CN101047459A - 用于动态管理xDSL频谱的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种xDSL频谱动态管理方法，包括以下步骤：步骤a，构建数学模型，其中，S_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率，b_k ⁿ表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数，w_n是拉格朗日算子；步骤b，求解使J_k最小的s_k ^N，其中s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；以及步骤c，按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中第N个调制解调器上的传输功率。本发明还提供了一种xDSL频谱动态管理装置。

Description

用于动态管理xDSL频谱的方法及其装置

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体而言，涉及一种动态管理xDSL频谱的方法和装置。

背景技术

数字用户线(Digital Subscriber Line，缩写为DSL)技术是一种通过电话双绞线，即无屏蔽双绞线(Unshielded Twist Pair，缩写为UTP)进行数据传输的高速传输技术，包括非对称数字用户线(Asymmetrical Digital Subscriber Line，缩写为ADSL)，甚高速数字用户线(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line，缩写为VDSL)、基于综合业务数字网(Integrated Services Digital Network，缩写为ISDN)的用户数字线(ISDN Digital Subscriber Line，缩写为IDSL)和单线对高速数字用户线(Single-pair High-bit-rate DigitalSubscriber Line，缩写为SHDSL)等。

在各种数字用户线技术(xDSL)中，除了IDSL和SHDSL等基带传输的DSL外，采用通带传输的DSL利用频分复用技术使得DSL与传统电话业务(Plain Old Telephone Service，缩写为POTS)共存于同一对双绞线上，其中DSL占据高频段，POTS占用4KHz以下基带部分，POTS信号与DSL信号通过分离/整合器(Splitter)进行分离或合并。通带传输的xDSL采用离散多音频调制(DiscreteMulti-TONE Modulation，缩写为DMT)技术进行调制和解调。提供多路DSL接入的系统叫做DSL接入复用器(DSL AccessMultiplexer，缩写为DSLAM)，其系统连接关系示意图如图1所示。

图1示出了相关技术的xDSL系统100的参考模型。

如图1所示。用户端xDSL收发器120(即用户端DSLAM)包括用户端收发单元121和分离/整合器122，在上行方向，用户端收发单元121接收来自计算机110的DSL信号并对所收到的信号进行放大处理，将处理后的DSL信号发送至分离/整合器122；分离/整合器122将来自用户端收发单元121的DSL信号和电话终端130的POTS信号进行整合处理；整合后的信号通过多路的UTP 140传输，由对端的局端xDSL收发器150中的分离/整合器151接收；分离/整合器151将所接收的信号进行分离，将其中的POTS信号发送至公用电话交换网(Public Switched Telephone Network，PSTN)160，将其中的DSL信号发送至局端xDSL收发器150的局端收发单元152，局端收发单元152再将所收到的信号进行放大处理后发送至网络管理系统(Network Management System，NMS)170。在信号的下行方向，信号按照与上述相反的顺序进行传输。

在现有的xDSL标准里，使用BIT表项和GAIN表项来表明每个子载波所能承载的比特数和发射功率。Bit swapping技术主要是通过调整这两个表项来达到目的。

BIT表项(bit table，比特表)如下表1所示：

表1：比特表

TONE1	TONE2	TONE3	TONE4	…	TONENSC-1
						b1	b2	b3	b4	…	bNSC-1

其中，每个比特表项b表示xDSL线路上对应的子频段TONE所能承载的比特数目，标准规定每项不能超过15。该比特数目的大小决定了对应子频段的线路速率，调整比特表项的大小，即可改变该子频段的线路速率。

实际过程中，一个BIT表项确定一个唯一的线路速率，反之线路速率可以通过多个不同的BIT表项获得，其中，就某种前提条件来说，存在唯一一个最优的BIT表项。GAIN表项(gain table，增益表)如下表2所示：

表2：增益表

TONE1	TONE2	TONE3	TONE4	…	TONENSC-1
						g1	g2	g3	g4	…	gNSC-1

其中，每个增益表项g表示xDSL线路上对应的子频段TONE的数据发送功率。该功率的大小决定了对应子频段承载的数据量，调整增益表项的大小，即可改变该子频段的数据发送功率。

随着xDSL技术使用频带的提高，串扰(crosstalk)，尤其是高频段的串扰问题表现得日益突出。

图2示出了相关技术中的串扰示意图；

如图2所示，由于xDSL上下行信道采用频分复用，所以近端串扰(NEXT)对系统的性能不产生太大的危害；但远端串扰(FEXT)会严重影响线路的传输性能。当一捆电缆内有多路用户都要求开通xDSL业务时，会因为远端串扰(FEXT)使得一些线路速率低、性能不稳定、甚至不能开通等，最终导致DSLAM的出线率比较低。

