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類似于固定中繼系統(tǒng)，移動(dòng)中繼系統(tǒng)由基站、移動(dòng)中繼和用戶終端組成。其中，基站和移動(dòng)中繼之間的鏈路為回程鏈路(BackhaulLink)，移動(dòng)中繼和用戶終端之間的鏈路為接入鏈路(AccessLink)。若基站和用戶設(shè)備之間的信道狀況良好，還可以考慮直連鏈路(DirectLink)。移動(dòng)中繼可以選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)等模式。由于移動(dòng)中繼具有運(yùn)動(dòng)性和隨機(jī)性，而這種特點(diǎn)與性能密切相關(guān)，如何建立合理的移動(dòng)中繼運(yùn)動(dòng)模型是移動(dòng)中繼系統(tǒng)研究領(lǐng)域的首要問題。當(dāng)前研究中有的采用較簡單的隨機(jī)游動(dòng)模型，或采用二維泊松過程來表示用戶終端的放置位置，使用M/M/∞排隊(duì)模型來表示用戶終端的移動(dòng)性。在實(shí)際部署移動(dòng)中繼系統(tǒng)時(shí)，需要考慮不同的應(yīng)用場景。在3GPPR11版本中，高鐵是主要應(yīng)用。在文獻(xiàn)［8］中，主要考慮以下兩種典型場景:場景1移動(dòng)中繼服務(wù)靜止用戶場景說明。在該場景下，中繼被安裝在交通工具的頂部，中繼天線被分別放置在車輛的內(nèi)外，分別用于和基站與用戶終端通信。若不使用中繼輔助傳輸，該場景下的通信將會(huì)面臨許多問題，如嚴(yán)重的車體損耗，多普勒頻移，小區(qū)切換帶來的大量開銷等。反之，則可以將較差的信道分為兩段傳輸條件較好的鏈路，從而很好地解決了該場景下的通信問題。與直接傳輸相比，中繼輔助傳輸?shù)牡粼捖拭黠@降低，為車內(nèi)用戶提供較高的吞吐量和較低的小區(qū)切換失敗率，從而提高了通信質(zhì)量，改善了用戶體驗(yàn)。場景2移動(dòng)中繼服務(wù)非靜止用戶場景說明如圖2所示。在該場景下，中繼也被部署在車輛頂部，不過其目的不是為了為車內(nèi)乘客提供服務(wù)，而是為街道和公園提供覆蓋。鬧市區(qū)的街道和公園，是行人比較集中的地方，通信業(yè)務(wù)量大，屬于“熱點(diǎn)”地區(qū)。在經(jīng)過這些地方的公交車上部署中繼，則可以增強(qiáng)覆蓋，提高吞吐量，具有實(shí)際意義。
2移動(dòng)中繼系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1信道建模與估計(jì)
對于移動(dòng)中繼來說，由于其移動(dòng)的特點(diǎn)，而且可能是高速移動(dòng)，因此研究的首要問題是移動(dòng)中繼的信道建模問題，主要包括回程鏈路和接入鏈路的建模。不同鏈路的信道模型與各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用的天線數(shù)目、中繼的轉(zhuǎn)發(fā)模式和中繼的運(yùn)動(dòng)模型密切相關(guān)，信道建模的準(zhǔn)確度會(huì)極大地影響系統(tǒng)性能。如文獻(xiàn)［9］分析了不準(zhǔn)確的路徑損耗模型對移動(dòng)中繼系統(tǒng)性能的影響。此外，基站到移動(dòng)中繼的信道會(huì)隨著車輛的運(yùn)動(dòng)而急劇變化，同時(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起多普勒頻移問題，因此在實(shí)際的移動(dòng)中繼系統(tǒng)中采用合適的信道預(yù)測和估計(jì)方法也是非常必要的。如文獻(xiàn)［10～11］提出了一種采用在車輛頂部使用預(yù)測性天線的信道預(yù)測和估計(jì)方法，從而較好地解決了移動(dòng)中繼的信道估計(jì)問題。
2.2中繼選擇
