【正文】 現(xiàn)和最后應(yīng)用，現(xiàn)在還處于研究階段。這種形式的協(xié)議更充分的利用了信道的自由度，因?yàn)樗鼈冎辉谛枰獣r(shí)重傳，即只在目的端無法正確接收信息時(shí)發(fā)生。我們假定，該信息比特被中繼節(jié)點(diǎn)正確檢測。首先，源節(jié)點(diǎn)將其信息發(fā)往目的端。在增強(qiáng)中繼協(xié)議中，用中繼節(jié)點(diǎn)重傳而不是源節(jié)點(diǎn)，這樣就可以獲得空域分集。增強(qiáng)中繼協(xié)作分集可以認(rèn)為是對(duì)中繼方法增加了冗余或者混合自動(dòng)檢測重傳(ARQ)。為了改善信道自由度的利用，提出了增強(qiáng)中繼協(xié)作分集。目前，也有一些跨越物理層、MAC層及網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)思想被提出，這種設(shè)計(jì)相對(duì)更為復(fù)雜。 固定中繼選擇方案分析比較基于位置信息或平均SNR的中繼選擇，最佳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇依賴于源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的位置信息，需要知道或者估計(jì)所有中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，這就要求系統(tǒng)有距離估計(jì)結(jié)構(gòu)(如各終端安裝CPS接收機(jī))，或者能夠估計(jì)他們之間的平均SNR，而這并不是很簡單的問題，并且更適于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不適于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)中，平均SNR需要花費(fèi)足夠的開銷來估計(jì)。中繼節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的即時(shí)信道狀況，并且在信道狀況改變之前以一種分布式的方式，決定哪一個(gè)中繼具有最好的進(jìn)行信息中繼的路徑。最佳中繼選出以后，就可以用來往目的端轉(zhuǎn)發(fā)信息。潛在中繼節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽該RTS和CTS分組，所有能夠正確接收RTS和CTS分組的節(jié)點(diǎn)即為候選中繼節(jié)點(diǎn)。機(jī)會(huì)中繼也是一種基于即時(shí)信道狀況的中繼選擇策略，其基本思想是：在M個(gè)侯選中繼節(jié)點(diǎn)中，選取單個(gè)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間，具有最好端到端路徑的節(jié)點(diǎn)作為中繼。具體實(shí)現(xiàn)為：潛在中繼節(jié)點(diǎn)測量其與目的節(jié)點(diǎn)之間的即時(shí)信噪比，當(dāng)該信噪比大于指定門限時(shí)，他就屬于候選中繼節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須測量其到目的節(jié)點(diǎn)的平均信噪比，當(dāng)該信噪比大于指定門限時(shí)，即為候選中繼節(jié)點(diǎn)，然后所有候選中節(jié)點(diǎn)將自己的平均信噪比信息告知源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)選擇其中具有最好平均信噪比的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，之后廣播該選擇決定給所有候選中繼節(jié)點(diǎn)。在ISA中，中繼節(jié)點(diǎn)(包括多天線中繼節(jié)點(diǎn))的天線數(shù)已知，目的節(jié)點(diǎn)采取與BSA相似的方法，首先在天線數(shù)少的中繼節(jié)點(diǎn)限定的增益環(huán)中選擇，不成功，則增大天線數(shù)，再不成功，減小增益要求。在BSA中，根據(jù)要求的協(xié)作增益g，目的節(jié)點(diǎn)僅在天線數(shù)最少的中繼節(jié)點(diǎn)限定的增益環(huán)中選取中繼節(jié)點(diǎn)。對(duì)于算法的法則和具體實(shí)現(xiàn)過程，我們?cè)谶@里就不做詳細(xì)的介紹了。一旦中繼節(jié)點(diǎn)R被選為源節(jié)點(diǎn)S的中繼，R就一直做S的中繼，直到S與R之間的即時(shí)信道狀況變得不可靠，無法充當(dāng)中繼才重新選擇中繼。