D2D通訊技術精進　近端服務應用加速普及

未來的頻譜需求將遠超出現今行動通訊頻譜總量。在如今5GHz以下頻譜多已被分配的情況下，不僅增加頻譜十分困難，要支援物聯網(Internet of Things, IoT)等新興通訊應用也更加挑戰。因此，在提升系統資料流量、減輕核心網路負載以及良好支援未來潛力應用等近程與遠程考量下，裝置間(Device to Device, D2D)通訊傳輸技術在近年來越來越受到重視。

D2D係指無線裝置間不透過基地台轉送，直接進行通訊的技術。其可視為未來通訊服務朝雲端應用發展及近端通訊應用(Proximity Communication)的重要一環。不僅提供未來通訊邁向普及運算(Ubiquitous Computing)的一種可行實現方法，也催生了許多基於近端互連的新服務形態，如廣告、社群網路與公共安全等。

近年來，已有一些標準化的通訊技術可實現D2D的部分功能，如Wi-Fi Direct、藍牙(Bluetooth)等。然而，這些標準大多數以在免執照頻帶(Unlicensed Band)上運作為設計考量，使其具有較多先天的限制，例如不容易進行有效率的時頻同步、受限的傳輸功率，以及須處理較強且難以管理的訊號干擾等。以上的限制使得D2D的服務品質(Quality of Service, QoS)無法確保且應用情境也較為受限。

為了因應下世代通訊系統更高的資料量與更低的延遲等需求，將D2D放在現有的巢狀系統(Cellular System)下運行，已逐漸成為未來通訊系統發展的趨勢。第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標準組織已於2012年下半年將D2D規畫為下世代長程演進計畫(LTE)系統(LTE Release 12)的主要工作項目。

D2D與巢狀系統結合除了可提供D2D較佳的運作環境外，對於現有的電信網路亦可帶來以下的優點：進一步提升頻譜使用率，每單位面積能提供較高的頻譜效率，如bps/Hz/km2；傳輸距離短，可在較高頻(>5GHz)的頻譜運作，減緩頻譜短缺；減少後端網路(Backhaul)負載且更有效地支援物聯網的小封包傳輸；縮短通訊距離有助於幫助裝置省電。

D2D與傳統巢狀系統結合的架構雖有可預見的優點，然而相較於傳統的系統架構，亦會衍生出裝置間同步與干擾控制等潛在議題。若無妥善處理，反有可能會損害現有巢狀系統網路的服務品質。

D2D國際標準發展如火如荼

接下來將介紹目前D2D技術在國際上的發展情形，並概述D2D與現存巢狀系統結合時的特殊設計考量與挑戰。

國際上正在制定或已具有D2D功能的代表性通訊技術如下：

Wi-Fi Direct

Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)於2011年釋出Wi-Fi Direct(亦稱作Wi-Fi P2P)的標準文件。如圖1所示，其允許兩個Wi-Fi用戶端可直接建立Wi-Fi連線並進行資料傳遞。然而，由於Wi-Fi本身為非同步(Asynchronous)的系統，由於缺少共同的時間同步來源，在Wi-Fi網路下，各裝置一般須要持續的監聽(Monitor)無線通道以確保能追蹤符元邊界(Symbol Boundary)。這在電力消耗上較缺乏效率，因為即使無線通道是閒置(Idle)的狀態，裝置仍須要耗費相當的電力在監聽上。

圖1　Wi-Fi Direct

藍牙

藍牙技術規範於1998發布，目前由藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group, SIG)持續制定與推動其相關技術規範。藍牙的一重要特色在於其協定推疊(Protocol Stack)支援服務發現協定(SDP)。此協定允許藍牙裝置探測其傳輸範圍內可提供服務的其他裝置，以及其服務類型(圖2)。若是離開服務範圍，SDP亦可偵測出所提供的服務已經不存在。為了改進傳統(Classic)藍牙系統頻寬較低的問題，Bluetooth 3.0也新增了AMP(Generic Alternative MAC/PHY Protocol)功能，使得新的藍牙裝置可以在以Wi-Fi為底層介面進行大型資料的傳輸。與Wi-Fi類似，藍牙由於本身為非同步的系統，在非休眠模式下，裝置須要耗費相當的電力在監聽通道上。

圖2　藍牙技術

FlashLinQ

FlashLinQ為高通(Qualcomm)所提出的D2D技術(圖3)。FlashLinQ採用同步時槽式(Synchronized Time-slotted)的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)作為實體層之傳輸技術，並預期能在8秒(Sec)內偵測出數千個1公里(km)範圍內的D2D裝置。

圖3　FlashLinQ

FlashLinQ使用一種分散式的通道存取協定(Distributed Channel Access Protocol)，裝置根據通道量測結果與一跳頻(Hopping)機制，選擇無線資源並傳送編碼後的探測訊號(Discovery Signal)，並讓周圍的裝置得以偵測出其存在。

由於FlashLinQ的偵測訊號採用單載波(Single Carrier)的傳輸方式，使得低功率的使用者裝置仍能達到1公里的可偵測範圍，但這也造成裝置偵測的延遲時間大幅拉長。另一方面，FlashLinQ假設裝置間可從一共通的外部時間來源(External Timing Source)取得時間同步，然而在實際的使用情境中，共通且可靠的時間來源未必是可得的。

