移動中繼通信技術論文范文

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1移動中繼的應用場景

類似于固定中繼系統，移動中繼系統由基站、移動中繼和用戶終端組成。其中，基站和移動中繼之間的鏈路為回程鏈路(BackhaulLink)，移動中繼和用戶終端之間的鏈路為接入鏈路(AccessLink)。若基站和用戶設備之間的信道狀況良好，還可以考慮直連鏈路(DirectLink)。移動中繼可以選擇放大轉發和解碼轉發等模式。由于移動中繼具有運動性和隨機性，而這種特點與性能密切相關，如何建立合理的移動中繼運動模型是移動中繼系統研究領域的首要問題。當前研究中有的采用較簡單的隨機游動模型，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/∞排隊模型來表示用戶終端的移動性。在實際部署移動中繼系統時，需要考慮不同的應用場景。在3GPPR11版本中，高鐵是主要應用。在文獻［8］中，主要考慮以下兩種典型場景:場景1移動中繼服務靜止用戶場景說明如圖1所示。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面臨許多問題，如嚴重的車體損耗，多普勒頻移，小區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，中繼輔助傳輸的掉話率明顯降低，為車內用戶提供較高的吞吐量和較低的小區切換失敗率，從而提高了通信質量，改善了用戶體驗。場景2移動中繼服務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乘客提供服務，而是為街道和公園提供覆蓋。鬧市區的街道和公園，是行人比較集中的地方，通信業務量大，屬于“熱點”地區。在經過這些地方的公交車上部署中繼，則可以增強覆蓋，提高吞吐量，具有實際意義。

2移動中繼系統中的關鍵技術

2.1信道建模與估計對于移動中繼來說，由于其移動的特點，而且可能是高速移動，因此研究的首要問題是移動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絡節點采用的天線數目、中繼的轉發模式和中繼的運動模型密切相關，信道建模的準確度會極大地影響系統性能。如文獻［9］分析了不準確的路徑損耗模型對移動中繼系統性能的影響。此外，基站到移動中繼的信道會隨著車輛的運動而急劇變化，同時車輛的運動會引起多普勒頻移問題，因此在實際的移動中繼系統中采用合適的信道預測和估計方法也是非常必要的。如文獻提出了一種采用在車輛頂部使用預測性天線的信道預測和估計方法，從而較好地解決了移動中繼的信道估計問題。

2.2中繼選擇在實際的移動中繼系統中，可能會存在多個移動中繼?，F有研究表明，根據信道狀態信息選擇一個最好的中繼進行協作，可以較低的復雜度獲得滿分集增益。因此，機會中繼選擇技術是移動中繼系統中的關鍵技術。信令開銷是中繼選擇算法的首要考慮因素。對于快速移動的用戶，基于信噪比的方案會產生大量的信令開銷，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。上述方案都是基于單個參數的選擇，實際信噪比和時延等參數會同時影響中繼選擇，為此，文獻［13］提出了一種具有服務質量(QoS)保證的多參數聯合中繼選擇算法。由于信令開銷和系統復雜度與每個目標用戶的候選中繼的數量成正比，文獻［14］考慮了如何減少候選中繼的數量而不影響使用中繼帶來的系統性能增益。文中所提算法限制了每個目標用戶的數量從而減少了反饋開銷。文獻［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性能，但是不適宜的選擇會引起頻繁的中繼切換，從而影響系統的整體性能。文獻［16］從這個角度出發，提出了使中繼活動時間最長和中繼切換率最小的兩種中繼選擇算法。研究結果表明，與現有方案相比，所提方案在不降低系統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時間。

