1引言
毫米波（mmWave）通信是目前5G蜂窝网络的研究热点，其具有高达数千兆赫兹的带宽，同时可以直接承载更高的数据速率和更大的数据容量。在室内（例如无线个人局域网络）和室外（例如无线移动网络）系统中都实现了毫米波波段的每秒数千兆的传输速率。毫米波频谱可用性理论的提出和射频集成电路（RFIC）设计的最新技术突破致使工业界加快了5G毫米波蜂窝技术的落地速度。毫米波作为铜/光纤基础设施的替代品时，毫米波网络可以用作5G的无线主干网，以提高网络速度与网络质量。
2毫米波D2D通信概述
2.1 D2D通信概述
在参考文献[1]中可以找到使D2D通信能够处理本地流量的方法，在参考文献[1]中，D2D连接用于中继而不是提高频谱利用率。在文献[2]中，共存的蜂窝网络和自组织网络的流量负荷被认为是独立的。在毫米波5G蜂窝网络中，可以启用两种D2D通信：局域D2D通信和全球D2D通信。局域D2D通信在与同一个基站相关联的两个无线设备之间建立路径，它们有助于发现地理上距离较近的设备，并降低这些设备之间的通信成本。全球D2D通信通过骨干网将两个与不同基站相关联的无线设备连接起来。
2.2基于5G毫米波D2D通信概述
如前所述，D2D通信预计将在毫米波的5G蜂窝网络中应用，以提高网络容量并在两个无线设备之间建立连接。由于定向天线和高传播损耗，毫米波通信可以支持同时通信，多用户干扰（MUI）相对较低。通过允许多个并发D2D链路，可以进一步提高网络容量。
在毫米波5G蜂窝网络中，D2D通信在每个小区内可能面临两种潜在干扰：不同局域D2D通信之间的干扰（如果存在多个局域D2D通信）和局域D2D通信与D2B/B2B通信之间的干扰。现有的关于D2D通信的工作大多集中在通过管理干扰来设计优化的资源共享算法，在文献[3]中，使用动态数据到达设置分析D2D链路之间的频率复用性能，以获得平均队列长度、平均吞吐量、平均分组延迟和分组丢弃概率。系统旨在优化共享资源上的吞吐量，同时满足优先蜂窝服务约束。
综上，以前关于D2D通信资源共享的工作考虑了全向天线的相互干扰。利用高传播损耗和定向天线的使用，毫米波5G网络中的每个小区可以支持更多D2D链路，以进一步增强网络容量和提高频谱效率。在毫米波5G蜂窝网络中，需要一种考虑方向干扰的新资源共享方案来实现多个D2D通信。
2.3毫米波蜂窝网络构架
5G蜂窝网络由4G基站、毫米波基站和移动设备组成。实验证明，在室外环境下，毫米波并发链路之间的干扰可以忽略不计，定向毫米波通信链路可视为伪有线。因此，毫米波基站不需要部署在小区内。在本文中，毫米波主干网采用密集网状网络，并采用网格拓扑部署，以提供高速率和聚合容量。每个无线设备既有4G操作的通信模式，也有毫米波操作的通信模式，并支持两者之间的快速模式转换。两台设备可以以相同的方式进行通信。本文的重点是在毫米波频段为5G网络启用D2D通信。如无特殊说明，本文以下部分中的基站皆指毫米波基站。所有无线设备和基站都配备了用于毫米波通信的电子定向天线。所有无线设备和4G基站都有用于4G通信的全向天线。假设使用毫米波束形成技术，每个发射对可以确定数据传输的最佳发射/接收波束模式。
3毫米波5G网络中的资源共享
3.1资源共享模式
本地D2D和D2B/B2B链路在毫米波5G蜂窝网络中共享资源。资源共享决策由基站完成。网络中一般有两种资源共享模式：第一种为非正交共享(NOS)模式，本地D2D链路和D2B/B2B链路重用相同的资源，造成相互干扰。基站协调这两种链路的资源使用（例如，传输功率和时隙）。第二种为正交共享(OS)模式：本地D2D链路使用部分资源，而其他资源则分配给D2B/B2B链路。因此，它们之间不存在干扰，从而简化了资源共享。
虽然正交共享模式可以使资源共享更加简单，但非正交共享可以通过适当的共享方案来提高资源利用效率。本文对基站控制下的多个并发链路采用非正交共享模式。通过正确选择由地理上分布的无线设备形成的并发链路，使用定向天线和高传播损耗可以导致相对较低的相互干扰，甚至没有干扰。
