ETH RACooN硬件演示平台优化

随着创新成果的不断出现^[552-556]，2004年苏黎世联邦理工学院成功搭建了使用协同节点的无线接入（RACooN）试验台^[551]。截至2009年，试验台已经包含了10个能够在半双工方式下进行中继的单天线节点。每个节点都安装在一辆车上，以便可以自由移动。如图5.14所示，系统配置了两个源节点、两个目的节点和三个中继节点。加载相关算法后，能够实现在多用户环境中相干和非相干中继转发功能。搭建此演示平台的具有如下三个意义：

●实施的可行性。该演示平台的搭建证明了Wittneben^[554]开发的算法能成功地在硬件中实现，并能获得不同的性能提升。

图5.14 拓扑结构：两个置于房间两端的源节点，两个目的节点和三个中继节点

●提升功率增益。派生算法能够最小化其他用户和中继节点产生的干扰。这项理论已被证实可以提高有效信号干扰比（SIR），从而获得较明显的功率增益。第二个目的是可以在实际系统中测量出可获得的增益。

●无需同一相位参考源。该演示平台的搭建证明了在没有同一相位参考源的情况下，可以在一个分布式协同中继系统上实现相干传送协议。中继节点可以将本地振荡器同步到同一相位参考源上。与MIT装置类似，这个硬件平台也是由多个处理单元组合构成的。它可分为以下几个模块：

●基带模块。基带模块中不包含数字处理单元，但能对数据进行采样、存储，并通过以太网将数据发送给处理单元，然后在这个处理单元中对数据进行实际处理。基带使用的时钟频率是80MHz，符号的长度为12.5ns。与之前所述的MIT硬件装置相比，此模块的ADC/DAC所使用的16位分辨率足以能应对无线信道较大动态变化范围。USB电缆连接使得在数据通信前的时隙同步实现更为方便。模块使用直流或交流电源来供电。

●射频模块。模块工作在5.1～5.9GHz的载波频率上，可调步进为1MHz。最大发射功率为25dBm，但发射功率可以进行控制。模块使用一个较灵敏的低噪声放大器。模块的时钟是由一个稳定的铷时钟来提供的，这种时钟由于老化的原因每个月都有0.0005Hz的漂移，每10年约有0.01Hz的漂移。当进行发送/接收转换时，这种半双工的运行方式需要约5～10个时钟周期或是62～125ns的强制空闲时间。射频模块所使用的偶极子天线要安装在1.5m高的地方。RACooN演示平台如图5.15所示，这是一个高度灵活的平台，它支持灵活的软件设置和许多参数的动态配置，如传送的数据、低噪声放大器增益、本振频率、发送功率等级、相移和前导的选择等参数。每个节点都有一个高达512条的指令集，每个时隙执行一条指令，并且节点间的所有时隙都是同步的。每条指令包含三种可能的命令：发送（测试信号或存储数据的发送）、接收（功率测量值，测试信号的相位或所存储的复杂的基带数据）和闲置（配置时暂停，在这个时间内可以进行数据的存储和加载）。

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图5.15 ETH RACooN试验台，由10个节点构成

这个平台可以实现较复杂的中继协议。例如，一个包含训练和仿真两个阶段的过程如下所述：

●训练阶段。训练阶段的目的是为了估测所有无线衰落信道的复增益。在初始化时，所有的源节点和所有的中继节点先后发送相互正交的序列，序列是样值长度为511的循环移位的m序列。这可以使得所有中继节点和目的节点在80 MHz的带宽上对每个子带（80 MHz/511=0.16 MHz）对进行信道估计。此算法是假设在一个频率平坦信道下开发的，因此单个信道只占用一个子带。假定相干带宽约为1.6 MHz，那么在0.16MHz内的信道可认为是平坦的。需要注意的是，将算法扩展到频率选择性信道上是可行的，文献[556]就给出了使用FIR滤波器的扩展方法。中央处理单元按照文献[554]的方法计算出最优线性过程（LP）中继增益矩阵/函数，由此来抑制用户间的干扰。最后，这些复杂的系数会分发到每个中继节点。

●仿真阶段。在这个阶段，源节点传送数据，中继进行接收。中继把接收到的基带复数据和之前获得的复增益系数相乘。由于硬件平台在收发之间存在一定的转换时间，采用先前计算的增益矩阵实际上已经并不准确，并且相位噪声的存在导致了残留干扰的存在。最后，目的节点计算各个频率子带上的信号干扰比，以便于量化性能增益。

可以看出，两个阶段都使用了再生中继方式，都会受到算法本身和半双工方式的影响。需要注意的是，该中继不能对数据解码，并且因为采用的是单天线，所以不能在空间域上对源节点进行分离。中继只能使用快速傅里叶变换把它接收到的时域信号转换到频域，之后再把它们获得的增益因子应用到指定的子信道中去，最后再把信号变换到时域进行重发。目前为止，通过这个硬件演示平台上可以了解到以下内容：

●更新速率：与MIT硬件平台相似，信道增益矩阵是在训练阶段计算的，所以这个阶段对分布式中继协议的性能有很大的影响。较大的更新间隔会产生较大的相位漂移，并且使得增益矩阵失效，从而导致协议性能的降低。另一方面，较小的更新间隔使得系统有效性降低，因为在训练阶段并没有有效的数据传输。需要注意的是，不同的中继阶段并不需要对增益矩阵进行更新，只有在传播环境改变时，才需要对增益因子进行更新。按照Berger和Wittneben^[555]的评论3和公式（11）^[556]所说，只要中继的各个阶段保持信号发送周期不变，就不会对目的节点的接收信号产生影响。因此，在多个传送周期中，相位漂移不会影响到系统的性能。

●窄带结构。为了获得多用户中继结构提供的所有增益，该方法需要从窄带向宽带算法扩展。正如在前面所提到的，除去由宽带信道提供的增益之外，由多个中继提供的分集增益很小。但是，中继群可能通过有效运用分布式宽带波束赋型，来减小用户间干扰的产生，也实现了分布式空间复用增益。

概括来说，ETH硬件演示平台第一次对多用户中继算法进行了验证，它成功地展示了使用中继进行性能提升的可行性，同时也引起了实际网络运营商对它的关注。