1移动中继的应用场景
类似于固定中继系统，移动中继系统由基站、移动中继和用户终端组成。其中，基站和移动中继之间的链路为回程链路(BackhaulLink)，移动中继和用户终端之间的链路为接入链路(AccessLink)。若基站和用户设备之间的信道状况良好，还可以考虑直连链路(DirectLink)。移动中继可以选择放大转发和解码转发等模式。由于移动中继具有运动性和随机性，而这种特点与性能密切相关，如何建立合理的移动中继运动模型是移动中继系统研究领域的首要问题。当前研究中有的采用较简单的随机游动模型，或采用二维泊松过程来表示用户终端的放置位置，使用M/M/∞排队模型来表示用户终端的移动性。在实际部署移动中继系统时，需要考虑不同的应用场景。在3GPPR11版本中，高铁是主要应用。在文献［8］中，主要考虑以下两种典型场景:场景1移动中继服务静止用户场景说明。在该场景下，中继被安装在交通工具的顶部，中继天线被分别放置在车辆的内外，分别用于和基站与用户终端通信。若不使用中继辅助传输，该场景下的通信将会面临许多问题，如严重的车体损耗，多普勒频移，小区切换带来的大量开销等。反之，则可以将较差的信道分为两段传输条件较好的链路，从而很好地解决了该场景下的通信问题。与直接传输相比，中继辅助传输的掉话率明显降低，为车内用户提供较高的吞吐量和较低的小区切换失败率，从而提高了通信质量，改善了用户体验。场景2移动中继服务非静止用户场景说明如图2所示。在该场景下，中继也被部署在车辆顶部，不过其目的不是为了为车内乘客提供服务，而是为街道和公园提供覆盖。闹市区的街道和公园，是行人比较集中的地方，通信业务量大，属于“热点”地区。在经过这些地方的公交车上部署中继，则可以增强覆盖，提高吞吐量，具有实际意义。
2移动中继系统中的关键技术
2.1信道建模与估计
对于移动中继来说，由于其移动的特点，而且可能是高速移动，因此研究的首要问题是移动中继的信道建模问题，主要包括回程链路和接入链路的建模。不同链路的信道模型与各网络节点采用的天线数目、中继的转发模式和中继的运动模型密切相关，信道建模的准确度会极大地影响系统性能。如文献［9］分析了不准确的路径损耗模型对移动中继系统性能的影响。此外，基站到移动中继的信道会随着车辆的运动而急剧变化，同时车辆的运动会引起多普勒频移问题，因此在实际的移动中继系统中采用合适的信道预测和估计方法也是非常必要的。如文献［10～11］提出了一种采用在车辆顶部使用预测性天线的信道预测和估计方法，从而较好地解决了移动中继的信道估计问题。
2.2中继选择
在实际的移动中继系统中，可能会存在多个移动中继。现有研究表明，根据信道状态信息选择一个最好的中继进行协作，可以较低的复杂度获得满分集增益。因此，机会中继选择技术是移动中继系统中的关键技术。信令开销是中继选择算法的首要考虑因素。对于快速移动的用户，基于信噪比的方案会产生大量的信令开销，而基于位置或距离的选择方案在高速场景下开销较小，因而适用性更强。上述方案都是基于单个参数的选择，实际信噪比和时延等参数会同时影响中继选择，为此，文献［13］提出了一种具有服务质量(QoS)保证的多参数联合中继选择算法。由于信令开销和系统复杂度与每个目标用户的候选中继的数量成正比，文献［14］考虑了如何减少候选中继的数量而不影响使用中继带来的系统性能增益。文中所提算法限制了每个目标用户的数量从而减少了反馈开销。文献［15］提出了一种三步选择算法。该算法在保持中继增益的同时可以使中继信令开销维持在较低水平。虽然中继选择可以提高系统性能，但是不适宜的选择会引起频繁的中继切换，从而影响系统的整体性能。文献［16］从这个角度出发，提出了使中继活动时间最长和中继切换率最小的两种中继选择算法。研究结果表明，与现有方案相比，所提方案在不降低系统吞吐量的情况下可以获得较低的中继切换率和较长的中继活动时间。
2.3资源分配