在實(shí)際的移動(dòng)中繼系統(tǒng)中，可能會(huì)存在多個(gè)移動(dòng)中繼。現(xiàn)有研究表明，根據(jù)信道狀態(tài)信息選擇一個(gè)最好的中繼進(jìn)行協(xié)作，可以較低的復(fù)雜度獲得滿分集增益。因此，機(jī)會(huì)中繼選擇技術(shù)是移動(dòng)中繼系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。信令開銷是中繼選擇算法的首要考慮因素。對于快速移動(dòng)的用戶，基于信噪比的方案會(huì)產(chǎn)生大量的信令開銷，而基于位置或距離的選擇方案在高速場景下開銷較小，因而適用性更強(qiáng)。上述方案都是基于單個(gè)參數(shù)的選擇，實(shí)際信噪比和時(shí)延等參數(shù)會(huì)同時(shí)影響中繼選擇，為此，文獻(xiàn)［13］提出了一種具有服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的多參數(shù)聯(lián)合中繼選擇算法。由于信令開銷和系統(tǒng)復(fù)雜度與每個(gè)目標(biāo)用戶的候選中繼的數(shù)量成正比，文獻(xiàn)［14］考慮了如何減少候選中繼的數(shù)量而不影響使用中繼帶來的系統(tǒng)性能增益。文中所提算法限制了每個(gè)目標(biāo)用戶的數(shù)量從而減少了反饋開銷。文獻(xiàn)［15］提出了一種三步選擇算法。該算法在保持中繼增益的同時(shí)可以使中繼信令開銷維持在較低水平。雖然中繼選擇可以提高系統(tǒng)性能，但是不適宜的選擇會(huì)引起頻繁的中繼切換，從而影響系統(tǒng)的整體性能。文獻(xiàn)［16］從這個(gè)角度出發(fā)，提出了使中繼活動(dòng)時(shí)間最長和中繼切換率最小的兩種中繼選擇算法。研究結(jié)果表明，與現(xiàn)有方案相比，所提方案在不降低系統(tǒng)吞吐量的情況下可以獲得較低的中繼切換率和較長的中繼活動(dòng)時(shí)間。
2.3資源分配
在中繼系統(tǒng)中進(jìn)行功率和帶寬等資源的分配可以有效提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，目前得到了廣泛的研究。(1)功率分配。最簡單的功率控制方法是開關(guān)算法。所謂開關(guān)功率控制算法就是給中繼分配一定功率或者不分配功率。該算法可以提高小區(qū)吞吐量和覆蓋范圍。文獻(xiàn)［17］根據(jù)不同的數(shù)據(jù)速率要求提出了一種最優(yōu)的功率分配算法。該文獻(xiàn)考慮了中繼的移動(dòng)性，建立了移動(dòng)模型，使用所提出的最優(yōu)功率分配方案可以提高數(shù)據(jù)速率。仿真結(jié)果表明，在一些實(shí)際的數(shù)據(jù)速率下該算法可以帶來3dB增益。文獻(xiàn)［18］提出了一種分布式的功率控制算法用以提高平均小區(qū)吞吐量。文章考慮了在多小區(qū)環(huán)境中，通過使用分布式移動(dòng)中繼功率分配方案，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，平均小區(qū)吞吐量得到了改善。同時(shí)，也提升了小區(qū)邊緣吞吐量，因此對小區(qū)邊緣用戶來說，該方案有助于改善其用戶體驗(yàn)，是一種較好的解決方案。(2)帶寬分配。對于不同的運(yùn)營商分別安裝不同的中繼顯然并不是高效的，文獻(xiàn)［19］基于此提出了共享頻譜分配算法來解決此問題。該方案中不同運(yùn)營商使用相同的移動(dòng)中繼為某一區(qū)域內(nèi)的用戶服務(wù)，并根據(jù)鏈路質(zhì)量為不同運(yùn)營商分配相應(yīng)的帶寬，從而實(shí)現(xiàn)了無線資源的有效利用。借助于納什均衡理論，該方案可以將吞吐量提升近20%。文獻(xiàn)［20］以IEEE802.16j系統(tǒng)為研究對象，研究了子信道分配對系統(tǒng)性能的影響。文中提出了重疊子信道分配(OVSA)和正交子信道分配(ORSA)兩種方案。研究結(jié)果表明，所提方案的小區(qū)吞吐量高于不使用中繼情況下的吞吐量。文獻(xiàn)［21］則利用博弈論理論聯(lián)合考慮了動(dòng)態(tài)服務(wù)選擇和帶寬分配的問題。為了獲得更好的服務(wù)質(zhì)量，移動(dòng)中繼執(zhí)行基站選擇和傳輸模式的選擇，基站則為不同傳輸模式分配不同的帶寬。當(dāng)移動(dòng)中繼和基站的策略相互影響并且需要作出動(dòng)態(tài)決定時(shí)，這將面臨著挑戰(zhàn)。為解決這個(gè)問題，該文提出了一個(gè)兩層的基于進(jìn)化博弈和微分博弈的博弈結(jié)構(gòu)。在下層，動(dòng)態(tài)服務(wù)選擇可以建立為一個(gè)進(jìn)化博弈模型;在上層，基站端的動(dòng)態(tài)帶寬分配可以形成一個(gè)微分博弈模型，最后得到了一個(gè)閉環(huán)納什均衡。數(shù)值仿真結(jié)果表明了動(dòng)態(tài)博弈帶寬分配策略的有效性，并且系統(tǒng)性能和覆蓋范圍的優(yōu)勢得到了加強(qiáng)。
