相比于 SISO 系统， MIMO 系统在收发端分别设置多天线阵列，在无须占用系统额外带宽的前提下，能有效提高系统的可靠性和信息的传输速率。但随着研究的深入，研究者们发现传统的 MIMO 技术在某些应用场合受到一定限制：系统性能的提升是以增加收发端之间相互独立的射频链换取的；小型移动终端设备受功耗、硬件复杂度和体积等物理条件的制约，不适合配置多根符合条件的收发天线。

为了解决MIMO的这些实用性问题，研究者们提出了协作通信（ cooperative communication ， CC ）技术。协作通信技术在多用户环境中，使单天线移动终端通过共享其他移动终端的天线，获得多条独立传输路径和多天线分集增益，从而改善通信系统的性能。这种协作通信网络通过网络中多个用户共享彼此的天线来组成分布式系统的方式，构成一个虚拟的 MIMO 网络，实现单天线移动终端的空间分集，使 MIMO 技术能够广泛地应用于小型受限的移动终端设备，更加实用。近年来，协作通信技术在蜂窝网络、传感器网络、无线局域网和 Ad-hoc 网络等领域中的应用研究越来越受到研究者们的关注，已成为研究热点 ^[28-34] 。

协作通信技术的创新点是网络中部分节点（或移动客户端等）被当作中继节点有效地转发源节点信息。这种中继通信技术 ^[35] 可以追溯到 20 世纪 70 年代。 1979 年， Cover ^[36] 等突破性地分析了中继信道的信息理论特性，即在高斯信道条件下，分析了源－中继－目的三节点网络中，当所有节点工作在相同频段时的系统容量。由于中继概念的提出，可以将中继信道分为两类：源－中继节点间的广播信道和中继－目的节点间的多址接入信道。在传统的中继系统中，中继节点只进行简单的信息转发，而在协作通信系统中，所有的节点不仅可以作为源节点，也可以作为其他节点的中继节点，这种协作分集的思想是在衰落信道环境下分集概念的基础上发展而成的。这种协作通信的思想也激发了后续协作通信领域的许多创新。

到 1998 年， Sendonaris ^[37] 等首次提出了多用户协作分集的概念，成为协作通信领域的一个里程碑。基本思想是：移动终端用户通过一个或多个合作伙伴构成虚拟的 MIMO 系统转发信号副本，这种互助的关系可以协助彼此完成到基站的信息传输，实现空间分集增益。这一思想很快被应用到 CDMA 蜂窝网络模型 ^[38-39] 中，并给出了性能分析和具体的实现过程。 2003 年后， Laneman ^[40-41] 等给出了多种无线网络中协作通信的传输协议，引发了协作通信的研究热潮。

20 世纪以来，以 IEEE 802.16e 技术标准为基础的 WiMAX 系统受到广泛关注。但其基站覆盖范围小，基站覆盖边缘信号较差，受成本和系统性能的影响，改进设施效果也不理想，从而限制了其进一步的普及应用。为将中继技术有效地应用于 802.16 系统中， 2006 年， IEEE 802.16 标准组织成立了移动多跳中继技术小组 ^[42] ，制定了以 802.16e 为基础架构、以中继技术为核心的无线城域网 802.16j 标准，之后逐渐发展为现在的 802.16m 标准。在我国，关于中继方面的基础性研究也已经由国家重点基础研究发展计划开启 ^[43-44] 。

近十年来， IEEE 802.16 标准组织不断努力，研究制定了一系列标准，大大推动了宽带无线接入技术在全球的发展，国际大公司对该技术进行大规模研发，国内产业界对 IEEE 802.16 系列标准相关技术开发已经给予高度重视，标准规范的中继技术涉及物理层和媒体接入控制层较多，数据链路层尚有待进一步研究，我国如果尽早融入该进程，也将在巨大的市场中占有一席之地。

1.3.1 协作分集

在蜂窝通信网络中，基站的覆盖范围通常在 2～5km。如果基站和用户之间仅仅依赖视距路径传输，信号传输质量和速率会因为气象、地形等因素引起的信道阴影衰落而降低，严重时甚至会导致通信中断。若能在基站和用户之间建立衰落小、速率高的信息通道，会在很大程度上改善通信质量。图 1.1 给出了蜂窝系统环境下两协作用户的通信模型。在传统通信系统中，移动通信用户 1 和移动通信用户 2 仅通过单独的频段和时段与基站进行信息交换。用户与基站的通信链路一旦发生严重的衰落或者中间出现障碍物，将导致通信质量严重下降。而协作通信技术可以很好地解决这一问题。