以下来详细分析这种串扰情况。

在一个采用离散多音频调制(DMT)、N个用户、K个TONE的通信模型中，在接收端各个TONE上的信号可独立地表示为：

y_k＝H_kx_k+σ_k                       公式(1)

其中，

H_k：表示第k个TONE上的N*N的传输矩阵；

y_k：表示某用户在第k个TONE上接收到的信号；

x_k：表示某用户在第k个TONE上的发送信号；以及

σ_k：表示某用户在第k个TONE上接收到的噪声信号。

在通常的情况下，每个xDSL调制解调器(modem)的接收端将其它调制解调器对它的干扰作为噪声，则第n个用户第k个TONE上可达到的数据速率可用香农信道容量公式计算：

$b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ 公式(2)

其中，

S_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；

h_k ^n，m：表示在第k个TONE上第m个用户对第n个用户的信道串扰函数；

h_k ^n，n：表示第n个用户在第k个TONE上的传输函数；

σ_k ⁿ：表示第n个用户在第k个TONE上接收到的噪声信号；

b_k ⁿ：表示在第n条用户线上第k个TONE所能承载的比特数；

由公式(2)可以看出，串扰严重影响了线路的传输容量，换句话说，就是降低了线路速率。

图3示出了相关技术的用户场景示意图。

DSM，即Dynamic Spectrum Management(动态频谱管理)，是一种动态管理功率频谱的方法。用户电缆基本上都包含多对(25对或以上)双绞线，在各个双绞线上可能运行了多种不同的业务，各种类型的xDSL同时工作时互相之间会产生串扰，其中某些线路会因为这个原因导致性能急剧下降；当线路比较长时，某些线路根本不能开通任何形式的DSL业务。

没有频谱管理的混合xDSL电缆就像是没有交通法规的公路交通一样，会产生非常严重的串扰后果。频谱管理的首要工作就是研究各种DSL调制技术的频谱特性和各种DSL间的串扰，分别规定他们的功率谱密度(PSD)、发送功率等，这也就是所谓的频谱兼容。如果我们能在不违反频谱兼容性的前提下实时地或是周期性地调整频谱控制参数，让系统始终工作在最佳的状态是一种更好的方法。这就是所谓的动态频谱管理(DSM)的目的。

具体地，DSM的目的就是自动调整在同一电缆中的各个调制解调器上的传输功率来达到消除串扰。特别是在CO/RT混合应用的情况下短线对长线的串扰影响较大。如图3所示，线路2对线路1的影响要远远大于线路1对线路2的影响。DSM的目标就是通过调整发射功率使每个调制解调器在达到自身速率最大化和减少对其它调制解调器的串扰影响之间达到一个平衡。

一种DSM的最优方法是OSB(Optimum Spectrum Balancing，最优频谱平衡)方法。假设共有N个用户，每个用户有K个TONE，且其中N-1个用户有一个目标速率。这样DSM的基本问题可表示为：在满足N-1个用户速率的前提下，尽量提高第一个用户的速率，同时每个信号的能量要满足最大PSD要求，且每个用户的总功率应满足相应的约束条件( $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k^n\≤P_n,$ P_n为n用户的最大允许发送功率)。由于该问题的非凸性，直接对其进行完整求解需要枚举所有可能的s_k ⁿ取值，那么算法就同时具有关于用户数N和TONE数K的指数计算复杂度，即O(e^KN)。OSB应用对偶方法，将上述问题用公式表示为：

$J=\underset{s_1,...,s_N}{\max }{R}_1+\underset{n=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{R}_n-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n$

$s.t.0\≤s_k^n\≤s_{\max },$ k＝1，...，K；n＝1，...，N      公式(3)

其中，

S_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；

$R_n=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n$ ：为第n条用户线的总速率。

w_n，λ_n分别为拉格朗日算子。

公式(3)中目标函数又可转化为：

$J=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^1+\underset{n=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{b}_k^n-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(w_n{b}_k^n-{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n)\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{J}_k$ 公式(6)

$J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(w_n{b}_k^n-{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n)$ 公式(7)

其中，

S_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；

b_k ⁿ：表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数；

w_n，λ_n分别为拉格朗日算子。

这里w₁＝1，考虑到J_k只与第k个TONE上的功率分配s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N有关，而与其它TONE上的功率分配无关这一特性，我们只需要枚举在第k个TONE上各个用户的功率分配就可以求出J_k的最大值。对各个独立的TONE分别求解maxJ_k即可求出J的最优解。OSB在保证找到最优解的前提下将原来的计算复杂度降到了O(Ke^N)。