3GPP LTE

圖4　近端服務場景案例

隨著防災與防恐的需求擴大，公共安全(Public Safety)相關的議題也受到重視。美國聯邦通訊委員會(Federal Communication Commission, FCC)於2011年1月25日公布採用3GPP LTE Release 8與其後續標準作為美國700MHz公共安全寬頻網路頻譜的共同傳輸介面。3GPP於2012年12月開始D2D研究項目(Study Item)，並預計在LTE Release 12新增D2D的功能。對應聯邦通訊委員會的政策，LTE Release 12的D2D將以支持公共安全的應用為優先。

D2D在LTE系統中又稱作近端服務(Proximity Service, ProSe)，近端服務的場景主要可為直接通訊模式(Direct Communication)和區域路由通訊模式(Locally Routed Communication)。如圖4所示，直接通訊為裝置間直接通訊的技術，區域路由則為裝置間透過基地台的轉傳進行通訊。LTE Release 12預計將釋出裝置間訊號設計和控制通道、同步訊號的處理和資源分配的通訊標準。

D2D技術挑戰有待克服

接著，介紹D2D在設計上所須克服的技術議題。為了因應下世代通訊系統可能的趨勢，這裡會特別著重在D2D裝置是在巢狀網路的涵蓋下的情境(圖5)。然而，在較特殊的應用情境下(如緊急救難)，也有可能發生部分的D2D裝置位在基地台涵蓋之外的情形，3GPP也有將此情形列入近端服務(D2D)系統的討論中。

圖5　D2D與傳統巢狀系統結合之系統架構示意圖

D2D在無線通道存取的設計上，主要須克服裝置間的時頻同步以及與巢狀系統使用者間資源分配與干擾控制的潛在議題。以下將個別對這兩議題進行介紹，並簡述可能的解決方法與相關研究方向。

D2D裝置的時間同步議題

當D2D裝置在巢狀系統的涵蓋下時(如圖5的device 1∼3)，D2D裝置可藉由基地台取得載波頻率(Carrier Frequency)的同步以及符元或子訊框等級(Symbol-level or Subframe-level)的同步(如圖5的device 1∼2)。然而，由於不同的D2D裝置與基地台的距離不一定相同，其與基地台的同步也存在估測誤差，這使得D2D裝置間仍會存在取樣點等級(Sample-level)的時域不對齊(Time Misalignment)。此效應會直接導致D2D裝置間進行傳輸時的符元間干擾(Inter-symbol-interference)。

另一方面，若D2D裝置間的通訊採用正交分頻多工(OFDMA)等多載波(Multi-carrier)傳輸技術時，時域上的不對齊會造成裝置接收端的離散傅立葉轉換窗口(Discrete Fourier Transform Window, DFT Window)鎖定在不正確的區間而造成子載波間干擾(Inter Carrier Interference, ICI)的問題。使得D2D裝置間即使在頻域上使用不同的子載波進行傳輸，仍舊會發生互相干擾的問題。

綜合以上，即使D2D裝置可各自從基地台取得同步，取樣點等級的時域不對齊，仍會在接收端產生符元間與載波間干擾，造成傳輸品質受限。

此外，當有D2D裝置位於基地台涵蓋範圍外，如圖5中的D2D device 4，同步會是更加挑戰的問題。不僅因缺乏共通時間同步來源(即基地台)使其有效率地與其他裝置對時，其在載波頻率上的同步更是一個更嚴重的潛在問題。

上述問題可能的解決方法之一為使用D2D裝置自行傳送的特定同步訊號進行同步，此亦為LTE中的近端服務系統目前採用的方式。然而，採用此方法須要面臨避免影響傳統巢狀系統使用者對於基地台的同步、避免臨近的D2D裝置使用相同的同步訊號，以及選擇適當的同步訊號傳送週期以達到電力消耗與同步效能的取捨平衡等問題。

同步訊號形態(Pattern)亦是設計的重點，其不僅須要考量到峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio)等特徵以使同步訊號在相同的傳送端硬體下能有較佳的涵蓋範圍。除此之外，有助於讓激戰涵蓋範圍外的D2D裝置進行載波頻率同步的同步訊號設計亦為考量的重點。

D2D裝置與巢狀系統使用者的資源分配與干擾控制

當D2D裝置在巢狀系統下進行D2D時，D2D服務與傳統巢狀使用者間傳輸資料時會互相干擾而造成兩種服務的品質一起下降。為避免此情形，兩者的資源分配及干擾控制可說是相當關鍵。

圖6　D2D下行通道與上行通道干擾情境示意圖。(a)上行通道之干擾模型 (b)下行通道之干擾模型

根據干擾情境的不同，D2D的資源分配情境可以粗略地區分為使用上行通道(UL)與使用下行通道(DL)兩種。對於前者而言，干擾的情形發生在D2D傳送端對於基地台的干擾，以及傳統巢狀系統使用者傳送上行資料時對於D2D接收端的干擾(圖6a)；對於後者而言，干擾則發生在D2D裝置傳送端對於接受下行通道的巢狀系統使用者的干擾，以及基地台對D2D裝置接收端的干擾(圖6b)。

在大多文獻中，將D2D分配在上行通道是常見做法，原因在於上行通道通常比無下行通道較不擁擠、基地台一般有較強的抗干擾能力，以及修改裝置傳送端硬體通常比修改接收端硬體需要較高的成本等。

標準制定在即　革新腳步加快

目前已有數種免執照頻帶技術如Wi-Fi-Direct與藍牙支援D2D。然而，免執照頻帶的限制造成服務品質與應用情境的受限。D2D運作在執照頻段的巢狀系統有可能彌補兩種通訊技術的不足。尤其從電信營運商的角度，不僅可提升頻譜利用率與減少後端負載，同時也有機會開拓新應用服務，提高用戶平均收入。

(本文作者皆任職於資策會智慧網通系統研究所)