结合LTE/Wi-Fi网络标准 D2D近身通讯服务加速发展

装置对装置(Device to Device, D2D)直接通讯发展备受重视。D2D的通讯模式能让相互邻近的行动装置，透过自动搜寻(Discovery)机制，在一定范围内直接交换讯息而不必经由基地台，并使每个装置兼具传送、接收及中继功能，从而发挥降低网路负载、减少传输延迟、增加频谱使用效率及延伸网路覆盖范围等效益。  
上述效益除了增进人与人的沟通、资料间的传输外，也可降低网路营运成本和复杂性，为社交方位性服务(Location-Based Social Networks)创新提供具体佐证，同时实现后四代/第五代行动通讯(B4G/5G)描绘的“快、密、全、佳、实”之远景。  

加速B4G/5G网路成形　D2D通讯模式前景看好 

“快、密、全、佳、实”，是欧盟科研计画METIS(全称为“构建2020年资讯社会的无线通信关键技术”(Mobile And Wireless Communications Enablers For Twenty-Twenty Information Society)所迈出5G研发的第一步。“快”意味未来行动宽频技术将为用户提供更高的数据传输速率，“密”表示未来即使在人口密集地区也可享有优质通讯，“全”代表同时支援各类联网设备，“佳”说明联网设备能让民众的行动装置达到最佳体验，“实”意即促使即时(Real-Time)可靠的创新应用普及于日常生活与工作场域中(图1)。  


图1　D2D可降低网路负载并促进人际沟通，为5G研发重要选项。
全球迈向5G世代的过程挑战重重，其中不同装置之间的相容互通，异质网路间的干扰控制、资源分配与排程管理，网路与终端装置间的数据传输，授权(Licensed)与非授权(Unlicensed)频谱间的网路流量卸载、网路协助的区域搜寻与通讯(Network-Assisted Localized Discovery & Communication)挑战，皆带动长程演进计画直接通讯(LTE-Direct)、多元无线接取之直接通讯网路(Multi-RAT D2D Network)、LTE中继(LTE Relay)等重要议题，上述皆为D2D讨论的范畴(图2)。  


图2　D2D议题成为国际标准会议的讨论重点。
3GPP从2012年开始便启动D2D相关规格的制定工作，3GPP原本只针对LTE-Direct订定下世代通讯系统规格，后来也加入LTE-Assisted Wi-Fi Direct等Multi-RAT D2D的服务架构；但由于商用服务计费模式不确定，目前仍以公众安全为主要规格制定目标。本文除了说明3GPP在D2D相关规格的制定方向与现状之外，也分享工研院在商业应用上的服务计费模式构想，以下将针对3GPP框架下的近身通讯服务(Pro-Se)系统加以探讨。  
沿用3GPP标准框架　近身通讯服务日益成熟 
近身通讯服务在3GPP的框架下，可以利用LTE装置间通讯(ProSe Communication)、基地台协助转送、公众安全LTE/Wi-Fi网路等三种不同型态提供服务。其中，第一和第三种型态的通讯介面提供装置间直接通讯的能力，而第二种型态通讯介面则为一旦两个装置的电波范围互不涵盖时，用户可利用基地台做近身通讯之转送服务。  

此外，Wi-Fi Direct也被纳入3GPP SA2工作群的规格制定范围，利用LTE核心网路的引导，Wi-Fi Direct的通讯双方可以发现对方、认证对方，进一步完成连线，甚至提供Wi-Fi或LTE连线为中继转送的能力，所以LTE-Assisted Wi-Fi Direct等Multi-RAT D2D规格亦为3GPP的制定范围。  

根据目前3GPP ProSe标准文件--TR22.803，共有上述三种类别系统架构，图3左图与右图中的资料路径(Data Path)是直接建立在两个使用者装置(UE)之间，左图的控制路径(Control Path)会经过基地台，而右图的控制路径除了基地台以外，在非常时期也可成为临时架设的公众安全无线资源控制器(Public Safety Radio Resource Controller)控管UE行为。  

对于现有的营运商来说，现行网路并无此调节器，因此，在现阶段也仅能在专属频带使用公众安全专用的特殊架构。  

至于图3的中图即为上述基地台协助转送方式，此方式牵涉到基地台的大幅修改，所以目前还未纳入标准规格的制定时程。图3中，图左显示演进分封系统(Evolved Packet System, EPS)在两个UE间的直接模式通讯资料路径；图中显示EPS在两个使用者设备间透过基地台进行本地路由(Local Routing)模式的通讯资料路径；图右则显示在没有网路协助下的公共安全近身通讯服务通讯的控制路径。  


