经常坐火车的同学可能都遇到过这种情况:

李雷:长途旅行太无聊了,你在看什么影片?

韩梅梅:我在看《复仇者联盟4》,终局之战,太好看了。

李雷:哦,我还没看过呢,能发给我看吗?

韩梅梅:这个片子有1G多呢,我这个月的套餐流量不多了,没法发给你,动车上信号也不怎么好,要不用蓝牙传。

李雷:蓝牙太慢了,我们到站了都还不一定传得完。只能回去再用Wifi传了。就没有方法可以手机对手机直接传数据了吗?

今天我们就来讨论这个问题。

1.通信范围分类

按照通信范围的大小来分类,可以把无线网络分为近场通信,个域网,局域网,城域网,广域网。

✔ 近场通信(NFC,Near Field Communication),顾名思义,通信双方距离非常短,在1米以内,通过非接触式射频识别(RFID)技术双方可以实现点对点通信和感应式读卡功能。两台具备NFC功能的手机触碰一下,可以实现文件传输;我们日常刷门禁卡,刷银行卡用的用的就是RFID技术,这在物联网方面得到了广泛应用。

✔ 个域网的范围在10米左右,主要实现小数据量的通信,蓝牙就是一种个域网的技术,大家用的无线耳机,无线鼠标键盘,自拍杆采用的就是蓝牙通信。还有在智能家居中经常用到的ZigBee技术,连接节点数和数据传输速率都比蓝牙有所增加。

✔ 无线局域网(WLAN,Wireless Local Area Network)最为大家所熟悉,覆盖100米范围内的通信。Wifi就是一种无线局域网技术,家里装上无线路由器,就可以尽享网上冲浪的乐趣了。Wifi成了许多人的最基本需求。

数据传输绕开运营商?关键是D2D

无线城域网的范围扩大到了几千米到几十千米,提供点到多点的通信服务。WiMax(全球微波接入互操作性)作为3G移动通信技术标准之路虽然终结了,但作为一种无线宽带城域网的技术,还在继续发展中。

而我们的重点——移动通信技术是作为广域网技术存在的,目的是实现长距离,大范围的通信功能,让地球上每个角落都可以自由通信。拿起手机,我们可以和远隔万里的家人朋友面对面聊天,可以查询地球另一面的服务器上的数据,给生活工作和学习带来了极大的便利。

不过有些时候,我们只是要给坐在身边的朋友发个图片,和同宿舍的好基友联机打游戏,或是在两台手机间传些文件。虽然数据的起点和终点近在咫尺,但网络可是一视同仁,都得从手机到基站,经过核心网处理,送到外部服务器,再送回移动核心网,经基站到达手机。所以如果你坐在北京的办公室用微信给隔壁的同事发了个图片,数据可能要从北京送到贵州的腾讯数据中心的服务器上再回到北京,千里迢迢绕了个大圈。

移动通信技术能实现长距离的通信,但咱也得勤俭持家,对于近距离的通信,能否不占用基站的信道资源,手机自己直接处理了,那得省下多少资源啊。

2.D2D通信

数据传输绕开运营商?关键是D2D

D2D通信就是这么一种技术。D2D(Device-to-Device,设备到设备) 是指两个对等的用户节点之间直接进行通信的一种方式。蓝牙是两个设备间直接通信,双方自行配对,无需第三方干预。D2D通信稍有区别,是一种基于蜂窝网系统的近距离数据直接传输技术。用户数据不需要通过基站转发,每个用户节点都能发送和接收信号,并具有转发消息的功能,直接在终端之间进行数据传输。但这一系列动作的控制,如会话的建立、维持,无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责,因此相关的控制指令数据还是需要经过基站传输。也就是用户面采用D2D传输,控制面还是经过网络。

3.D2D应用

在D2D通信网络中,设备同时扮演服务器和客户端的角色,能够意识到彼此的存在,自组织地构成一个虚拟或者实际的群体。这很像社交的特征,所以D2D天然可用于基于地理邻近特性的社交应用,进行如内容分享、互动游戏等邻近用户之间数据的传输,用户通过D2D的发现功能寻找邻近区域的感兴趣用户。本地广告服务也可利用D2D精确定位附近目标用户,推送商品打折促销、影院新片预告等信息,实现效益最大化。

随着高清视频等大流量特性的多媒体业务日益增长,巨大的数据流量给网络无线信道和核心层带来巨大的挑战。在人群密集的商业区或夜间的高校宿舍,经常出现手机信号满格但却上不了网的情况,这就是网络不堪重负,资源不足的情况。利用D2D通信的本地特性开展本地多媒体业务,可以节省网络资源的开销。比如,运营商或内容提供商可以在热点区域设置服务器,将当前热门的媒体内容存储在服务器中,服务器以D2D模式向有业务需求的用户提供业务;用户也可从邻近的已获得该媒体业务的用户终端处获得所需的媒体内容,无需经过基站,从而缓解基站的传输压力。近距离用户之间的蜂窝通信也可切换到D2D通信模式以实现对网络流量的分流。这样,可以腾出无线信道用于正常的通信,提升了频谱的利用效率。

