Proximity Services (ProSe) je technologie umožňující přímou komunikaci mezi zařízeními v mobilních sítích LTE, bez nutnosti procházet přes síťovou infrastrukturu. Tato technologie, označovaná také jako Device-to-Device (D2D) komunikace, přináší řadu výhod a nových možností využití mobilních sítí. Pojďme se podrobněji podívat na principy fungování ProSe, klasifikaci různých módů D2D komunikace, výhody a nevýhody každého z nich, a také na architekturu D2D v rámci LTE-Advanced sítí.
Princip fungování ProSe/D2D
Tradiční mobilní komunikace probíhá vždy přes síťovou infrastrukturu - vysílající zařízení pošle data na základnovou stanici (eNodeB), ta je přepošle přes páteřní síť na cílovou základnovou stanici a ta je doručí cílovému zařízení. I když jsou obě komunikující zařízení blízko sebe, musí signál putovat přes síť.
Oproti tomu ProSe umožňuje přímou komunikaci mezi blízkými zařízeními (UE - User Equipment), bez nutnosti procházet sítí. Zařízení si data posílají přímo mezi sebou pomocí speciálních ProSe kanálů na rozhraní označovaném jako sidelink. Základnová stanice pouze koordinuje a řídí přidělování zdrojů pro tyto D2D přenosy.
Klasifikace D2D komunikace
D2D komunikaci v buňkových sítích můžeme rozdělit podle používaného frekvenčního spektra na dvě hlavní kategorie:
-
Inband D2D - komunikace probíhá ve stejném licencovaném spektru jako buňková síť LTE. Přímá výměna dat mezi D2D zařízeními tedy sdílí přenosové prostředky s buňkovými uživateli.
-
Outband D2D - komunikace probíhá v odděleném nelicencovaném spektru, typicky v pásmech ISM jako 2.4 GHz. Pro přenos se využívá jiná bezdrátová technologie, například WiFi Direct nebo Bluetooth.
Inband D2D
Inband D2D dále dělíme podle způsobu sdílení rádiových prostředků na:
-
Underlay - D2D komunikace využívá stejné frekvenční a časové zdroje jako buňkoví uživatelé. Zvyšuje se tím spektrální efektivita sítě, ale je potřeba důkladně řídit interferenci mezi D2D a buňkovým provozem.
-
Overlay - část buňkových zdrojů (subframe, PRB) je dedikována výhradně pro D2D komunikaci. Nedochází tak k interferenci, ale je nutná explicitní alokace části spektra pro D2D na úkor buňkových uživatelů.
Hlavní motivací pro použití inband D2D je efektivnější využití licencovaného spektra pod kontrolou operátora. Na druhou stranu je potřeba řešit odstínění interference mezi D2D a buňkovými linkami sofistikovanými algoritmy řízení výkonu a alokace zdrojů, což zvyšuje komplexitu.
Outband D2D
U outband D2D zařízení využívají pro přímou komunikaci jiné rádivé rozhraní a pásmo, než primární buňkovou síť LTE. Tím se zcela eliminuje interference s buňkovými uživateli. Outband pásma však nejsou pod kontrolou operátora a mohou trpět rušením. Navíc je potřeba v zařízeních implementovat dodatečný rádiový subsystém (WiFi, Bluetooth).
Outband D2D může pracovat ve dvou režimech:
- Kontrolovaný režim - síť LTE pomáhá s konfigurací, ustanovením a řízením outband D2D spojení, ale vlastní data jsou přenášena mimo LTE.
- Autonomní režim - objevování i komunikace D2D zařízení probíhá bez asistence LTE sítě, pouze na základě interakce mezi D2D uživateli.
Systémová architektura pro D2D v LTE-A
Pro podporu ProSe služeb a integraci D2D komunikace do LTE sítě bylo potřeba architekturu LTE/EPC rozšířit o nové síťové entity a rozhraní. Klíčové prvky jsou:
-
ProSe Function - síťová entita zajišťující funkce nezbytné pro podporu ProSe, jako autorizace uživatelů, správa D2D spojení, přidělování zdrojů, účtování služeb atd. Komunikuje s dalšími prvky přes referenční body PC1 až PC8.
-
ProSe Application Server - realizuje aplikační funkce nad D2D komunikací, prosazuje použití ProSe pro konkrétní služby.
-
ProSe Application in UE - část aplikační vrstvy v uživatelských zařízeních. Poskytuje rozhraní pro aplikace, které chtějí využít přímé D2D komunikace mezi uživateli.
Základ D2D komunikace mezi ProSe-enabled UE tvoří tyto procedury:
- Objevování okolních zařízení (ProSe Discovery)
- Navazování D2D spojení (link establishment)
- Přímá komunikace (ProSe Communication), příp. včetně účasti dalších entit (ProSe Group Communication, ProSe Broadcast)
- Případně předávání provozu do sítě (ProSe UE-to-Network Relay)
Na stranu UE musely být doplněny nové funkce a protokolové vrstvy pro podporu D2D . Jedná se např. o správu D2D zdrojů, měření a reportování, zabezpečení D2D komunikace, či soužití D2D s buňkovou komunikací LTE.
Objevování UE-to-Network Relay pomocí Model B
UE-to-Network Relay je důležitou funkcí ProSe, která umožňuje některým UE v dosahu eNB (Relay UE) zprostředkovávat připojení do sítě pro vzdálenější UE (Remote UE) přes sidelink rozhraní. Remote UE musí nejprve objevit okolní Relay UE pomocí ProSe discovery.
V ProSe Model B posílá Remote UE všesměrově žádosti o nalezení Relay UE a čeká na jejich odpovědi. Pokud nějaké Relay UE žádost přijme, odpoví zprávou obsahující informace k navázání D2D relay spojení.
Efektivita a rychlost tohoto procesu objevování při použití ProSe Model B závisí na několika faktorech:
- Konfiguraci D2D resource pool (počet PRB párů, počet subframe)
- Počtu Relay a Remote UE, které pool využívají
- Hodnotě parametru TX Probability, který určuje s jakou četností UE vysílají objevovací zprávy
Správné nastavení těchto parametrů s ohledem na potřebný dosah, rychlost objevení a spotřebu energie je netriviální optimalizační problém. Pomocí analytických modelů a simulací lze odhadnout chování a výkonnost procesu ProSe discovery pro různé počty UE a konfigurace. Výsledky ukazují, že od určité hustoty UE je výhodnější snížit TX Probability, než nechat UE vysílat příliš často, protože to vede k přetížení resource pool a častým kolizím. Je potřeba hledat optimální rovnováhu mezi rychlostí objevování, spotřebou a spolehlivostí doručení zpráv.
Shrnutí
Proximity Services (ProSe) a Device-to-Device (D2D) komunikace přináší do LTE sítí nové možnosti přímé komunikace mezi blízkými uživateli s nižší latencí, vyšší kapacitou a úsporou síťových zdrojů. Rozlišujeme Inband D2D komunikaci ve spektru LTE sítě (v režimu underlay nebo overlay) a Outband D2D v nelicencovaném pásmu s využitím sekundárního rozhraní (v kontrolovaném či autonomním módu). Začlenění D2D do LTE vyžadovalo úpravy architektury a protokolů, včetně nových síťových entit a rozhraní. Klíčovou roli hraje ProSe funkce, objevování okolních D2D zařízení a efektivní správa sdílených rádiových prostředků. D2D komunikace nabízí zajímavé možnosti pro nové proximity služby, zvýšení efektivity i nouzovou komunikaci. Její nasazení v praxi však stále naráží na řadu technických i obchodních výzev.
| 