2.3資源分配在中繼系統中進行功率和帶寬等資源的分配可以有效提高系統資源利用率和系統吞吐量，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算法。所謂開關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吞吐量和覆蓋范圍。文獻［17］根據不同的數據速率要求提出了一種最優的功率分配算法。該文獻考慮了中繼的移動性，建立了移動模型，使用所提出的最優功率分配方案可以提高數據速率。仿真結果表明，在一些實際的數據速率下該算法可以帶來3dB增益。文獻［18］提出了一種分布式的功率控制算法用以提高平均小區吞吐量。文章考慮了在多小區環境中，通過使用分布式移動中繼功率分配方案，與傳統的系統相比，平均小區吞吐量得到了改善。同時，也提升了小區邊緣吞吐量，因此對小區邊緣用戶來說，該方案有助于改善其用戶體驗，是一種較好的解決方案。(2)帶寬分配。對于不同的運營商分別安裝不同的中繼顯然并不是高效的，文獻［19］基于此提出了共享頻譜分配算法來解決此問題。該方案中不同運營商使用相同的移動中繼為某一區域內的用戶服務，并根據鏈路質量為不同運營商分配相應的帶寬，從而實現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［20］以IEEE802.16j系統為研究對象，研究了子信道分配對系統性能的影響。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。研究結果表明，所提方案的小區吞吐量高于不使用中繼情況下的吞吐量。文獻［21］則利用博弈論理論聯合考慮了動態服務選擇和帶寬分配的問題。為了獲得更好的服務質量，移動中繼執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。當移動中繼和基站的策略相互影響并且需要作出動態決定時，這將面臨著挑戰。為解決這個問題，該文提出了一個兩層的基于進化博弈和微分博弈的博弈結構。在下層，動態服務選擇可以建立為一個進化博弈模型;在上層，基站端的動態帶寬分配可以形成一個微分博弈模型，最后得到了一個閉環納什均衡。數值仿真結果表明了動態博弈帶寬分配策略的有效性，并且系統性能和覆蓋范圍的優勢得到了加強。

2.4小區切換在移動中繼系統中，由于中繼的移動性以及中繼一般為多個用戶同時服務等原因，如何設計中繼高速移動情況下的小區切換策略便成為了一個關鍵問題，文獻此進行了深入研究。在高速運動場景，大量用戶很可能需要進行頻繁的小區切換，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質量和通信體驗。對于移動中繼系統的小區切換問題，現在比較好的一種方案是使用具有兩根分布式天線的移動中繼，即在車輛首尾分別裝有天線。移動中繼通過選擇具有較好接收信號質量的天線作為接收天線。當車輛進入重疊區域時，前置天線執行切換至目標基站，后置天線將和服務基站保持連接。當前置天線完成切換后，再由后置天線將工作頻率轉移至目標基站。如果切換失敗，后置天線將執行第二次切換。因此，這種切換方案使通信在切換過程中不會被中斷，實現了通信的無縫體驗，而且降低了切換失敗率，是一種簡單實用的方案。

2.5移動中繼的其他問題使用移動中繼來改善車輛用戶的服務質量和吞吐量的效果明顯，除了以上提到的關鍵問題外，仍然有其他的一些問題和挑戰需要解決。首先是移動中繼的移動性管理問題。這主要包括不同基站間移動中繼的切換和不同移動中繼間用戶的切換。但是，現有LTE系統中沒有針對移動中繼的移動性支持，因此有必要修改當前的系統結構用以提供有效、可靠的移動性管理。目前，為了支持移動性管理，是在當前的固定中繼架構上修改還是提出新的架構尚在討論中。其次，由于移動中繼的使用，干擾管理也是一個新的挑戰。中繼技術的優勢在理論上已獲得共識，但在實際部署中中繼節點的引入必然導致更加嚴重的干擾問題。盡管接入鏈路干擾較小，但對于回程鏈路來說，不同移動中繼間以及中繼與宏小區用戶間的干擾使問題變得復雜。預測性天線的使用將提高CSI的準確性，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結束語

面對用戶日益增長的通信需求，人們對協作通信技術進行了深入的研究和利用?，F階段，移動中繼技術已成為一大研究熱點。本文對當前移動中繼研究中的一些挑戰和相應的研究成果進行了總結歸納，以便為進一步的研究指明方向。到目前為止，人們對移動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有了初步了解。為得到對這種新型節點的綜合了解，還需要對其進行系統級的研究?？傊?，移動中繼能夠豐富現有的無線網絡架構，為用戶提供更好的服務選擇和體驗，擁有廣闊的應用前景。

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院微電子所西安電子科技大學通信工程學院