除了分流大数据外,D2D在大连接方面也具有优势。5G中的mMTC大规模机器类型通信场景下大量的物联网终端将接入网络。在这些场景中,很多情况下设备都是近距离分布,像智能工厂,智能停车场,局部区域内有大量的通信设备,或是车联网中的V2X,车辆要和周边的车辆、行人、设施、网络通信。如果全部通过基站转接,大量的请求指令和数据传输将让网络疲于奔命。利用D2D,设备间直接通信,减少中间环节后,通信时延大为缩短,可靠性和安全性也得到了提升。

由于D2D具有自动组网连接功能,在应急通信方面将有出色表现,解决极端自然灾害引起通信基础设施损坏导致的通信中断问题。抢险救灾时,D2D通信模式下,邻近的移动终端之间无需基站信号就能够建立无线通信,快速组建灾难救援通信网络,进行救援的指挥调度。另外,在无线网络覆盖盲区,用户通过一跳或多跳D2D通信可以连接到蜂窝网覆盖区域内的用户终端,借助该用户终端进行正常的通信业务。

正是由于这些优点,D2D已经被列为了5G的一项关键技术,通过复用无线频谱资源,增加频谱效率,在一定程度上缓解无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

4.D2D分类

前面已经说到D2D和其他近距离通信技术最大的区别就在于是受到基站的控制,使用的是授权的频段,因此它的干扰是可控的,数据传输具有更高的可靠性。在无线接入层面,按照蜂窝网络覆盖范围区分,D2D通信分成了三个场景。

4.1 基站控制下的D2D通信

数据传输绕开运营商?关键是D2D

当D2D通信设备双方都在基站覆盖范围内时,基站将对D2D的频谱资源调度和发射功率进行管理控制。

D2D通信通过无线方式进行,一样要占用特定的频段。网络可以分配一段专用的频谱用于D2D通信,这样一来,D2D和普通蜂窝网就不会产生干扰,可以最大功率发射信号。在频谱资源紧张或D2D需求不大的情况下,专用频谱显然不是一个好主意,因此D2D还可以和蜂窝网共用频谱,使用基站到手机的下行信道频段或手机到基站的上行信道频段。这样不可避免地会和蜂窝网通信互相干扰。

上图中手机1和2之间是D2D通信,采用的是上行频段,1发射信号,2接收信号。手机3和基站4之间是蜂窝网通信。1发射给2的信号被基站4收到,因为和手机3发给基站4的上行信号频段一样,就对基站接收产生了干扰。同样,手机3发给基站的信号被手机2收到,也对手机2产生了干扰。所以必须对网络中的这些干扰进行控制和消除。

在基站的管理下,D2D设备的发射功率受到严格控制,并且通过基站的干扰协调,调整周围设备使用的频率资源和功率,可以把干扰影响控制在可接受范围内,确保服务质量。这样一来,在有限的频谱资源内,蜂窝网和D2D通过复用传输了更多的数据,增加了小区吞吐量,提升了频谱效率。

4.2 基站辅助控制下的D2D通信

数据传输绕开运营商?关键是D2D

在蜂窝网覆盖的边界,D2D通信设备只有部分处于基站控制下,这时基站只在开始阶段参与设备发现和会话建立,引导双方建立连接,后续不再进行资源调度,由D2D设备根据内置算法选择资源,其网络复杂度比完全受控的D2D通信有大幅降低,但是通信业务体验相应也会受到影响。

4.3 不受基站控制的D2D通信

数据传输绕开运营商?关键是D2D

在蜂窝网覆盖范围之外,D2D设备自主发现设备,建立连接,调度资源,这对设备能力提出了更高的要求,设备复杂度大于前面两种方式。这种方式主要用于应急通信或信号盲区的情况,可以通过多跳传输最终连接到蜂窝网络中。

4.4 比较一下这三种场景:

数据传输绕开运营商?关键是D2D

在5G的高速率,低时延,大连接的要求下,传统的以基站为中心的业务模式感受到了极大的压力,D2D作为一种补充通信模式将为新时代的移动终端海量接入,实现大规模低时延的数据传输开辟新的途径。

说了这么多,总结起来D2D通信不经过运营商的基站,那是不是流量不收钱了?

想太多了,别忘了D2D的控制权还在基站手上呢。大家能期待的就是对这部分流量有个更优惠的套餐了。

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