摘要：為了解決多輸入多輸出技術在移動終端的多天線制約問題，為了適應這種情況，提出了一種新的分集技術——協作分集，該方法可以使具有單根天線的移動臺獲得類似于MIMO系統中的某些增益。如今最為廣泛的空間分集技術主要是MIMO，現有的MIMO天線技術通過在接收端和發射端同時安置多個天線來有效地消除多徑衰落的影響，MIMO信道結構從而充分利用了空域資源，大幅度提高了信道容量。
　　關鍵詞：協作分集；空時協作；編碼協作機制
　　
　　1協作分集技術原理
　　協作分集技術又稱虛擬MIMO技術，其基本原理是：多用戶環境中的單天線用戶在傳輸自己的信息時，也能傳送所接收和檢測到的臨近用戶（即伙伴）的信息。其實質就是希望利用合作伙伴的天線與自身天線構成多發射天線，從而產生一個虛擬MIMO系統，以獲得分集增益。
　　1.1協作分集步驟
　　協作分集的過程主要分為兩個步驟：
　　（1）源節點以廣播方式發送信號，目的節點和中繼節點接收信號，中繼節點對接收到的信號進行處理。
　　（2）中繼節點將處理后的信號發送給目的節點，此時源節點也可以向目的節點發送重復的或者新的消息，最后目的節點按照某種規則合并兩步接收到的信號。
　　1.2協作分集信號合并模型
　　假設系統中每個源節點只有一個合作伙伴，它們兩個相互協作與目的節點進行通信。每個源節點除了獨立發送自己的信息給目的節點外，還將轉發從其合作伙伴接收到的信息給目的節點。這就相當于從一個源節點發送的信號經歷了兩條獨立衰落的路徑分別到達目的節點，從而可以得到分集增益。
　　每個源節點都接收到其合作伙伴發送的、包含衰落和噪聲的信號，然后將這個信號和自己要發送的信號組合在一起發送到目的節點，表示為：
　　（1）
　　（2）
　　（3）
　　式中：下標0、l、2分別代表目的節點、源節點1和源節點2；（t）（i=0，l，2）表示接收端在一個符號周期內收到的信號；（t）（i=l，2）表示兩個源節點發送的信息；（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，是零均值的復高斯隨機變量，其包絡服從瑞利分布，它在一個符號周期內保持不變，并且=。
　　通過式（1）～（3）可以看出，在這里事實上已經認為每個源節點不會接收到自己發送的信號，目的節點收到的信號是這兩個源節點發送信號的疊加。
　　2協作中繼協議
　　按中繼實現方式，協作通信系統中主要有三種協作方式，即放大前傳、檢測轉發、編碼協作。在這三種方式中尤以編碼協作方式的性能最優。
　　首先，放大轉發機制，或稱放大前傳，在該機制中，每個用戶接收它伙伴發送過來的帶有噪聲的信號，接著對該信號進行放大，然后將放大的帶有噪聲信號的重新發送。基站將對用戶和其伙伴傳送來的數據進行合并判決。
　　接著，有人提出了檢測轉發機制，在該方法中用戶首先嘗試檢測出用戶伙伴的數據比特，然后將檢測出的比特重新發送。
　　以上提出的兩種機制雖然能獲得一定的分集增益，但它們有一些局限性。第一，兩種機制都包括一定形式的重發，所以并非對帶寬最好利用。第二，檢測轉發機制可能會轉發對其伙伴錯誤估計的信息。錯誤的傳播會降低性能，特別是當用戶間的信道較差時。第三，這兩種機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，提出了一種新的機制——編碼協作機制。
　　3編碼協作
　　3.1編碼協作的基本思想
　　編碼協作的基本思想：首先把移動終端要發送的信息比特轉化成符號塊進行編碼，然后加上CRC（循環冗余校驗）碼。在協作通信時將要發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，是校驗碼。需要兩個時隙來分別發送和兩部分信息，發送這些信息的時隙稱為幀。
　　第一幀中，每個移動終端發送各自碼字的第一段，即信息，同時每個移動終端都試圖解碼對方的這部分信息。如正確解碼，就在第二幀中發送其協作伙伴碼字的第二段即信息。如譯碼不正確就發送自己的第二段信息，這樣每個移動終端在兩個發射時隙總是傳送N=+的信息塊。
　　3.2編碼協作的各種情況分析
