摘要：為了解決多輸入多輸出技術(shù)在移動(dòng)終端的多天線制約問題，為了適應(yīng)這種情況，提出了一種新的分集技術(shù)——協(xié)作分集，該方法可以使具有單根天線的移動(dòng)臺獲得類似于MIMO系統(tǒng)中的某些增益。如今最為廣泛的空間分集技術(shù)主要是MIMO，現(xiàn)有的MIMO天線技術(shù)通過在接收端和發(fā)射端同時(shí)安置多個(gè)天線來有效地消除多徑衰落的影響，MIMO信道結(jié)構(gòu)從而充分利用了空域資源，大幅度提高了信道容量。
　　關(guān)鍵詞：協(xié)作分集；空時(shí)協(xié)作；編碼協(xié)作機(jī)制
　　
　　1協(xié)作分集技術(shù)原理
　　協(xié)作分集技術(shù)又稱虛擬MIMO技術(shù)，其基本原理是：多用戶環(huán)境中的單天線用戶在傳輸自己的信息時(shí)，也能傳送所接收和檢測到的臨近用戶（即伙伴）的信息。其實(shí)質(zhì)就是希望利用合作伙伴的天線與自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線，從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，以獲得分集增益。
　　1.1協(xié)作分集步驟
　　協(xié)作分集的過程主要分為兩個(gè)步驟：
　　（1）源節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送信號，目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收信號，中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行處理。
　　（2）中繼節(jié)點(diǎn)將處理后的信號發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)也可以向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送重復(fù)的或者新的消息，最后目的節(jié)點(diǎn)按照某種規(guī)則合并兩步接收到的信號。
　　1.2協(xié)作分集信號合并模型
　　假設(shè)系統(tǒng)中每個(gè)源節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)合作伙伴，它們兩個(gè)相互協(xié)作與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)除了獨(dú)立發(fā)送自己的信息給目的節(jié)點(diǎn)外，還將轉(zhuǎn)發(fā)從其合作伙伴接收到的信息給目的節(jié)點(diǎn)。這就相當(dāng)于從一個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號經(jīng)歷了兩條獨(dú)立衰落的路徑分別到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，從而可以得到分集增益。
　　每個(gè)源節(jié)點(diǎn)都接收到其合作伙伴發(fā)送的、包含衰落和噪聲的信號，然后將這個(gè)信號和自己要發(fā)送的信號組合在一起發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，表示為：
　　（1）
　　（2）
　　（3）
　　式中：下標(biāo)0、l、2分別代表目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)1和源節(jié)點(diǎn)2；（t）（i=0，l，2）表示接收端在一個(gè)符號周期內(nèi)收到的信號；（t）（i=l，2）表示兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；（t）（i=0，l，2）表示均值為零的加性高斯白噪聲；（i=0，l，2；j=0，l，2）表示各信道之間衰落系數(shù)，是零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量，其包絡(luò)服從瑞利分布，它在一個(gè)符號周期內(nèi)保持不變，并且=。