如图 1.1 所示，协作传输原理如下：用户 1 与用户 2 互为合作伙伴关系，各自传输自己的信息的同时，还要作为中继节点传输合作伙伴的信息。具体传输过程为：阶段 1，用户 1 广播信息给基站和用户 2，用户 2 和基站接收用户 1 的信息；阶段 2，用户 2 对接收到的信息进行处理，同时作为中继节点再将处理后的信号转发给基站。这样基站可利用两个独立的传输链路获得两个独立的信息样本，相当于在用户 1 的设备上设置了两个实体天线，通过这种和其他用户构建的虚拟多天线网络 ^[45] ，获得了空间分集效果，从而提高了信息传输的可靠性。同样，用户 2 若与基站进行通信，用户 1 也可通过上述方式辅助完成信息传输。在这种协作传输模式下，用户本身会牺牲一部分资源帮助其他用户传输信息，但实现了整体传输速率的提高、传输可靠性的增强、传输距离和覆盖范围的增加，如果能合理运用整个网络资源，通信质量将大幅提高 ^[38,46-47] 。

图 1.2 给出了多用户协作通信原理图。该模型下，每个源节点拥有多个合作伙伴（或中继节点），具体实现过程为：阶段 1，源节点以广播的形式发送信息，所有中继节点和目的节点同时接收信息；阶段 2，所有中继节点对接收信号分别进行处理，之后转发给目的节点；阶段 3，目的节点合并处理两个阶段的接收信息。

1.3.2 协作通信中继传输模式

在协作通信系统中，中继节点的设计对传输质量和系统性能影响很大。根据中继节点对接收信号处理方式的不同，将中继传输模式 ^[41] 大致分为：前向放大（ amplify-and-forward ， AF ）转发方式、前向译码（ decode-and-forward ， DF ）转发方式和编码协作方式。

（1） AF 转发方式：中继节点对接收到的信息进行简单缩放调整后直接转发给下级节点。在此过程中，由于噪声作为接收信号的一部分也参与放大转发，因此，系统不仅需要进行信道估计和信息的交换，还要进行信号的抽样、放大和重传，以实现最佳译码，提高目的节点接收信息的准确率。

（2） DF 转发方式：中继节点对接收到的信息首先进行解调、译码处理，然后通过编码和调制重新构造发射信号，转发给目的节点。 DF 转发方式避免了 AF 转发方式中中继对前一跳链路噪声的放大，但也有如下问题 ^[48-49] ：中继译码结果受传输链路状态等因素的影响，可能出现错误判断结果，要避免此类错误前传，可以采用基于循环冗余校验的 DF 协同模式，这会造成一定的频谱效率损失；若前一跳信道链路条件较差，目的节点需要进行复杂的接收译码处理。

（3）编码协作方式：编码协作方式是一种将 DF 转发方式和信道编码结合的转发方式 ^[50] 。中继节点对正确解出的接收信息进行重新编码，并传送不同的冗余信息，有效地将空间分集与编码分集结合，从而提高了目的节点的解码能力。该转发方式目的节点不需要知道用户 CSI ，同时可以有效地利用信道编码，受到研究者的广泛关注。

1.3.3 协作通信网络结构

多节点协作网络中，每个节点通常分配一个固定时隙进行传输。针对不同的网络拓扑结构，可将双跳协作中继网络传输模型分为：单中继双跳中继模式、单中继双跳协作模式和多中继并行协作模式。

（1）单中继双跳中继模式 ^[51] ：如图 1.3 所示，系统模型较为简单。当源节点与目的节点没有直接的通信链路时，通常通过增加中继节点来完成传输。系统模型无法实现分集效果，但其模型较为基础，对后续协作模型的搭建起到一定引领作用。不难得出，此通信模型在 Rayleigh 衰落信道环境下，分集增益为“1”。

（2）单中继双跳协作模式 ^[41] ：如图 1.4 所示，增加了图 1.3 模型中源节点－目的节点之间的直接通信链路。源节点－目的节点之间的源节点－中继节点－目的节点虚拟链路和源节点－目的节点实际链路组成了两条相互独立的通信链路，因此该模型在 Rayleigh 衰落信道环境下，分集增益为“2”。

（3）多中继并行协作模式 ^[40] ：如图 1.5 所示，将图 1.4 中的单中继双跳协作模式推广到多中继环境，就是多中继并行协作模式。源节点－目的节点之间通过 N 个中继节点建立了 N 条相互独立的虚拟通信链路，因此该模型在 Rayleigh 衰落信道环境下，分集增益为“ N +1”。

这种多用户协作通信系统相对于传统MIMO通信系统展现出良好特性，避免了在小型化移动终端设备上设置多根收发天线，使其不再受到物理条件的制约，得以广泛应用。但在一定程度上，中继用户参与转发信息，增加了自身的功率损耗，而对终端用户而言，依然需要考虑信号的同步问题，并进行复杂的信号检测处理，这限制了协作通信技术的进一步应用。下一节将要介绍的空间调制技术可以较好地解决上述问题。 ioau6DtvmQJKu3x5IJl/WrrbydxOy2p33XB2DOBp40RhuRPob+OtIGXI5Jtb+twK