图3　3GPP近身通讯服务的三种系统架构
LTE装置通讯强调对称式的通讯，相较目前营运商的细胞网路(Cellular Network)的主从式结构有极大差异，排程从基站侧会转移部分功能到装置侧，过去以基站为中心的换手(Handover)也会变成复合式的换手机制，同时须要维持基站与装置间的连结。  

然而，目前装置通讯最大的冲击在计费模式上，目前装置是跟基站侧连结，通讯可根据传输量或传输时间计费，但装置间通讯无法透过基站侧直接进行计量，加上营运商先前未积极推广近身通讯服务，因此，工研院提出以距离计价的服务模式，并被营运商认可，未来亦有望列入国际标准，成为我国在技术研发以外，同时致力商务模式创新的范例。  

D2D在3GPP的讨论分为装置间搜寻(ProSe Discovery)与网路协助下的装置间通讯两部分，但3GPP也会额外讨论非网路覆盖(Out Of Coverage)下的通讯，而装置搜寻可分所有使用者都可接收的开放式搜寻(Open Discovery)，可被营运商拿来提供广告相关业务及公共安全群组通讯应用；此外还有限定被授权装置的搜寻(Restricted Discovery)，其为商业应用服务的关键技术。  

根据标准组织3GPP RAN1无线接取网路实体层的定义，装置间搜寻包含两种型态，其一为资源可让所有使用者装置/部分使用者装置应用的非特定使用者装置--Type 1情境，其根据公共安全情境不须基地台参与，即可进行搜寻，以用来支援没有基站覆盖的情况，为意欲经营公共安全的营运商所提供的形式。  

Type 2是针对在网路覆盖下，可针对每个UE进行管控的模式，这也是商用营运商比较喜欢的模式。Type 2情境可以再分成两类，其中，Type 2A的资源配置方法在每个时间点都给予，Type 2B资源配置方法则允许长时间的排程。  

ProSe Communication在装置间通讯的框架下，泛指网路控管内的直接通讯，并支援无网路覆盖的传输。图4说明非网路覆盖情境。  


图4　左图为3GPP近身通讯服务的非网路覆盖；右图为专属频率使用情境。
图4左图描绘的是常见的非网路覆盖情境，装置间彼此通讯，但平行的装置间通讯会彼此互相干扰，以致于通讯品质下降；如IEEE 802.11/Wi-Fi使用Carrier Sense Multiple CSMA(Access)机制能降低彼此间的干扰，然而宽频讯号在覆盖率与侦测能力方面仍显不足。  

此外，Hidden Node也会影响IEEE 802.11/Wi-Fi的效能，因此业者会讨论新方法，解决平行传输链结干扰问题。图4右图与细胞传输链结不同的专属频率使用情境，系装置间通讯的终极解决方案，可完全避免装置通讯干扰，以及装置与基地台间通讯的干扰，该情境跟非网路覆盖情境有些类似，不过可利用基地台协助调控装置间通讯的干扰，此为3GPP框架解决装置间通讯问题的益处。  

根据3GPP利用营运商的上行链结细胞资源，提供资料传输的情境，传输使用频段若与手机/基地台传输频段相同，会影响装置到基地台的传输品质，也影响装置间的通讯品质，最简单的解决方案是在时域上错开装置到装置/基地台间的传输。目前在LTE有ABS(Almost Blank Subframe)的概念，系在讯框上挖出一个互不干扰的区域，该区域便可用来做装置间传输，以避免彼此间的干扰。  

此外，营运商提供的下行链结细胞资源，根据目前基地台的设定，基站传输功率可以高达43dBm，就算是Small Cell，传输功率也可以高达33dBm，比装置的23dBm多出10dB。再加上基站的一般天线增益16dB，所以整体会差距20dB以上的讯号强度，因此装置间通讯容易受盖台影响，导致细胞间通讯的失败。  

LTE-D2D系统有效降低　通讯干扰 

现行Wi-Fi、ZigBee、蓝牙(Bluetooth)等D2D系统共通的挑战，在于非执照频段下，易因干扰导致无法保障传输品质。如Wi-Fi的最大传输距离在2.4GHz频带下约为30~50公尺，当Wi-Fi装置增多，彼此间的干扰会导致服务品质下降。  