下面将参照图4来详细说明DSM的具体实现结构：

图4示出了相关技术的DSM参考模型示意图。

DSM技术目前还没有商用，DSM第一层面的主流架构如图4所示，有一个控制器SMC(Spectrum Management Center，频谱管理中心)和三个控制接口，分别为DSM-S、DSM-C、DSM-D。SMC通过DSM-D接口从DSL-LT读取DSL线路的工作状态等参数，通过DSM-S接口与其相关联的SMC进行信息交互，当SMC掌握足够的信息之后，作一系列的优化算法，最后通过DSM-C向DSL-LT下发控制参数，使线路工作在最佳的状态。

下面将参照图5和图6来说明OSB的具体实现框架。

图5示出了相关技术的OSB方法的实现流程；图6示出了相关技术的OSB方法的数学模型求解过程。

如图5所示，OSB方法的实现流程包括以下步骤：

步骤S102，构建数学模型 $J_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(w_n{b}_k^n-{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n);$

步骤S104，计算使J_k最大的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N，其中，求解过程如图6所示，对所有的s_k ⁿ在[0，s_max]^N的空间上以一定的颗粒度进行枚举直至收敛为止，即，对每个TONE k计算使J_k最大的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N，直至所有约束条件均得到满足且功率分配不再发生变化为止。其中，对每个用户n，根据约束条件满足的程度动态地调整w_n和λ_n值；以及

步骤S106，根据所求得的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N来调整在同一电缆中的各个调制解调器上的传输功率。

在图6的求解过程中，在计算使J_k最大的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N时，因为J_k为非凸函数，不存在简单的解析解。因此，要求出最优的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N则需对所有的s_k ⁿ在[0，s_max]^N的空间上进行枚举。当一轮枚举结束后，根据约束条件满足的程度动态地对w_n和λ_n进行调整。如果约束条件已满足，则要降低相应用户线上的w_n或λ_n值，以降低此部分对整个目标函数的影响程度；如果约束条件尚未满足，则需提高相应用户线上的w_n或λ_n值，以增大此部分约束在整个目标函数中所占比重。算法不断重复以上操作，直至所有约束条件均得到满足且功率分配不再发生变化为止。此时可认为算法收敛。算法的收敛性证明可在参考文献“R.Cendrillon，W.Yu，M.Moonen，J.Verlinden，and T.Bostoen，“Optimal multi-user spectrum management for digitalsubscriber lines，”accepted by IEEE Transactions on Communications，2005.”中获得。

OSB是一种最优算法，当用户数N不太大时，在可接受的时间内可得到计算结果。但当用户数增大时，其计算时间成指数爆炸式增长，很快便达到无法接受的地步。简言之，OSB的优点为：最优性、当N较小时的可计算性。OSB的缺点为：关于N的指数复杂度、非自治、需要中心管理器进行数据交互。

一种可选的DSM是IWF(迭代注水iterative water filling)方法。

IWF即迭代注水方法，它是一种贪心方法。它只考虑s_k ⁿ的变化对第n个用户线上速率的影响，不从优化的角度考虑对其他线路产生的干扰。其目标函数J_k可以写为 $J_k\≅J_k^n=w_n{b}_k^n-{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n.$

图7示出了相关技术的IWF方法的实现流程；图7示出了相关技术的IWF方法的数学模型求解过程。

如图7所示，IWF方法的具体过程如下：

步骤S202，构建数学模型 $J_k\≅J_k^n=w_n{b}_k^n-{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n;$

步骤S204，计算使J_k最大的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N，其中，求解过程如图8所示，这里不再赘述；以及

步骤S206，按照所求得的s_k ¹，s_k ²，...，s_k ^N来调整在同一电缆中的各个调制解调器上的传输功率。

如上所述，IWF是一种贪心算法，因此它所要找的解是局部最优解而非全局最优解，所以其计算结果要比OSB差。

IWF的方法计算复杂度较低，对于较大的N和K都可进行计算。并且它是完全自治的，即各个用户只需优化自身的速率和满足自身的功率约束即可，而不需要不同用户之间进行数据信息的交互，即不需要中心管理器，易于在实际系统中实现。

简言之，IWF的优点为：低计算复杂度、自治、不需要中心管理器、可实现性。IWF的缺点为：贪心、无法保证最优解或近似最优解。

表3列出了OSB算法和IWF算法的优缺点比较。

表3：OSB算法和IWF算法比较表

算法	优点	缺点
			OSB(最优算法)	最优性，当N较小时的可计算性	关于N的指数复杂度，非自治、需要中心管理器进行数据交互
IWF(贪心算法)	低计算复杂度，自治，不需要中心管理器，可实现性	贪心，无法保证最优解或近似最优解

