分類中的分布式策略，并探討了LTE同步技術(shù)發(fā)展對D2D同步的影響。D2D同步沿用了LTE的幀結(jié)構(gòu)、同步信號生成規(guī)則、收發(fā)規(guī)則等技術(shù)，但是對同步信號進(jìn)行了改造，以適應(yīng)D2D通信中的三種覆蓋場景。在分布式策略中，分析了目前存在的困難與挑戰(zhàn)