協作通信基礎知識

參考文章：
協作通信-百度百科
協作通信-ppt
協作通信基本策略

一、什麼是協作通信

1.1 基本概念

• 協作通信是一種利用移動中繼節點來增加特定用戶容量的技術，這種技術的原理是在小區所有節點工作頻帶相同的情況下，可以將系統分解成三類節點，基站爲源節點、特定用戶（高速用戶）爲目的節點、其他用戶終端爲中繼節點，所有中繼節點都可以看作是特定用戶節點的收發天線，從而網絡就等於一個多輸入多輸出（MIMO）天線系統，被稱爲是虛擬多入多出天線（V-MIMO）系統，能支持高速用戶的特定容量。因此，這種技術被稱爲“協作通信”。
• 簡單來說，就是基站給你發數據的時候，處於該基站覆蓋範圍內的移動臺也可以接收到基站給你發送的數據，然後接收到該數據的所有移動臺對數據進行處理之後，再把它們發送給你的移動臺。
• 該方法使用帶有一根天線的移動臺，在多用戶環境中可以共享其他移動用戶的天線，這樣可產生多根虛擬發射天線，進而得到相應的分集增益，改善移動通信系統的性能。
  

1.2 基本思想

• 基本思想：在多用戶通信環境中，使用單副天線的各臨近移動用戶可按照一定方式共享彼此的天線協同發送，從而產生一種類似多天線發送的虛擬環境，獲得空間分集增益，提高系統傳輸性能。
• 藉助於協作夥伴的天線，與其自身天線共同構造成發射天線， 並通過模仿傳統的多發射天線分集來獲得空間分集增益。
• 只要合理地設計協作方案，完全可以做到協作分集帶來的增益大 於所付出的代價。協作分集可以有效地利用整個網絡資源，使網絡 性能更穩定。

二、協作通信的常見協作方式

不同的協作方式主要是根據各個移動臺對接收到數據之後的處理過程的不同而分類。

2.1 放大轉發(AF)

• 在AF模式下，中繼節點對收到的數據不進行任何的解調或解碼操作，只對信號的功率作歸一化處理，然後用自身的發射功率將信號放大後發射給目的節點。
• AF方式：操作簡單，開銷小，複雜度低，但在放大有用信號的同時也放大了噪聲，在信道狀況較差時並不能獲得良好的性能。
• 中繼節點不對接收的信號進行解調和解碼，而是直接將收到的信號進行模擬處理後轉發，這是採用最早的一種協作模式。 在該機制中，每個用戶接收它夥伴發送過來的帶有噪聲的信號，接着對該信號進行放大，然後將放大的帶有噪聲信號重新發送。基站將對用戶和其夥伴傳送來的數據進行合併判決。 儘管協作者在進行放大時也放大了噪聲，但是基站接收到兩個獨立的衰落信號，最後能作出較好的判決。

2.2 解碼轉發（DF)decode-forward

• 在DF模式下，中繼節點對用戶的信息進行解調，解碼之後仍用原來的編碼方式進行編碼，然後發送給目的節點。通過循環冗餘校驗來判斷是否收到正確的數據包，如果無誤則進行轉發，如果有誤則將其丟棄。
• DF方式：通過對數據先進行解調解碼從而將源節點與中繼節點之間的噪聲剔除掉，同時利用循環冗餘校驗(CRC）避免了錯誤信息的擴散，但是會降低頻譜效率，丟棄數據包也會損失一定的能量，造成接收端信噪比的下降。因此比較適合信道狀況較好時使用。
• AF和DF方式都是對信息的重複傳輸。
• DF方式不會帶來噪聲傳播的問題，但是如果不採用CRC循環冗餘校驗，則得不到滿分集階數。並且中繼節點對源節點信息解碼錯誤所帶來的的誤差會隨着跳數（經歷的中繼節點的個數）的增加而產生累積。

2.3 編碼協作(CC)

• 在CF模式下，中繼節點對用戶的信息進行解調，解碼之後再進行新的信道編碼，然後轉發給目的節點。由於此時目的節點接收到的信號來自不同的空間路徑，同時含有不同的編碼冗餘成分，因此係統獲得了分集增益與編碼增益，有效地提高的系統的整體性能。（編碼之後的冗餘校驗信息按一定的準則全部或者部分轉發給目的節點。
• CF方式：傳輸效率較AF,DF高，但信道編解碼增加了計算開銷，複雜度高。
• 在慢衰落條件下，即使移動終端間的信道傳輸特性非常差，編碼協作依然能夠顯著提高這兩個移動終端的誤碼率性能；若協作雙方都能夠正確解碼的話，系統可以獲得滿分集增益。
• 在快衰落條件下，編碼協作會犧牲上行信道傳輸特性相對較好的終端的性能。

2.4 空時編碼協作（STCC）

• 即將空時編碼思想應用到編碼協作方式中。
• 與一般編碼協作方式最大的不同是每個移動終端可在自己和其協作夥伴的多址信道上同時發送信息；而在一般編碼協作方式中，移動終端只能在自己的多址信道發送協作信息。
• 研究表明，空時編碼協作方式在快衰落環境下也可以獲得滿分集增益，並且不會犧牲信道質量相對較好的移動終端的性能。

2.5 網絡編碼協作（NCC）

• 網絡節點將接收到的信息進行編碼後再轉發出去的多點傳送技術。
• 網絡編碼的核心思想：中間節點不再是簡單的存儲轉發，而是將接收信息進行編碼後再發送，從而可提高整個網絡的容量和健壯性。

三、協作通信的應用前景

• 協作通信技術可以提升系統容量、增大數據傳輸速率、有效的對抗衰落和以及降低系統的中斷概率，提高系統的服務質量和可靠性。
• 協作分集技術解決大小受限的移動終端無法安置多天線的問題，推進MIMO技術實用化，帶來無線通信領域 的巨大變革。
• 將協作通信技術廣泛應用在蜂窩移動通信中、無線局域網、Ad Hoc網絡、無線傳感器網絡，改善傳輸質量提高整個網絡的壽命。