當(dāng)候選中繼節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)距離一定時(shí)，最佳中繼節(jié)點(diǎn)為到目的節(jié)點(diǎn)的距離足夠近的中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，用戶協(xié)作區(qū)域變大，反之，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)靠近目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，用戶協(xié)作區(qū)域變小。，分析給出了協(xié)作使用戶受益的區(qū)域——用戶協(xié)作區(qū)域的概念。在本設(shè)計(jì)中假設(shè)系統(tǒng)由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。為了獲得更大的分集增益，提出了多中繼選擇方法。在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境下，在中繼節(jié)點(diǎn)的重傳時(shí)間可以認(rèn)為是一個(gè)隨機(jī)變量，編碼方法必須考慮該因素。進(jìn)一步改進(jìn)的解碼中繼模式是由Aazrain及Mrtina等提出的動(dòng)態(tài)解碼中繼模式。這種形式的選擇動(dòng)態(tài)中繼(selection and Dynamic Relaying)協(xié)作分集，應(yīng)該會(huì)獲得分集增益，原因是：無論哪種情況，衰落系數(shù)都必須足夠小，以免傳輸信息丟失。如果測得|Ars|2小于某一特定門限時(shí)，源節(jié)點(diǎn)就簡單的采用重復(fù)形式或者空時(shí)編碼方案繼續(xù)往目的端傳輸信息而不進(jìn)行協(xié)作。對(duì)于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼，我們假設(shè)相應(yīng)接收方已知衰落系數(shù)，這樣協(xié)作終端可以很準(zhǔn)確的測量兩終端r，s之間的衰落、陰影和路徑等帶來的損耗系數(shù)Ars因此，它們可以根據(jù)了解到的Ars值來相應(yīng)的改變它們的傳輸形式。并且，因?yàn)檫@兩種協(xié)作方式的中繼節(jié)點(diǎn)都工作在半雙工模式，信道或帶寬利用率不高。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議(AF)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議(DF)是所有協(xié)作協(xié)議中最簡單的，中繼節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度最低。 動(dòng)態(tài)選擇中繼近年來很多文獻(xiàn)在對(duì)協(xié)作通信進(jìn)行研究的時(shí)候都是基于所有潛在中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作的場景，這樣做的缺點(diǎn)是信道條件惡劣的中繼占用系統(tǒng)資源，而對(duì)系統(tǒng)性能提高的貢獻(xiàn)十分有限。首先，需要考慮在大噪聲情況下是否需要進(jìn)行中繼協(xié)作，如果需要，應(yīng)該如何選擇中繼。然而，因?yàn)樗兄欣^節(jié)點(diǎn)只有在接收了源節(jié)點(diǎn)第一步傳輸?shù)男畔⑶疫M(jìn)行相應(yīng)解碼處理后，才能決定自己是否適合作為協(xié)作伙伴為源節(jié)點(diǎn)中繼信息，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源是一種浪費(fèi)。對(duì)于基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)作分集，在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可用的情況下，可進(jìn)行如下的協(xié)作：第一步，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)廣播其信息，此時(shí)候選中繼節(jié)點(diǎn)試圖解碼源節(jié)點(diǎn)的信息；第二步，成功譯碼的所有中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式空時(shí)編碼，然后發(fā)射到目的節(jié)點(diǎn)，其中中繼節(jié)點(diǎn)是否成功譯碼可以采用CRC等方式來進(jìn)行判斷，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩步接收到的信號(hào)進(jìn)行合并。