　　在第二幀中，各個用戶是相互獨立的，他們不知道自己在第一幀的信息是否已經被正確譯碼，因此，第一幀的譯碼情況具有四種情況，如圖1所示。
　　
　　圖1普通編碼協作的實現過程
　　情況a，在第一幀的兩用戶都成功地檢測到對方的數據，并成功譯碼，所以在第二幀中他們都傳輸伙伴的的信息，可以達到完全增益。
　　情況b，用戶2成功譯碼用戶1的數據信息，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的數據，而用戶2未能成功譯碼用戶1的數據，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，當信道不完全對稱時，必然會有一個用戶的碼字的第二部分不會在第二幀進行傳輸，因此系統的性能將大大受到影響。因此技術人員又提出了一種新的協作方案，空時協作方法。
　　3.3空時協作方法
　　空時協作信號處理技術與原先的編碼協作機制不同的是：用戶在第二幀中同時傳輸自己和伙伴的比特信息。用戶在快衰落環境也可以取得比較好的性能，因此空時協作信號處理技術也是一個很好的研究方向。
　　空時協作編碼方法是：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。在快衰落環境下，一個用戶的上行信道在第一幀和第二幀傳輸中是獨立的，因此，在第二幀中使用伙伴的信道不會得到任何增益。在空時協作中，由于每個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。更進一步說，用戶傳輸它自己和伙伴的信息，在用戶間信道質量不好的情況下也可以獲得較好的增益。如果一個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。
　　空時協作編碼在第二幀的傳輸中也有四種情況，如圖2所示。
　　
　　圖2空時編碼協作的實現過程
　　情況a，兩個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，從而導致全分集的發生。在這種情況下，同一個信道，兩個不同天線上可能傳輸相同的數據，這就為空時碼的采用提供了條件，即用戶可以在第二幀采用空時編碼發射數據來獲得分集。
　　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的位置調換而已。
　　情況d，兩個用戶都不能成功譯碼其伙伴的信息，系統就退化為非協作的情況。
　　4下一步研究方向
　　協作分集是一種全新的空間分集技術，它可以解決難以在移動終端安裝多根天線的問題，推進了MIMO技術的實用化。目前國內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，而且這種技術可用于無線自組織網、無線局域網及無線傳感器網等多種場合，今后還有可能將這些網絡結合起來，形成一種全新的智能網絡，引起移動通信領域的重大變革。協作通信是當今研究最為熱門的話題之一，發展至今，雖然取得了不少的成果，但還有許多問題有待進一步的研究和解決。
　　（1）協作伙伴如何分配和管理。協作通信中一個重要的問題是怎樣確定與哪些用戶進行協作，多長時間對合作的用戶進行重新分配。該問題的難點是在不增加額外系統資源的前提下，保證所有用戶的公平性。
　　（2）協作系統中的路由如何選擇。移動臺怎樣去選擇協作伙伴，每個移動臺協作伙伴的個數如何確定。既然是移動終端，當它們的相對位置改變時又如何選擇新的協作伙伴，根據怎樣的路由協議去選擇。
　　（3）協作傳輸如何進行功率控制。現在的研究都是認為各個移動終端有著相等的發射功率，但是可以使移動終端根據上行信道或者協作伙伴的信道狀態自適應地調整發送功率，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據信息的保密性，在協作通信系統中，用戶的數據在傳輸之前必須進行加密，使移動臺可以檢測到同伴的數據，而無法理解同伴傳輸的信息，這也會增加系統的復雜度。