未来Wi-Fi Direct使用5GHz频带，频宽增加许多，无重叠的频道有二十三个，对于近身通讯服务的应用而言，可有效避免装置间交互干扰。  

然而，Wi-Fi的搜寻费时与传输不稳，在紧急通讯(Critical Communication)应用于公共安全时仍是一重大缺陷，因此Wi-Fi只能做为营运商备用的传输媒介。但LTE D2D装置间通讯在基地台的协助之下，相对具有优势，包括保障使用者的服务品质并支援语音服务、降低行动装置彼此间的干扰、支援一百位以上的使用者个数、低行动装置功耗、快速的使用者搜寻方式等，同时也能支援公共安全与自组网路。  

根据目前高通(Qualcomm)的解决方案，仅使用0.3%的LTE资源便可搜寻两千八百一十六个装置。  

虽然搜寻周期达20秒，但可修正到小于1秒，且LTE可排程极少资源，加强每个载波功率密度，并延长传输距离，使之增加15~18dB，延长通讯传输达数百公尺。  

LTE装置搜寻在视线所及范围内，可达到1公里以上的传输距离。  

工研院在3GPP SA1会议提出将ProSe Discovery应用于以距离计价的广告服务，随着覆盖范围越广，接收人数越多，营运商可收取的广告费用便越高。  

该计价模式的概念说明如下：餐厅A跟餐厅B由于传输范围大小的不同，遂分别收取1~2美金的费用。当餐厅C转传提供广播服务，则以覆盖范围更大，收取更高的4美金。 前述针对距离计费的贡献提案，国际营运商已将其推入标准，为台湾兼具技术研发及商务模式创新的范例。  

总之，D2D近身通讯服务除了可促进容量卸载(Offload)、舒缓网路塞车的瓶颈，同时在行动广告等商用服务，也有多元创新应用的空间。  

工研院也透过D2D收费机制的标准提案，为宽频行动营运商提供近身通讯服务的营运模式，尤其在公共安全紧急通讯领域，D2D更可在黄金救援的宝贵时间内，善用低时延的特性，发挥快速搜寻、即时通讯的作用。  
装置对装置(D2D)近身通讯服务日益普及。D2D服务系利用LTE Direct或Wi-Fi Direct等无线技术，让不同装置间可直接互传资料，而毋须再与后端基地台连线，可大幅减轻核心网路负担，因而吸引全球电信业者争相投入发展。

装置对装置(Device to Device, D2D)直接通讯发展备受重视。D2D的通讯模式能让相互邻近的行动装置，透过自动搜寻(Discovery)机制，在一定范围内直接交换讯息而不必经由基地台，并使每个装置兼具传送、接收及中继功能，从而发挥降低网路负载、减少传输延迟、增加频谱使用效率及延伸网路覆盖范围等效益。  
上述效益除了增进人与人的沟通、资料间的传输外，也可降低网路营运成本和复杂性，为社交方位性服务(Location-Based Social Networks)创新提供具体佐证，同时实现后四代/第五代行动通讯(B4G/5G)描绘的“快、密、全、佳、实”之远景。  

加速B4G/5G网路成形　D2D通讯模式前景看好 

“快、密、全、佳、实”，是欧盟科研计画METIS(全称为“构建2020年资讯社会的无线通信关键技术”(Mobile And Wireless Communications Enablers For Twenty-Twenty Information Society)所迈出5G研发的第一步。“快”意味未来行动宽频技术将为用户提供更高的数据传输速率，“密”表示未来即使在人口密集地区也可享有优质通讯，“全”代表同时支援各类联网设备，“佳”说明联网设备能让民众的行动装置达到最佳体验，“实”意即促使即时(Real-Time)可靠的创新应用普及于日常生活与工作场域中(图1)。  


图1　D2D可降低网路负载并促进人际沟通，为5G研发重要选项。
全球迈向5G世代的过程挑战重重，其中不同装置之间的相容互通，异质网路间的干扰控制、资源分配与排程管理，网路与终端装置间的数据传输，授权(Licensed)与非授权(Unlicensed)频谱间的网路流量卸载、网路协助的区域搜寻与通讯(Network-Assisted Localized Discovery & Communication)挑战，皆带动长程演进计画直接通讯(LTE-Direct)、多元无线接取之直接通讯网路(Multi-RAT D2D Network)、LTE中继(LTE Relay)等重要议题，上述皆为D2D讨论的范畴(图2)。  