研究重點(diǎn)放在以中斷概率和誤幀率F(ER)等性能參數(shù)的分析和系統(tǒng)性能方面。第三章 基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作中繼選擇方案 中繼選擇策略協(xié)作通信使得用戶可以利用協(xié)作伙伴的天線，產(chǎn)生空域分集效果，來對(duì)抗無線信道的衰落。分集協(xié)議按照信號(hào)處理的方式分為放大中繼協(xié)議、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議和編碼協(xié)作協(xié)議。對(duì)兩類協(xié)作分集的原理及信道分配做了介紹。接著介紹了協(xié)作分集的分類。然后介紹了協(xié)作分集系統(tǒng)模型。協(xié)作分集就是在多用戶環(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。本章從分集技術(shù)入手，簡單的介紹了分集技術(shù)的分類及分集合并方法。因此人們提出了協(xié)作分集技術(shù)，即在多用戶環(huán)境下，每個(gè)單天線用戶在發(fā)送自己信息的同時(shí)也為自己的協(xié)作伙伴發(fā)送信息，這樣就形成了虛擬多天線系統(tǒng)。在現(xiàn)在研究領(lǐng)域，分集技術(shù)主要應(yīng)用于多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)中，它能夠利用無線通信中的多徑提供分集增益，從而提高通信速率和質(zhì)量。 本章小結(jié)分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通過多個(gè)信道（時(shí)間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。編碼協(xié)作的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接利用現(xiàn)有的信道編碼技術(shù)，將協(xié)作與信道編碼結(jié)合起來提高系統(tǒng)的傳輸性能。雖然編碼協(xié)作在快衰落信道中性能較好，即使用戶間信道狀況很差，協(xié)作用戶的性能依然能夠得到較大的改善。用戶1中繼用戶2的情況與之相似。以穿孔卷積碼為例，進(jìn)行協(xié)作時(shí)，第1個(gè)N/4時(shí)隙，用戶1傳送打孔過的信息位到目的端和用戶2，用戶2解調(diào)譯碼并通過CRC校驗(yàn)判斷接收到的信息是否正確，如果正確則在第2個(gè)N/4時(shí)隙對(duì)信息重新編碼，并發(fā)送相應(yīng)的校驗(yàn)位信息到目的端。TDMA方式下的編碼協(xié)作可以分為4步。但協(xié)作伙伴也需要精確估計(jì)用戶間信道信息，增加了用戶端信號(hào)處理的復(fù)雜度。以上幾種改進(jìn)方案的好處在于避免了用戶間信道較差時(shí)引起的錯(cuò)誤傳播，同時(shí)也節(jié)省了系統(tǒng)的功率開銷， 提高了頻譜利用率。由此， 進(jìn)一步提出了選擇解碼中繼協(xié)議，也就是根據(jù)用戶間信道的信噪比條件決定是否轉(zhuǎn)發(fā)伙伴的信息，其中選擇中繼( Selection Relay)和增強(qiáng)中繼( Incremental Relay)均是解碼中繼的改進(jìn)方案。由于這種方式在轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)進(jìn)行了判決，從而避免了噪聲放大。2. 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議在AF協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)過程中，放大的噪聲可能導(dǎo)致錯(cuò)誤傳播，為了避免這種由于噪聲產(chǎn)生的影響，研究者提出了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡單，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不需要對(duì)信息進(jìn)行復(fù)雜處理，從而具有速度快、復(fù)雜度低的特點(diǎn)。目的端將用戶和其伙伴所發(fā)送的信號(hào)以一定的準(zhǔn)則合并，并進(jìn)行判決。下面分別介紹這幾種協(xié)議的內(nèi)容以及各自特點(diǎn)。與上述重復(fù)編碼協(xié)作分集技術(shù)相比，在高信噪比的情況下空時(shí)編碼仍能獲得m階的分集增益，而且頻譜利用率和總的信道自由度也得到了很大的提高。