[论文解读] LTE Standard-Compliant D2D Communication: Software-defined Radio Implementation and Evaluation

S. C. Jain, Yi Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文首次实现了符合 3GPP LTE 发布版本 12 的软件定义无线电（SDR）设备到设备（D2D）通信，包括广播链路、中继和动态模式选择。基于开源 srsLTE 平台并使用 USRP 硬件构建，该系统支持通过图形界面实时控制无线参数，并通过可测量的信噪比（SNR）、吞吐量和块错误率（BLER）性能指标，展示了通过 D2D 中继实现的小区覆盖范围扩展。

ABSTRACT

In this paper, we describe the design and implementation of D2D communication functionality for LTE. To our knowledge, this is the first such implementation that is compliant with the LTE Release 12 standard. In this paper, we design and demonstrate an experiment on mode selection between infrastructure mode and D2D communication mode in LTE networks. We implement our system on a software-defined radio SDR testbed, augmenting the open-source LTE eNodeB and UE implementation provided by the srsLTE software suite. Our measurements demonstrate the cell extension capabilities of D2D and quantify the SNR and throughput obtained by a subscriber when directly served by the eNodeB and when provided connectivity through the relay UE. Our implementation of sidelink, relaying, and mode selection functionality enables experimentation and prototyping of D2D communication that can assist in standardization, research, and development.

研究动机与目标

• 开发首个基于 SDR 的、符合 3GPP LTE 发布版本 12 的 D2D 通信广播链路物理层实现。
• 在开源 srsLTE 平台中扩展完整广播链路、中继和动态模式选择功能。
• 通过图形界面实现实验节点（eNodeB、中继用户设备（UE）和远程 UE）的实时参数控制与实验。
• 评估 D2D 中继在提升小区覆盖范围方面的性能，指标包括信噪比（SNR）、吞吐量和块错误率（BLER）。
• 支持 3GPP 标准化、D2D 及近点服务在 LTE 和 5G 网络中的研究与开发。

提出的方法

• 在开源 srsLTE SDR 平台基础上，扩展了符合 3GPP LTE 发布版本 12 的广播链路物理层实现。
• 采用单载波频分复用（SC-FDMA）波形实现物理广播链路共享信道（PSSCH），并集成物理广播链路控制信道（PSCCH）用于控制信令。
• 设计了一种中继 UE，可从 eNodeB 接收下行链路数据，并通过广播链路将数据重新传输至远程 UE。
• 在远程 UE 中开发了动态模式选择机制，根据网络状况在直接下行链路（eNodeB）与 D2D 中继（中继 UE）之间切换。
• 使用 GTK+ 3.0 和 Linux 套接字通信开发了图形界面控制器，实现对频率、增益、调制编码方案（MCS）索引、物理资源块（PRB）和无线网络临时标识（RNTI）的实时调整。
• 采用 USRP 硬件与 UHD 驱动，在测试平台的所有节点间实现无线信号的实时收发。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在开源 SDR 平台上实现完全符合 LTE 发布版本 12 的广播链路？
• RQ2 通过中继 UE 实现的 D2D 中继与直接下行链路通信相比，对信噪比（SNR）、吞吐量和块错误率（BLER）有何影响？
• RQ3 使用 D2D 中继功能可实现多远的小区覆盖范围扩展？
• RQ4 基于实时信道条件的下行链路与广播链路之间的动态模式选择机制有多高效？
• RQ5 通过图形界面实现的实时参数控制是否能为 D2D 和近点服务提供灵活的实验能力？

主要发现

• 该实现成功在 SDR 平台上实现了符合 LTE 发布版本 12 的广播链路通信，是首个此类实现。
• 通过中继 UE 实现的 D2D 中继扩展了小区覆盖范围，使低信噪比边缘区域仍能保持连接。
• 对直接下行链路和中继 D2D 链路的吞吐量与信噪比（SNR）性能进行了量化分析，提供了性能基准。
• 收集并分析了块错误率（BLER）测量数据，作为模式选择决策的关键指标。
• 基于图形界面的实时控制机制实现了对所有节点的调制编码方案（MCS）索引、频率、增益和物理资源块（PRB）等无线参数的动态调节。
• 该系统证明了开源 SDR 平台在 LTE 网络中用于 D2D 和中继功能原型设计与测试的可行性。