图2　D2D议题成为国际标准会议的讨论重点。
3GPP从2012年开始便启动D2D相关规格的制定工作，3GPP原本只针对LTE-Direct订定下世代通讯系统规格，后来也加入LTE-Assisted Wi-Fi Direct等Multi-RAT D2D的服务架构；但由于商用服务计费模式不确定，目前仍以公众安全为主要规格制定目标。本文除了说明3GPP在D2D相关规格的制定方向与现状之外，也分享工研院在商业应用上的服务计费模式构想，以下将针对3GPP框架下的近身通讯服务(Pro-Se)系统加以探讨。  
沿用3GPP标准框架　近身通讯服务日益成熟 
近身通讯服务在3GPP的框架下，可以利用LTE装置间通讯(ProSe Communication)、基地台协助转送、公众安全LTE/Wi-Fi网路等三种不同型态提供服务。其中，第一和第三种型态的通讯介面提供装置间直接通讯的能力，而第二种型态通讯介面则为一旦两个装置的电波范围互不涵盖时，用户可利用基地台做近身通讯之转送服务。  

此外，Wi-Fi Direct也被纳入3GPP SA2工作群的规格制定范围，利用LTE核心网路的引导，Wi-Fi Direct的通讯双方可以发现对方、认证对方，进一步完成连线，甚至提供Wi-Fi或LTE连线为中继转送的能力，所以LTE-Assisted Wi-Fi Direct等Multi-RAT D2D规格亦为3GPP的制定范围。  

根据目前3GPP ProSe标准文件--TR22.803，共有上述三种类别系统架构，图3左图与右图中的资料路径(Data Path)是直接建立在两个使用者装置(UE)之间，左图的控制路径(Control Path)会经过基地台，而右图的控制路径除了基地台以外，在非常时期也可成为临时架设的公众安全无线资源控制器(Public Safety Radio Resource Controller)控管UE行为。  

对于现有的营运商来说，现行网路并无此调节器，因此，在现阶段也仅能在专属频带使用公众安全专用的特殊架构。  

至于图3的中图即为上述基地台协助转送方式，此方式牵涉到基地台的大幅修改，所以目前还未纳入标准规格的制定时程。图3中，图左显示演进分封系统(Evolved Packet System, EPS)在两个UE间的直接模式通讯资料路径；图中显示EPS在两个使用者设备间透过基地台进行本地路由(Local Routing)模式的通讯资料路径；图右则显示在没有网路协助下的公共安全近身通讯服务通讯的控制路径。  


图3　3GPP近身通讯服务的三种系统架构
LTE装置通讯强调对称式的通讯，相较目前营运商的细胞网路(Cellular Network)的主从式结构有极大差异，排程从基站侧会转移部分功能到装置侧，过去以基站为中心的换手(Handover)也会变成复合式的换手机制，同时须要维持基站与装置间的连结。  

然而，目前装置通讯最大的冲击在计费模式上，目前装置是跟基站侧连结，通讯可根据传输量或传输时间计费，但装置间通讯无法透过基站侧直接进行计量，加上营运商先前未积极推广近身通讯服务，因此，工研院提出以距离计价的服务模式，并被营运商认可，未来亦有望列入国际标准，成为我国在技术研发以外，同时致力商务模式创新的范例。  

D2D在3GPP的讨论分为装置间搜寻(ProSe Discovery)与网路协助下的装置间通讯两部分，但3GPP也会额外讨论非网路覆盖(Out Of Coverage)下的通讯，而装置搜寻可分所有使用者都可接收的开放式搜寻(Open Discovery)，可被营运商拿来提供广告相关业务及公共安全群组通讯应用；此外还有限定被授权装置的搜寻(Restricted Discovery)，其为商业应用服务的关键技术。  

根据标准组织3GPP RAN1无线接取网路实体层的定义，装置间搜寻包含两种型态，其一为资源可让所有使用者装置/部分使用者装置应用的非特定使用者装置--Type 1情境，其根据公共安全情境不须基地台参与，即可进行搜寻，以用来支援没有基站覆盖的情况，为意欲经营公共安全的营运商所提供的形式。  

Type 2是针对在网路覆盖下，可针对每个UE进行管控的模式，这也是商用营运商比较喜欢的模式。Type 2情境可以再分成两类，其中，Type 2A的资源配置方法在每个时间点都给予，Type 2B资源配置方法则允许长时间的排程。  