上面提到的OSB方法和IWF方法是具有代表意义的方法。还包括比较多有关OSB的简化方法，以及IWF的扩展方法等。

然而，就OSB及其简化方法而言，在实现上需要额外的设备(如图4中SMC)和许多接口(如图4中的DSM-C、DSM-D、DSM-S等)，设备和计算都比较复杂。就IWF及其扩展方法而言，虽然不需要额外设备和接口，但其算法本身并不满足xDSL用户部署的要求。目前基本上对每一个用户是给定一个速率，而不是类似于IWF那样最大化某一单一用户线的速率。

因此，人们需要一种动态管理xDSL频谱的解决方案，能够既不需要使用额外的设备和接口，同时也能满足固定速率部署需求。

发明内容

本发明旨在提供一种动态管理xDSL频谱的方法和装置，能够既不需要使用额外的设备和接口，同时也能满足固定速率部署需求。本发明解决了相关技术中的OSB及其简化方法中的在实现上需要额外的设备和许多接口，设备和计算都比较复杂的问题，也解决了IWF及其扩展方法中不满足xDSL用户部署的要求的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种xDSL频谱动态管理方法，包括以下步骤：步骤a，构建数学模型 $J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n,$ 其中，S_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率，b_k ⁿ表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数，w_n是拉格朗日算子；步骤b，求解使J_k最小的s_k ^N，其中s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；以及步骤c，按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中的第N个调制解调器上的传输功率。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，步骤b包括以下步骤：对每一个用户的每一个子信道(voice，语音)，按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n，直至所有约束条件均得到满足且功率分配不再发生变化为止，其中，R^target表示线路的目标速率，ε表示调整因子。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n包括以下步骤：如果约束条件已满足，则降低相应用户线上的w_n值；以及如果约束条件尚未满足，则提高相应用户线上的w_n值。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n，包括以下步骤：步骤b1，设置一个初始的w_n、ε、和功率调整间隔δ；步骤b2，获取第n个子信道的噪声σ_n ¹信号衰减值h_n ^1，1；步骤b3，根据第n个子信道的发送功率S选择S_n ¹的列举值；步骤b4，用S_n ¹的所有值和σ_n ¹计算出所有的J_k；步骤b5，从步骤b4得到的所有J_k中选出最小值，并记录对应的S_n ¹和b_n ¹；步骤b6，对第1到第n个子信道重复执行步骤b2到步骤b5，最终得到一系列的发送功率S_k ¹和比特分配b_k ¹(k＝1，...，n)；步骤b7：根据发送功率S_k ¹和比特分配b_k ¹计算出线路的新发送功率和比特分配值；步骤b8、根据约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 更新w_n的值，其中公式右边的w_n代表上一次的值，左边的w_n代表新的值；以及步骤b9，重复步骤b2到步骤b8，直到更新的w_n不发生变化。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，在步骤b2中，噪声包括本线路的本底噪声和其他线路的串扰噪声。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，在步骤b3中按以下公式计算S_n ¹的列举值：

其中，ξ表示能向上调节的最大量。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，ξ设置为3。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，在步骤b4中按照公式 $b_n^1={\log }_2(1+\frac{{\left|h_n^{\mathrm{1,1}}\right|}^2{s}_k^n}{{\mathrm{\σ}}_n^1})$ 计算b_n ¹。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，步骤b7包括以下步骤：按照公式Z_i＝g_i×tss_i×x(b_i)×(X_i+jY_i)来计算新发送功率和比特分配值，其中，Z_i为待发送的数字信号，g_i为第i个TONE的增益值，tss_i为第i个TONE的功率谱整形系数，x(b_i)为星座归一化系数，以及(X_i+jY_i)为星座点。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，步骤b7还包括以下步骤：当更改g_i来调节发送功率谱密度不能满足要求时，则调节tss_i系数。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，步骤b7还包括以下步骤：规定新的g_i等于0，使新的tss_i的值等于原来的tss_i值加上a，通过重新训练来重设tss_i值，其中a是g_i原来的值。

在上述的xDSL频谱动态管理方法中，还包括以下步骤：步骤b10：检测子信道信噪比的容限，如果容限发生了明显的变化，则执行步骤b1到步骤b7，否则继续检测子信道的信噪比容限。

根据本发明的另一方面，提供了一种xDSL频谱动态管理装置，包括：建模模块，用于构建数学模型 $J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n,$ 其中，S_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率，b_k ⁿ表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数，w_n是拉格朗日算子；计算模块，用于求解使J_k最小的s_k ^N，其中s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；以及控制模块，用于按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中的第N个调制解调器上的传输功率。