容易看到，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)利用了總信道自由度的1/2，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的總自由度為l/2。在PHASE I，源節(jié)點(diǎn)S使用不同的頻段向中繼節(jié)點(diǎn)s（s屬于M）傳送信息，其中，D(s)為充當(dāng)源節(jié)點(diǎn)中繼的集合。 基于重復(fù)編碼協(xié)作分集信道分配方案時(shí)間軸第一步第二步頻率軸1發(fā)射2轉(zhuǎn)發(fā)13轉(zhuǎn)發(fā)1…m轉(zhuǎn)發(fā)12發(fā)射1轉(zhuǎn)發(fā)23轉(zhuǎn)發(fā)2…m轉(zhuǎn)發(fā)2……………m發(fā)射1轉(zhuǎn)發(fā)m2轉(zhuǎn)發(fā)m…m1轉(zhuǎn)發(fā)m2. 多中繼空時(shí)編碼分集。在某一頻帶上，只有源發(fā)送的信息和其他m1個(gè)用戶對(duì)該信息中繼產(chǎn)生的m1個(gè)副本，接收端通過合適的合并方式對(duì)源信息和這些副本進(jìn)行合并，從而獲得空間分集增益。假設(shè)系統(tǒng)為源節(jié)點(diǎn)集合為M={l,2,…,m}的無線網(wǎng)絡(luò)，在源節(jié)點(diǎn)s(s屬于M)向目的節(jié)點(diǎn)d(d不屬于M)的信號(hào)傳輸過程中，源節(jié)點(diǎn)集合內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助其信號(hào)的傳送。與兩個(gè)用戶的協(xié)作技術(shù)相比較，在多用戶情況下，協(xié)作方案的設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測以及多址問題等會(huì)更加復(fù)雜，當(dāng)然它提供的增益也更加高。 中繼1 中繼2 信源 中繼L 信宿 多中繼協(xié)作分集系統(tǒng)模型 協(xié)作分集的分類目前有關(guān)協(xié)作分集的研究基本上都是基于兩個(gè)用戶之間的協(xié)作，但正如上節(jié)所說，協(xié)作分集并不局限于兩個(gè)用戶之間的協(xié)作，它可以是多用戶之間的相互協(xié)作。在多址信道中，多個(gè)中繼可以采用匹配濾波接收基站發(fā)送的信號(hào)，并通過一定的功率放大后將信號(hào)發(fā)送出去。其中，信源與多個(gè)中繼間的通信定義為第一跳，多中繼與信宿間的通信定義為第二跳，分別稱為廣播信道(BC)和多址信道(MAC)。為了方便起見，令L=T=M。其中，中繼和信宿均配備了多根天線。其中灰色三角形代表源節(jié)點(diǎn)，白色三角形代表目的節(jié)點(diǎn)，灰色圓代表有用中繼，白色圓代表無用中繼。因此，協(xié)作分集不局限于蜂窩系統(tǒng)，同樣適用于無線Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)然，協(xié)作分集不局限于兩個(gè)用戶之間的協(xié)作，它可以是多用戶之間的相互協(xié)作，即就是一個(gè)用戶可以同時(shí)擁有多個(gè)合作伙伴。協(xié)作分集基本原理是：多用戶環(huán)境中的單天線用戶在傳輸自己的信息的同時(shí)，也能傳送其所接收到和檢測到的臨近用戶（即伙伴）傳送的信息。此外，在協(xié)作分集中，用戶間的信道是有噪聲的，也就是說，不能保證每個(gè)用戶都可以成功的接收，并正確檢測到其合作伙伴發(fā)送的信息。首先，在中繼通信中，中繼結(jié)點(diǎn)的作用是形成主信道，它是單純作為中繼而存在的，本身沒有信息要傳送，而協(xié)作分集的通信機(jī)制就更為復(fù)雜，其遠(yuǎn)不止只是一個(gè)簡單的中繼問題，因?yàn)槊總€(gè)用戶既要中轉(zhuǎn)其合作伙伴的信息，還要傳送自己的信息。與Laneman等工作時(shí)間上幾乎同時(shí)進(jìn)行的是Hunter和Nosratinia提出的編碼協(xié)作(coded cooperation)研究，即將信道編碼技術(shù)應(yīng)用到協(xié)作分集中。接著，Laneman，Tse和Wornell則深入研究了分集的實(shí)現(xiàn)策略，提出了固定中繼、選擇中繼和增量中繼3種協(xié)作策略。這主要有兩方面的原因：一方面，移動(dòng)終端對(duì)體積、質(zhì)量和功耗的要求遠(yuǎn)比基站苛刻得多；另一方面，理想的MIMO多天線系統(tǒng)要求相鄰天線之間的距離遠(yuǎn)大于載波波長，并且多個(gè)收發(fā)天線之間的傳輸信道必須是獨(dú)立的，而移動(dòng)終端由于體積的限制，根本無法做到這一點(diǎn)。