通信与网络中的MIMO协作分集的提出与原理
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2020-11-14
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通信与网络中的通信与网络中的MIMO协作分集的提出与原理协作分集的提出与原理
尽管MIMO多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，但仍然存在问题。
具体的讲，现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因。 ①移
动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多。 ②理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的间距
要远大于电波波长，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的（或至少是不相关的），而移动终端由于体积
限制，根本无法做到这一点。为此，研究者一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的概念，另一方面则致力于
研究相关信道下的信号设计。然而，这些解决办法收效甚微，实际可获得的信道容量比理想值大打折扣，理想
的MIM
尽管MIMO多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，但仍然存在问题。具体的
讲，现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因。
①移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多。
②理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的（或
至少是不相关的），而移动终端由于体积限制，根本无法做到这一点。为此，研究者一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的
概念，另一方面则致力于研究相关信道下的信号设计。然而，这些解决办法收效甚微，实际可获得的信道容量比理想值大打折
扣，理想的MIMO多天线技术在实践中步履维艰。
协作分集的思想可以追溯到Cover和Gamel研究的中继信道。在中继信道中，有三个节点：发射节点、中继节点和接收节
点。发射节点发送信号；中继节点接收发射节点发送的信号，对接收到信号进行某种处理后发送出去；接收节点既接收发射节
点发送的信号，也接收中继节点发送的信号，因而接收节点能接收到发射节点所发送信号的多个副本，这样就实现了发送分
集。中继信道中，中继节点只转发发送节点的信号，自己不发送信号。目前研究的协作分集中的一类与中继信道类似，主要用
于改善无线通信系统的覆盖能力。在另一类协作分集方式中，中继节点既要转发发送节点的信号，也要发送自己的信号，即发
射节点也是中继节点，中继节点也是发射节点。这种分集方式是目前协作分集的主要研究方向。
Sendonaris等提出了一种新的空域分集技术一协作分集，使单天线的移动终端也可以实现空域分集。它的基本思路是系
统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴（partner），合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信
息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。现有
的研究结果表明：在平衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。由于协作分集中的合作
伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MIMO多天线系统，从这个意义上讲，协作分集为MIMO多天线技术走向实用提供了
一条新的途径。协作分集是一个崭新的研究领域，在国外刚刚起步，在国内已经引起人们的关注。协作分集的思想具有非常广
阔的应用前景，可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合。本文是对协作
分集技术的综述，旨在介绍协作分集的概念和研究进展，提出一些新的研究方向。
下面以蜂窝系统环境下两用户之间的协作为例，介绍一下协作分集原理。小区中的每个用户都有一个合作伙伴，互为伙伴
的两个用户除了要传输自己的信息之外，还要负责传输其合作伙伴的信息。如图1所示，两个用户M1和M2互为合作伙伴，M1
除了要向基站（BS）传送自己的信息外，还要把从M2接收到的信息发送给基站。同时，M1的一部分信息也由M2接收，并转
发给基站。这样，用户M1与基站间就产生两条独立衰落路径：一条是M1与BS之间的直接传输路径；另一条是M1、M2与BS
间的间接传输路径。从本质上说，协作分集就是希望借助于合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天线，并通过模仿
传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协作时其资源只能闲置，而协
作分集则可以实现用户资源的充分利用。另外，在用户资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息，又要传送其合作伙伴的信
息，会牺牲一部分自己的资源，但另一方面，用户也通过协作分集利用了其合作伙伴的空域资源。只要合理地设计协作方案，
完全可以做到协作分集带来的增益大于其所付出的代价。综合来讲，协作分集可以更有效地利用整个网络的资源，使网络性能
更稳定。
图1 两用户协作原理图
协作分集的过程可以分为两步：第一步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号，中继节点对
接收到的信号进行处理，为第二步做准各；第二步，中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点
发送重复的信息或者新的信息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。上述过程可以描述如图2所示。其中，三
角形表示源节点，五角星表示目的节点，灰色圆圈表示参与中继的节点，白色圆圈表示其他节点。
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