在中继系统中进行功率和带宽等资源的分配可以有效提高系统资源利用率和系统吞吐量，目前得到了广泛的研究。(1)功率分配。最简单的功率控制方法是开关算法。所谓开关功率控制算法就是给中继分配一定功率或者不分配功率。该算法可以提高小区吞吐量和覆盖范围。文献［17］根据不同的数据速率要求提出了一种最优的功率分配算法。该文献考虑了中继的移动性，建立了移动模型，使用所提出的最优功率分配方案可以提高数据速率。仿真结果表明，在一些实际的数据速率下该算法可以带来3dB增益。文献［18］提出了一种分布式的功率控制算法用以提高平均小区吞吐量。文章考虑了在多小区环境中，通过使用分布式移动中继功率分配方案，与传统的系统相比，平均小区吞吐量得到了改善。同时，也提升了小区边缘吞吐量，因此对小区边缘用户来说，该方案有助于改善其用户体验，是一种较好的解决方案。(2)带宽分配。对于不同的运营商分别安装不同的中继显然并不是高效的，文献［19］基于此提出了共享频谱分配算法来解决此问题。该方案中不同运营商使用相同的移动中继为某一区域内的用户服务，并根据链路质量为不同运营商分配相应的带宽，从而实现了无线资源的有效利用。借助于纳什均衡理论，该方案可以将吞吐量提升近20%。文献［20］以IEEE802.16j系统为研究对象，研究了子信道分配对系统性能的影响。文中提出了重叠子信道分配(OVSA)和正交子信道分配(ORSA)两种方案。研究结果表明，所提方案的小区吞吐量高于不使用中继情况下的吞吐量。文献［21］则利用博弈论理论联合考虑了动态服务选择和带宽分配的问题。为了获得更好的服务质量，移动中继执行基站选择和传输模式的选择，基站则为不同传输模式分配不同的带宽。当移动中继和基站的策略相互影响并且需要作出动态决定时，这将面临着挑战。为解决这个问题，该文提出了一个两层的基于进化博弈和微分博弈的博弈结构。在下层，动态服务选择可以建立为一个进化博弈模型;在上层，基站端的动态带宽分配可以形成一个微分博弈模型，最后得到了一个闭环纳什均衡。数值仿真结果表明了动态博弈带宽分配策略的有效性，并且系统性能和覆盖范围的优势得到了加强。
2.4小区切换
在移动中继系统中，由于中继的移动性以及中继一般为多个用户同时服务等原因，如何设计中继高速移动情况下的小区切换策略便成为了一个关键问题，文献［22～24］对此进行了深入研究。在高速运动场景，大量用户很可能需要进行频繁的小区切换，因而如何保证较低的链路失败率和较高的切换成功率，将直接影响用户的通信服务质量和通信体验。对于移动中继系统的小区切换问题，现在比较好的一种方案是使用具有两根分布式天线的移动中继，即在车辆首尾分别装有天线。移动中继通过选择具有较好接收信号质量的天线作为接收天线。当车辆进入重叠区域时，前置天线执行切换至目标基站，后置天线将和服务基站保持连接。当前置天线完成切换后，再由后置天线将工作频率转移至目标基站。如果切换失败，后置天线将执行第二次切换。因此，这种切换方案使通信在切换过程中不会被中断，实现了通信的无缝体验，而且降低了切换失败率，是一种简单实用的方案。
2.5移动中继的其他问题
使用移动中继来改善车辆用户的服务质量和吞吐量的效果明显，除了以上提到的关键问题外，仍然有其他的一些问题和挑战需要解决。首先是移动中继的移动性管理问题。这主要包括不同基站间移动中继的切换和不同移动中继间用户的切换。但是，现有LTE系统中没有针对移动中继的移动性支持，因此有必要修改当前的系统结构用以提供有效、可靠的移动性管理。目前，为了支持移动性管理，是在当前的固定中继架构上修改还是提出新的架构尚在讨论中。其次，由于移动中继的使用，干扰管理也是一个新的挑战。中继技术的优势在理论上已获得共识，但在实际部署中中继节点的引入必然导致更加严重的干扰问题。尽管接入链路干扰较小，但对于回程链路来说，不同移动中继间以及中继与宏小区用户间的干扰使问题变得复杂。预测性天线的使用将提高CSI的准确性，从而可以在回程链路中使用高级的干扰避免和干扰消除方案。
3结束语
面对用户日益增长的通信需求，人们对协作通信技术进行了深入的研究和利用。现阶段，移动中继技术已成为一大研究热点。本文对当前移动中继研究中的一些挑战和相应的研究成果进行了总结归纳，以便为进一步的研究指明方向。到目前为止，人们对移动中继的研究大多局限于比较简单的场景和模型中，对其性能增益和所面临的挑战有了初步了解。为得到对这种新型节点的综合了解，还需要对其进行系统级的研究。总之，移动中继能够丰富现有的无线网络架构，为用户提供更好的服务选择和体验，拥有广阔的应用前景。
作者：李小兵 张庭园 宋涛 李靖 单位：中兴通讯股份有限公司 中国科学院微电子所 西安电子科技大学通信工程学院