盡管傳統(tǒng)多天線傳輸具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并已逐漸被新一代無線通信系統(tǒng)的主流協(xié)議所采納，但仍然存在問題。 協(xié)作分集技術(shù)隨著日益增長的多媒體業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，大容量和高速率的移動(dòng)通信系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注，但是由于移動(dòng)信道具有的多徑衰落和多普勒頻移等特性，這嚴(yán)重阻礙了信道容量的增加和服務(wù)質(zhì)量的改善，因此如何有效地對(duì)抗移動(dòng)信道中的多徑衰落一直都是廣大研究工作者的熱點(diǎn)討論問題。從合并所處的位置來看，合并可以在檢測器以前，即在中頻和射頻上進(jìn)行合并，且多半是在中頻上合并；合并也可以在檢測器以后，即在基帶上進(jìn)行合并。分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以改善傳輸?shù)目煽啃?，它也是一?xiàng)研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域與空域中，如何分散開又如何收集起來的技術(shù)。對(duì)這三種合并方式性能進(jìn)行比較，可以看出，在這三種合并方式中，最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最差。根據(jù)所涉及資源的不同，分集技術(shù)可分為如下幾個(gè)大類：有空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集、時(shí)間分集等。不同發(fā)射分集的系統(tǒng)模型各不相同，性能也存在或多或少的差異。此外，發(fā)射分集技術(shù)還易于與空時(shí)編碼、OFDM、干擾抑制以及智能天線等技術(shù)相結(jié)合，最大程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃裕虼司哂蟹浅８叩睦碚搩r(jià)值及深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。因此，如果要獲得分集效果，最重要的條件是各個(gè)信號(hào)之間應(yīng)該滿足是“不相關(guān)”的。為了定量的衡量分集的改善程度，常用標(biāo)稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個(gè)指標(biāo)來描述。在移動(dòng)無線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在移動(dòng)通信中非常重要。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)?？臻g分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機(jī)之間的距離要滿足大于3倍波長的基本條件。這種通過提供傳送信號(hào)多個(gè)副本來提高接收信號(hào)正確判決率的方法被稱為分集。相應(yīng)的，還需要采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，以獲得分集增益，提高接收靈敏度，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括移動(dòng)通信，短波通信等多種隨參信道中。 分集技術(shù)原理衰落效應(yīng)是影響無線通信質(zhì)量的主要因素之一，其中的快衰落深度可達(dá)到30～40dB，如果想利用加大發(fā)射功率、增加天線尺寸和高度等的方法來克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的，而且這會(huì)造成對(duì)其它電臺(tái)的干擾。這些都是移動(dòng)信道獨(dú)有的特性，它給移動(dòng)通信帶來了不利的影響。當(dāng)信號(hào)受到高大建筑物（例如移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)到背離基站的大樓面前）或地形起伏等的阻擋，接收到的信號(hào)幅度將降低。此外，如果發(fā)射機(jī)或接收機(jī)都處于移動(dòng)狀態(tài)，或者信道環(huán)境一直發(fā)生著變化，會(huì)引起信道特性隨時(shí)間隨機(jī)變化，接收到的信號(hào)由于多普勒效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的失真。不同路徑的信號(hào)分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們