📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 7周 🕸 無基地台通訊：Ad-Hoc、V2X 與 NTN 自組網
68／150單元： 協作通訊 🤝 裝置當彼此轉發器（Cooperative Communication）
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🎯 單元導讀
在沒有基地台、或基地台無法涵蓋的環境中（災害、偏鄉、VANET、高地、海上、太空），
裝置之間不能只自己傳、自己收。
要讓訊號能活下去、走更遠、穿過遮蔽物，
所有節點必須像「隊友」一樣合作。
這就是：
⭐ Cooperative Communication（協作通訊）
你的手機，是別人訊號的中繼站；
別人的裝置，也是你的放大器。
協作通訊是 Ad-Hoc、MANET、NTN、VANET 的靈魂技術，
也是 6G 提到「分散式網路」、「端點即基地台」最重要的底層概念。
在這個單元你會學到：
• 協作通訊如何讓訊號變強
• 為什麼「轉發器不是基地台」卻能做到分集增益
• Amplify vs Decode 的差異
• 為什麼 VANET/NTN 一定要用協作通訊
• 如何用 AI 選出最佳轉發者（relay selection）
一句話：
⭐ 6G 不是基地台做全部，而是「裝置自己組成基地台」。
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🧠 一、什麼是協作通訊？一句話
協作通訊 =
⭐ UE 幫 UE 傳資料
（一台手機幫另一台手機轉發）
示意圖：
Source → Relay → Destination
(手機A) (手機B) (手機C)
Relay（轉發者）完全不需要基站指揮，只靠本地資訊即可。
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🧩 二、協作通訊的兩大模式：AF vs DF
① AF：Amplify-and-Forward（放大後轉發）
Relay 不理解訊號，只是把收到的通通放大丟給下一個。
優點：
✔ 快
✔ 設計簡單
✔ 延遲極低（VANET、NTN愛用）
缺點:
✘ 噪聲也一起放大
✘ Tail latency 容易被影響
公式：
yᴿ = h₁x + n₁
yᴰ = h₂·β·yᴿ + n₂
→ 噪聲一起被 β 放大
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② DF：Decode-and-Forward（解碼後重傳）
Relay：
• 解調
• 解碼
• 重建訊號
• 再傳送
優點：
✔ 噪聲不會被放大
✔ 效果較好
缺點：
✘ 延遲較高
✘ 需要更多處理能量
✘ 不適合快變通道（如高速 VANET）
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⭐ 比較表
🔹 AF（Amplify-and-Forward，放大轉發）
• 優點
o 機制簡單，實作容易
o 處理流程少，延遲低
• 缺點
o 連同雜訊一起放大
o SNR 低時效能明顯惡化
• 適用情境
o NTN（非地面網路）
o VANET（車聯網）
o 高速 D2D 通訊
• 工程直覺
-「來什麼就放什麼，求快不求乾淨」
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🔹 DF（Decode-and-Forward，解碼轉發）
• 優點
o 可先解碼再重編碼，有效去除雜訊
o 整體通訊效能較佳
• 缺點
o 解碼與重編碼流程複雜
o 延遲較高、節點負擔重
• 適用情境
o 靜態 MANET
o 固定式 Sensor Network
• 工程直覺
-「先看懂再幫你傳，慢一點但品質好」
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📶 三、協作通訊的最大力量：分集增益（Diversity Gain）
協作通訊能帶來一個基地台很難做到的效果：
⭐ 你會獲得「多條路徑」
→ 訊號變得更穩
→ 深衰落機率下降
→ BER 明顯下降
無線通訊中最怕 fade：
• 車速快
• 遮蔽物
• 多路徑毀滅性干擾
Relay 會補上一條新的路徑：
直接路徑：A → C
協作路徑：A → B → C
兩條路徑同時存在 → 多樣性（diversity）
這就是協作通訊能「硬撐住」連線品質的原因。
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🚗 四、VANET 為什麼一定要協作通訊？
車子移動太快，不可能一直依賴「單跳（single-hop）」傳輸：
原因：
✔ 車距變化快
✔ 通道 h(t) 跳動
✔ 直射路徑常被貨車/巴士遮住
✔ 車速快 → 時間太短無法快速 reroute
解法：
⭐ 用鄰近車作中繼
Ex：A 車 → B 車 → C 車
這樣：
• 連線變穩
• 車速越快效果越明顯
• 安全訊息（beacon）成功率變高
V2V safety message（緊急煞車、車道偏移）都靠協作通訊提高可靠率。
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🛰 五、NTN（星鏈）與協作通訊
衛星之間也可以互相轉發訊號（Inter-satellite link）。
優點：
⭐ 可降低傳回地面站的次數
⭐ 降低延遲
⭐ 增加可見度
⭐ 解決「遮蔽」與「地面 gateway 太少」問題
LEO 互相 relay 的架構，就是協作通訊的「太空版」。
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🤖 六、AI × Cooperative Relay：如何選最佳中繼？
Relay selection 是協作通訊中最困難的部分。
要決定：
• 哪台裝置做 AF？
• 哪台做 DF？
• 哪台最節能？
• 哪台最不容易影響別人？
• 哪台最接近目標節點？
AI 能直接看：
• channel state（CSI）
• mobility
• interference
• energy level
• link prediction
並輸出：
⭐ “Best Relay Candidate”
這已經是 6G RAN intelligent control（RIC）主要研究項目。
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🔍 七、協作通訊可能遇到的問題
要理解協作通訊強，但也有弱點：
① 延遲變化不可預期（DF）
解碼時間變長 → jitter 增加
② 功率消耗大（DF）
Relay 要處理別人的封包 → 電池更耗
③ 安全性風險
惡意 relay 可以：
• 攔截
• 修改
• 丟棄
• 偽造
需要搭配：
• end-to-end encryption
• trust-based relay selection
④ 隱藏節點/暴露節點更嚴重
因 relay 路徑更多 → MAC 更複雜
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🛠 八、模擬題
1️⃣ 專業題：AF 比 DF 更適合 VANET 的原因？
📦 答案：因為 VANET 通道變動快，需要低延遲；AF 不需解碼因此速度較快。
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2️⃣ 應用題：協作通訊能提升什麼效能？
A. 頻寬
B. 分集增益 ✔
C. 基地台數量
D. UE 電量
📦 正解：B
協作通訊透過多節點轉發形成空間分集，降低衰落影響，從而提升系統的分集增益（Diversity Gain）。
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3️⃣ 情境題：衛星 A 因地面遮蔽無法直達地面站，轉由衛星 B 中繼，這屬於什麼？
📦 答案：這屬於協作通訊中的「中繼傳輸（Relay Communication／Inter-Satellite Relay）」，透過衛星 B 轉發來繞過遮蔽、維持鏈路可達性。
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⭐ 九、小結：協作通訊讓裝置變成彼此的基地台
✔ 裝置幫裝置中繼訊號
✔ AF/DF 兩大類型
✔ 可以提供分集增益
✔ VANET、MANET、NTN 都必備
✔ 6G 越分散，協作通訊越重要
✔ AI 能選最佳 relay，提升可靠度與節能
一句話：
⭐ 協作通訊是自組網時代的「團隊戰」，沒有協作，連線就活不下去。