现有的D2D通信资源共享工作考虑了一个本地D2D和一个D2B链路的场景，以简化干扰。在WLAN/WPAN网络中也启用了同时传输，以利用空间重用。该资源共享方案既可以由无线设备本身进行分配决定，也可以由基站集中操作。由于毫米波5G蜂窝网络本质上是集中式的，本文中的资源共享方案是由基站考虑D2B和本地D2D连接之间的相互干扰来确定的。
3.2资源共享方案设计
实现最佳资源共享的复杂性来自于定向天线可能存在的相互干扰。为了简化问题，我们对定向天线应用了一个理想的“平顶”模型，即波束宽度内的单位增益和波束宽度外的零增益。资源共享方案的细节如下：通过轮询过程，如果阻止了一个LOS链路，则选择一个中继来构建一个多跳路径。在每个超帧的开始时，所有的传输请求都由4G网络收集。如果需要高数据速率，传输请求将被转发到毫米波基站。毫米波基站为每个超帧做出资源共享决策（即每个时隙的一组特定的活动链路），并通过可靠的4G网络将决策发送到所有涉及的无线设备。
假设所有无线设备和基站都同步。由于并发链路依赖于LOS传输，并且我们允许无干扰链路并发运行，因此无线信道可以用自由空间Friis传输方程来建模，每个传输请求的每个超帧中的时隙数可以预先确定。我们将传输链路按特定顺序随机排序。从第i条链路发出的传输请求ri需要n(i)个槽位。基站根据并发传输条件，依次检查第i条链路是否能与同一时隙内的所有现有链路并发运行。如果一条链路不干扰所有已存在的链路，则在当前时隙将该链路设置为激活状态。遍历所有链路后，可以得到当前时间段设置的主链路。此活动链路集用于下列时隙，直到至少有一条链路的吞吐量需求得到满足。如果链路所需的时隙数已经满足，则将其设置为非活动状态，无需检查该链路在以下时隙的并发传输情况。重复上述过程，直到遍历所有的时隙。如果一个链接的请求在当前的超帧中没有被满足，它将在下一个超帧中被重新发送，与其他链接共享资源。
4结束语
本文中，我们讨论了毫米波频段对5G蜂窝网络的适用性。我们还提出了一种在毫米波5G蜂窝网络中并行D2D通信的资源共享方案，可以在保持网络连接良好的同时显著提高网络容量。为了达到高的传输速率和总容量，在城市地区，毫米波基站可以尽量密集部署。因此，移动用户可能不得不频繁地在毫米波基站之间切换。在切换过程中，移动用户需要快速发现邻居，以便找到附近的基站，切换到链路质量更好的基站。虽然定向天线在提高空间复用和网络容量方面有许多优势，但在邻居发现方面仍存在挑战(如耳聋问题)。在未来的工作中，我们将研究在毫米波5G蜂窝网络中使用定向天线进行频繁切换时的邻居发现问题。
参考文献
[1] Y. D. Lin and Y. C. Hsu, “Multihop cellular: A New Architecture for Wireless Communications,” Proc. IEEE INFOCOM, Mar. 2000, pp. 1273–82.
[2] K. Huang, V. Lau, and Y. Chen, “Spectrum Sharing Between Cellular and Mobile Ad Hoc Networks: Transmission-capacity Trade-off,” IEEE JSAC, vol. 27, no. 7, June 2009, pp. 1–10.
[3] L. Lei et al., “Performance Analysis of Device-to-Device Communications with Dynamic Interference Using Stochastic Petri Nets,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 12, Dec. 2013, pp. 6121–41.
第一作者：孙浩,(2000-)，男，湖南娄底人，本科生