　　通過式（1）～（3）可以看出，在這里事實(shí)上已經(jīng)認(rèn)為每個(gè)源節(jié)點(diǎn)不會(huì)接收到自己發(fā)送的信號，目的節(jié)點(diǎn)收到的信號是這兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的疊加。
　　2協(xié)作中繼協(xié)議
　　按中繼實(shí)現(xiàn)方式，協(xié)作通信系統(tǒng)中主要有三種協(xié)作方式，即放大前傳、檢測轉(zhuǎn)發(fā)、編碼協(xié)作。在這三種方式中尤以編碼協(xié)作方式的性能最優(yōu)。
　　首先，放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，或稱放大前傳，在該機(jī)制中，每個(gè)用戶接收它伙伴發(fā)送過來的帶有噪聲的信號，接著對該信號進(jìn)行放大，然后將放大的帶有噪聲信號的重新發(fā)送。基站將對用戶和其伙伴傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并判決。
　　接著，有人提出了檢測轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在該方法中用戶首先嘗試檢測出用戶伙伴的數(shù)據(jù)比特，然后將檢測出的比特重新發(fā)送。
　　以上提出的兩種機(jī)制雖然能獲得一定的分集增益，但它們有一些局限性。第一，兩種機(jī)制都包括一定形式的重發(fā)，所以并非對帶寬最好利用。第二，檢測轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可能會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)對其伙伴錯(cuò)誤估計(jì)的信息。錯(cuò)誤的傳播會(huì)降低性能，特別是當(dāng)用戶間的信道較差時(shí)。第三，這兩種機(jī)制為了在接收端得到最佳的最大似然檢測，需要知道用戶間信道的BER（誤比特率）和SNR（信噪比）。為了解決這些局限性，提出了一種新的機(jī)制——編碼協(xié)作機(jī)制。
　　3編碼協(xié)作
　　3.1編碼協(xié)作的基本思想
　　編碼協(xié)作的基本思想：首先把移動(dòng)終端要發(fā)送的信息比特轉(zhuǎn)化成符號塊進(jìn)行編碼，然后加上CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼。在協(xié)作通信時(shí)將要發(fā)送的信息編成碼字后分成兩段，分別含有和，則原始的碼長為+。其中是想要的信息位，是校驗(yàn)碼。需要兩個(gè)時(shí)隙來分別發(fā)送和兩部分信息，發(fā)送這些信息的時(shí)隙稱為幀。
　　第一幀中，每個(gè)移動(dòng)終端發(fā)送各自碼字的第一段，即信息，同時(shí)每個(gè)移動(dòng)終端都試圖解碼對方的這部分信息。如正確解碼，就在第二幀中發(fā)送其協(xié)作伙伴碼字的第二段即信息。如譯碼不正確就發(fā)送自己的第二段信息，這樣每個(gè)移動(dòng)終端在兩個(gè)發(fā)射時(shí)隙總是傳送N=+的信息塊。
　　3.2編碼協(xié)作的各種情況分析
　　在第二幀中，各個(gè)用戶是相互獨(dú)立的，他們不知道自己在第一幀的信息是否已經(jīng)被正確譯碼，因此，第一幀的譯碼情況具有四種情況，如圖1所示。
　　
　　圖1普通編碼協(xié)作的實(shí)現(xiàn)過程
　　情況a，在第一幀的兩用戶都成功地檢測到對方的數(shù)據(jù)，并成功譯碼，所以在第二幀中他們都傳輸伙伴的的信息，可以達(dá)到完全增益。
　　情況b，用戶2成功譯碼用戶1的數(shù)據(jù)信息，而用戶1則未能成功譯碼用戶2的信息，所以在用戶1的第二幀傳輸用戶1的的信息，在用戶2的第二幀也傳輸用戶1的信息。
　　情況c，用戶1成功譯碼用戶2的數(shù)據(jù)，而用戶2未能成功譯碼用戶1的數(shù)據(jù)，所以在第二幀中，用戶1傳輸用戶2的信息，用戶2也傳輸用戶2
　　的N2bit信息。
　　情況d，用戶1和用戶2均未能成功譯碼，所以在第二幀中均傳輸各自的N2bit信息。
　　由此可以看出，當(dāng)信道不完全對稱時(shí)，必然會(huì)有一個(gè)用戶的碼字的第二部分不會(huì)在第二幀進(jìn)行傳輸，因此系統(tǒng)的性能將大大受到影響。因此技術(shù)人員又提出了一種新的協(xié)作方案，空時(shí)協(xié)作方法。
　　3.3空時(shí)協(xié)作方法