2.4小區(qū)切換
在移動(dòng)中繼系統(tǒng)中，由于中繼的移動(dòng)性以及中繼一般為多個(gè)用戶同時(shí)服務(wù)等原因，如何設(shè)計(jì)中繼高速移動(dòng)情況下的小區(qū)切換策略便成為了一個(gè)關(guān)鍵問題，文獻(xiàn)［22～24］對此進(jìn)行了深入研究。在高速運(yùn)動(dòng)場景，大量用戶很可能需要進(jìn)行頻繁的小區(qū)切換，因而如何保證較低的鏈路失敗率和較高的切換成功率，將直接影響用戶的通信服務(wù)質(zhì)量和通信體驗(yàn)。對于移動(dòng)中繼系統(tǒng)的小區(qū)切換問題，現(xiàn)在比較好的一種方案是使用具有兩根分布式天線的移動(dòng)中繼，即在車輛首尾分別裝有天線。移動(dòng)中繼通過選擇具有較好接收信號質(zhì)量的天線作為接收天線。當(dāng)車輛進(jìn)入重疊區(qū)域時(shí)，前置天線執(zhí)行切換至目標(biāo)基站，后置天線將和服務(wù)基站保持連接。當(dāng)前置天線完成切換后，再由后置天線將工作頻率轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基站。如果切換失敗，后置天線將執(zhí)行第二次切換。因此，這種切換方案使通信在切換過程中不會(huì)被中斷，實(shí)現(xiàn)了通信的無縫體驗(yàn)，而且降低了切換失敗率，是一種簡單實(shí)用的方案。
2.5移動(dòng)中繼的其他問題
使用移動(dòng)中繼來改善車輛用戶的服務(wù)質(zhì)量和吞吐量的效果明顯，除了以上提到的關(guān)鍵問題外，仍然有其他的一些問題和挑戰(zhàn)需要解決。首先是移動(dòng)中繼的移動(dòng)性管理問題。這主要包括不同基站間移動(dòng)中繼的切換和不同移動(dòng)中繼間用戶的切換。但是，現(xiàn)有LTE系統(tǒng)中沒有針對移動(dòng)中繼的移動(dòng)性支持，因此有必要修改當(dāng)前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用以提供有效、可靠的移動(dòng)性管理。目前，為了支持移動(dòng)性管理，是在當(dāng)前的固定中繼架構(gòu)上修改還是提出新的架構(gòu)尚在討論中。其次，由于移動(dòng)中繼的使用，干擾管理也是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。中繼技術(shù)的優(yōu)勢在理論上已獲得共識，但在實(shí)際部署中中繼節(jié)點(diǎn)的引入必然導(dǎo)致更加嚴(yán)重的干擾問題。盡管接入鏈路干擾較小，但對于回程鏈路來說，不同移動(dòng)中繼間以及中繼與宏小區(qū)用戶間的干擾使問題變得復(fù)雜。預(yù)測性天線的使用將提高CSI的準(zhǔn)確性，從而可以在回程鏈路中使用高級的干擾避免和干擾消除方案。
3結(jié)束語
面對用戶日益增長的通信需求，人們對協(xié)作通信技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和利用。現(xiàn)階段，移動(dòng)中繼技術(shù)已成為一大研究熱點(diǎn)。本文對當(dāng)前移動(dòng)中繼研究中的一些挑戰(zhàn)和相應(yīng)的研究成果進(jìn)行了總結(jié)歸納，以便為進(jìn)一步的研究指明方向。到目前為止，人們對移動(dòng)中繼的研究大多局限于比較簡單的場景和模型中，對其性能增益和所面臨的挑戰(zhàn)有了初步了解。為得到對這種新型節(jié)點(diǎn)的綜合了解，還需要對其進(jìn)行系統(tǒng)級的研究。總之，移動(dòng)中繼能夠豐富現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為用戶提供更好的服務(wù)選擇和體驗(yàn)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。
作者：李小兵 張庭園 宋濤 李靖 單位：中興通訊股份有限公司 中國科學(xué)院微電子所 西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院