ProSe Communication在装置间通讯的框架下，泛指网路控管内的直接通讯，并支援无网路覆盖的传输。图4说明非网路覆盖情境。  


图4　左图为3GPP近身通讯服务的非网路覆盖；右图为专属频率使用情境。
图4左图描绘的是常见的非网路覆盖情境，装置间彼此通讯，但平行的装置间通讯会彼此互相干扰，以致于通讯品质下降；如IEEE 802.11/Wi-Fi使用Carrier Sense Multiple CSMA(Access)机制能降低彼此间的干扰，然而宽频讯号在覆盖率与侦测能力方面仍显不足。  

此外，Hidden Node也会影响IEEE 802.11/Wi-Fi的效能，因此业者会讨论新方法，解决平行传输链结干扰问题。图4右图与细胞传输链结不同的专属频率使用情境，系装置间通讯的终极解决方案，可完全避免装置通讯干扰，以及装置与基地台间通讯的干扰，该情境跟非网路覆盖情境有些类似，不过可利用基地台协助调控装置间通讯的干扰，此为3GPP框架解决装置间通讯问题的益处。  

根据3GPP利用营运商的上行链结细胞资源，提供资料传输的情境，传输使用频段若与手机/基地台传输频段相同，会影响装置到基地台的传输品质，也影响装置间的通讯品质，最简单的解决方案是在时域上错开装置到装置/基地台间的传输。目前在LTE有ABS(Almost Blank Subframe)的概念，系在讯框上挖出一个互不干扰的区域，该区域便可用来做装置间传输，以避免彼此间的干扰。  

此外，营运商提供的下行链结细胞资源，根据目前基地台的设定，基站传输功率可以高达43dBm，就算是Small Cell，传输功率也可以高达33dBm，比装置的23dBm多出10dB。再加上基站的一般天线增益16dB，所以整体会差距20dB以上的讯号强度，因此装置间通讯容易受盖台影响，导致细胞间通讯的失败。  

LTE-D2D系统有效降低　通讯干扰 

现行Wi-Fi、ZigBee、蓝牙(Bluetooth)等D2D系统共通的挑战，在于非执照频段下，易因干扰导致无法保障传输品质。如Wi-Fi的最大传输距离在2.4GHz频带下约为30~50公尺，当Wi-Fi装置增多，彼此间的干扰会导致服务品质下降。  

未来Wi-Fi Direct使用5GHz频带，频宽增加许多，无重叠的频道有二十三个，对于近身通讯服务的应用而言，可有效避免装置间交互干扰。  

然而，Wi-Fi的搜寻费时与传输不稳，在紧急通讯(Critical Communication)应用于公共安全时仍是一重大缺陷，因此Wi-Fi只能做为营运商备用的传输媒介。但LTE D2D装置间通讯在基地台的协助之下，相对具有优势，包括保障使用者的服务品质并支援语音服务、降低行动装置彼此间的干扰、支援一百位以上的使用者个数、低行动装置功耗、快速的使用者搜寻方式等，同时也能支援公共安全与自组网路。  

根据目前高通(Qualcomm)的解决方案，仅使用0.3%的LTE资源便可搜寻两千八百一十六个装置。  

虽然搜寻周期达20秒，但可修正到小于1秒，且LTE可排程极少资源，加强每个载波功率密度，并延长传输距离，使之增加15~18dB，延长通讯传输达数百公尺。  

LTE装置搜寻在视线所及范围内，可达到1公里以上的传输距离。  

工研院在3GPP SA1会议提出将ProSe Discovery应用于以距离计价的广告服务，随着覆盖范围越广，接收人数越多，营运商可收取的广告费用便越高。  

该计价模式的概念说明如下：餐厅A跟餐厅B由于传输范围大小的不同，遂分别收取1~2美金的费用。当餐厅C转传提供广播服务，则以覆盖范围更大，收取更高的4美金。 前述针对距离计费的贡献提案，国际营运商已将其推入标准，为台湾兼具技术研发及商务模式创新的范例。  

总之，D2D近身通讯服务除了可促进容量卸载(Offload)、舒缓网路塞车的瓶颈，同时在行动广告等商用服务，也有多元创新应用的空间。  

工研院也透过D2D收费机制的标准提案，为宽频行动营运商提供近身通讯服务的营运模式，尤其在公共安全紧急通讯领域，D2D更可在黄金救援的宝贵时间内，善用低时延的特性，发挥快速搜寻、即时通讯的作用。  

综上所述，D2D近身通讯不仅是下世代行动通讯的技术基础，也是彰显下世代网路核心价值的应用平台。  

综上所述，D2D近身通讯不仅是下世代行动通讯的技术基础，也是彰显下世代网路核心价值的应用平台。