第四章 合作式通訊
4.2 合作式通訊在IEEE 802.16j下
通常在 2-hop SISO 的情況下，單一個時間-頻率的資源只能給予一個中繼站 傳遞資料給使用者如圖4.1
然而在合作式通訊允許基地台和中繼站使用同個時間-頻率的資源傳遞相關的 資料給使用者，可以獲得diversity gain 來改善使用者端的錯誤率，在 IEEE 802.16j 下有規定3 種的方式來獲得 diversity gain。
1. cooperative source diversity 2. cooperative transmitted diversity 3. cooperative hybrid diversity
cooperative source diversity 是從不一樣的發送端(基地台和中繼站)傳送相同的 訊號，cooperative transmitted diversity 是將訊號經過 STC(space time coding) 編碼 後從不一樣的發送端(基地台和中繼站)送出，而 cooperative hybrid diversity 則是 結合了source diversity 和 transmitted diversity。
STC(space-time coding)是由 Alamouti[12]所提出來的，在[12]中提出用在 MIMO 系統中的 STC 設計方法，而首先在合作式通訊模式下也應用了 STC 的概 念是Leaneman[11]，其稱為分散式 STC。
4.2.1 Cooperative source diversity
Cooperative source diversity 是所有的傳送端(基地台和中繼站)都傳送相同的 符號，接下來用3 個例子來解釋 cooperative source diversity。
圖4.2.是由基地台和 1 個中繼站在傳送相同的資料，在 frame i 時，基地台先 送出S(t)給中繼站，而中繼站和基地台在 frame i+1 時，同時使用同一時間-頻率 資源傳給使用者，所以使用者端可以從基地台和中繼站傳送相同的資料而獲得 diversity gain。
圖4.2 基地台和中繼站傳送[13]
圖4.3 是基地台在 frame i 時先送 S(t)給兩個中繼站(RS0、RS1)，然而中繼站 (RS0、RS1)在 frame i+1 時同時使用同一時間-頻率資源傳送 frame i 所接收到的 資料 S(t)給使用者端，然而基地台不能使用同一時間-頻率傳送資料給別的接收 端，而此時使用者端的diversity gain 獲得是從 2 個中繼站傳送相同的資料而來。
圖4.3 2 個以上中繼站傳送[13]
圖4.4 是基地台在 frame i 時先送 S(t)給兩個中繼站(RS0、RS1)，然而在 frame i+1 時基地台和中繼站(RS0,RS1)使用同一時間-頻率並傳送一樣的資料 S(t)給使用 者端，所以使用者端可以從所有的發射端獲得diversity gain。
圖4.4 基地台和 2 個以上中繼站傳送[13]
4.2.2 Cooperative transmit diversity
cooperative transmit diversity 就是基地台和中繼站使用分散式 STC，目的在於 希望獲得diversity gain，而網路架構跟 cooperative source diversity 一樣，不一樣 的地方是從不同的發射端接收到的訊號並不一樣，而每個發射端扮演的腳色就是 傳統MIMO 中基地台的天線一樣，如果 STC 編碼是在基地台端執行的話，中繼 站的功能就只需簡單的傳遞接收到的資料，然而 STC 編碼是在中繼站端執行的 話，會有較高的頻寬使用率，因為基地台只需要傳遞訊號1 次即可，接下來會有 4 個例子來說明 cooperative transmit diversity。
圖4.5 是由基地台執行 STC 編碼，而中繼站只需要傳遞收到的訊號到使用者 端，在frame i 時，基地台先傳送si ,−si*+1給中繼站，而在frame i+1 中繼站把剛剛 接收到的訊號si ,−si*+1傳給使用者端，此時基地台也使用跟中繼站同一時間-頻率 的資源傳遞si+1,si*給使用者，此時對於使用者則接收到STC 編碼過後的訊號，所 以使用者端只要在執行MRC 則可以獲得 diversity gain。
圖4.5 基地台執行 STC 編碼[13]
圖4.6 是由基地台和中繼站分別執行 STC 編碼的動作，所以在 frame i 時，基 地台傳送s si, i+1給中繼站，然而中繼站再把接收到的訊號給編碼成si ,−si*+1再傳送 到使用者端，而此時基地台再使用跟中繼站同一時間-頻率資源傳遞si+1,si*給使用 者端，所以對於使用者一樣也接收到STC 編碼過後的訊號，則可以獲得 diversity gain。
圖4.6 基地台和中繼站執行 STC 編碼[13]
圖4.7 是由基地台執行 STC 編碼，並且採取 2 個中繼站來做合作式通訊，所 以在frame i 時基地台把編碼好的訊號si ,− 、si*+1 si+1,si*分別傳送給RS0 和 RS1，由 於是送到 2 個不一樣的中繼站，所以必需要使用到 2 塊時間-頻率的資源，而在 frame i+1 時，RS0 和 RS1 分別再把接收到的訊號si ,− 、si*+1 si+1,si*傳送到使用者端，
一樣的對於使用者也接收到經過 STC 編碼過後的訊號，所以也可獲得 diversity gain。
圖4.7 基地台執行 STC 編碼且 2 個中繼站傳送訊號[13]
i 時，基地台只需要用到 1 塊的時間-頻率資源來傳遞相同的訊號s si, i+1給 RS0 和 RS1，而 RS0 和 RS1 接收到後在分別執行 STC 編碼傳送si ,− 、si*+1 si+1,si*給使用者，
所以對於使用者一樣的也接收到 STC 編碼過後的訊號，則可以獲得 diversity gain，從圖 4.7 和 4.8 中看的出來，如果 STC 編碼是在中繼站執行時，會有較高 的頻寬效率。
圖4.8 基地台和中繼站執行 STC 編碼且 2 個中繼站傳送訊號[13]
4.2.3 Cooperative hybrid diversity
Cooperative hybrid diversity 是結合 cooperative transmit diversity 和 cooperative source diversity，如果傳送端的數量超過了 STC 編碼的維度，則可以使用 cooperative hybrid diversity，4.2.2 節中的例子 STC 編碼的維度為 2，所以當基地 台和2 個中繼站要做合作式通訊時，則需要使用 cooperative hybrid diversity，如 圖4.9，在 frame i 時，基地台傳送si,−si*+1給RS0 和 RS1，然後 RS0 和 RS1 在 frame i+1 分別作 STC 編碼傳送si ,−si*+1、si+1,si*，此為cooperative transmit diversity，不 過此時基地台也同時傳送si+1,si*，所以對於BS-RS1-MS 和 BS-MS 則是 cooperative source diversity，整體系統看起來則是 cooperative source diversity 和 cooperative transmit diversity 結合。
圖4.9 cooperative hybrid diversity[13]