　　空時(shí)協(xié)作信號處理技術(shù)與原先的編碼協(xié)作機(jī)制不同的是：用戶在第二幀中同時(shí)傳輸自己和伙伴的比特信息。用戶在快衰落環(huán)境也可以取得比較好的性能，因此空時(shí)協(xié)作信號處理技術(shù)也是一個(gè)很好的研究方向。
　　空時(shí)協(xié)作編碼方法是：用戶在第二幀中不但要傳輸它自己的信息還要傳輸它的協(xié)作伙伴的信息，這種策略在快衰落信道中是非常有用的。在快衰落環(huán)境下，一個(gè)用戶的上行信道在第一幀和第二幀傳輸中是獨(dú)立的，因此，在第二幀中使用伙伴的信道不會(huì)得到任何增益。在空時(shí)協(xié)作中，由于每個(gè)用戶在第二幀中傳輸兩用戶的信息，因此可以獲得較好的增益。更進(jìn)一步說，用戶傳輸它自己和伙伴的信息，在用戶間信道質(zhì)量不好的情況下也可以獲得較好的增益。如果一個(gè)用戶能正確地對它的伙伴譯碼，而伙伴卻不能正確對它譯碼，那么這個(gè)用戶能在它的第二幀傳輸中獲得較好的增益，而它的伙伴卻不能。
　　空時(shí)協(xié)作編碼在第二幀的傳輸中也有四種情況，如圖2所示。
　　
　　圖2空時(shí)編碼協(xié)作的實(shí)現(xiàn)過程
　　情況a，兩個(gè)用戶都能對其伙伴成功的譯碼，所以在第二幀中它們都傳輸自己和伙伴的第二部分比特信息，從而導(dǎo)致全分集的發(fā)生。在這種情況下，同一個(gè)信道，兩個(gè)不同天線上可能傳輸相同的數(shù)據(jù)，這就為空時(shí)碼的采用提供了條件，即用戶可以在第二幀采用空時(shí)編碼發(fā)射數(shù)據(jù)來獲得分集。
　　情況b，用戶2能成功譯碼用戶1，而用戶1卻不能成功譯碼用戶2。因此用戶1在第二幀只能傳輸自己的比特，而用戶2傳輸自己和用戶1的比特。
　　情況c，與情況b類似，只是把用戶1與用戶2的位置調(diào)換而已。
　　情況d，兩個(gè)用戶都不能成功譯碼其伙伴的信息，系統(tǒng)就退化為非協(xié)作的情況。
　　4下一步研究方向
　　協(xié)作分集是一種全新的空間分集技術(shù)，它可以解決難以在移動(dòng)終端安裝多根天線的問題，推進(jìn)了MIMO技術(shù)的實(shí)用化。目前國內(nèi)外在這方面的研究剛剛起步，還存在很多問題，但無論如何它都具有廣闊的前景，而且這種技術(shù)可用于無線自組織網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)等多種場合，今后還有可能將這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，形成一種全新的智能網(wǎng)絡(luò)，引起移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大變革。協(xié)作通信是當(dāng)今研究最為熱門的話題之一，發(fā)展至今，雖然取得了不少的成果，但還有許多問題有待進(jìn)一步的研究和解決。
　　（1）協(xié)作伙伴如何分配和管理。協(xié)作通信中一個(gè)重要的問題是怎樣確定與哪些用戶進(jìn)行協(xié)作，多長時(shí)間對合作的用戶進(jìn)行重新分配。該問題的難點(diǎn)是在不增加額外系統(tǒng)資源的前提下，保證所有用戶的公平性。
　　（2）協(xié)作系統(tǒng)中的路由如何選擇。移動(dòng)臺怎樣去選擇協(xié)作伙伴，每個(gè)移動(dòng)臺協(xié)作伙伴的個(gè)數(shù)如何確定。既然是移動(dòng)終端，當(dāng)它們的相對位置改變時(shí)又如何選擇新的協(xié)作伙伴，根據(jù)怎樣的路由協(xié)議去選擇。
　　（3）協(xié)作傳輸如何進(jìn)行功率控制。現(xiàn)在的研究都是認(rèn)為各個(gè)移動(dòng)終端有著相等的發(fā)射功率，但是可以使移動(dòng)終端根據(jù)上行信道或者協(xié)作伙伴的信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率，從而更好地提升性能。
　　（4）信息安全問題。為了保證伙伴之間數(shù)據(jù)信息的保密性，在協(xié)作通信系統(tǒng)中，用戶的數(shù)據(jù)在傳輸之前必須進(jìn)行加密，使移動(dòng)臺可以檢測到同伴的數(shù)據(jù)，而無法理解同伴傳輸?shù)男畔ⅲ�這也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。