在上述的xDSL频谱动态管理装置中，计算模块对每一个用户的每一个子信道，按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n，直至所有约束条件均得到满足且功率分配不再发生变化为止，其中，R^target表示线路的目标速率，ε表示一个比较小的正整数。

在上述的xDSL频谱动态管理装置中，xDSL频谱动态管理装置是用户端设备。

在上述的xDSL频谱动态管理装置中，xDSL频谱动态管理装置是中心局端芯片。

在上述的xDSL频谱动态管理装置中，xDSL频谱动态管理装置是中心局端板卡。

在上述的xDSL频谱动态管理装置中，xDSL频谱动态管理装置是DSL接入复用器。

通过上述技术方案，本发明实现了如下技术效果：

一方面，使用本发明的方案能使线路在满足目标速率的情况下尽量地减小发送功率。带来了两个方面的有益效果，在减小发送功率的同时节约了能源以及在减小发送功率的同时降低了对其他线路的串扰。

另一方面，根据本发明的数学模型计算，解决了相关技术中的OSB及其简化方法中的在实现上需要额外的设备和许多接口，设备和计算都比较复杂的问题，也解决了IWF及其扩展方法中不满足xDSL用户部署的要求的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不是用于限定本发明。其中：

图1示出了相关技术的xDSL系统的参考模型；

图2示出了相关技术中的串扰示意图；

图3示出了相关技术的用户场景示意图；

图4示出了相关技术的DSM参考模型示意图；

图5示出了相关技术的OSB方法的实现流程；

图6示出了相关技术的OSB方法的数学模型求解过程；

图7示出了相关技术的IWF方法的实现流程；

图8示出了相关技术的IWF方法的数学模型求解过程；

图9示出了根据本发明的xDSL频谱动态管理方法的数学模型及其求解过程；

图10示出了根据本发明的xDSL频谱动态管理方法的流程图；

图11示出了根据本发明的xDSL频谱动态管理装置的方框图；

图12示出了根据本发明的一个实施例的用户场景示意图；

图13示出了根据本发明的一个实施例的xDSL频谱动态管理方法的流程图；

图14示出了根据本发明的另一个实施例的CO端板卡的方框图；以及

图15示出了根据本发明的另一个实施例的DSLAM主控板的方框图。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明。

首先参照图9来说明本发明的原理。图9示出了根据本发明的xDSL频谱动态管理方法的数学模型及其求解过程。

本发明是在满足线路本身目标速率的前提下，尽量降低自身的发射功率，当然，同时还要满足发送功率的限制。用数学公式表示如下：

$\min \left(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{S}_k^n\right)s.t.\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{b}_k^n=R^{t\arg \mathrm{et}}\mathrm{and}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{S}_k^n\≤P_n$ 公式(8)

其中，

S_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；

P_n：表示第n条用户线路上的发送功率限制；

b_k ⁿ：表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数；

R^target：表示线路的目标速率。

引入拉格朗日算子w_n，此问题变为求下面函数的最小值问题：

$J=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k^n+w_n(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)$

上式经过化简得到： $J=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k^n-w_n\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n$ 公式(9)

又由于每个TONE之间是正交的，对一个TONE的发送功率的改变并不影响其他TONE的结果。所以公式(9)又可以进一步地简化为：

$J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n$ 公式(10)

根据公式(10)，通过图9所示的流程就能得到满足本身目标速率的前提下，使自身的发射功率最低的优化解。

下面将根据图10和图11来具体说明本发明。

图10示出了根据本发明的xDSL频谱动态管理方法的流程图。

步骤S302，构建数学模型 $J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n;$

步骤S304，求解使J_k最小的s_k ^N，其中求解过程如图9所示，这里不再赘述，其中s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；以及

步骤S306，按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中第N个调制解调器上的传输功率。

通过以上描述可以看出，一方面，在满足目标速率的情况下，尽量地减小发送功率，从而节约了能源和降低了对其他线路的串扰；另一方面，解决了OSB及其简化方法中的在实现上需要额外的设备和许多接口，设备和计算都比较复杂的问题，也解决了IWF及其扩展方法中不满足xDSL用户部署的要求的问题。

图11示出了根据本发明的xDSL频谱动态管理装置300的方框图。

建模模块302，用于构建数学模型 $J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n;$

计算模块304，用于求解使J_k最小的s_k ^N，其中求解过程如图9所示，这里不再赘述，其中s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；以及

控制模块306，用于按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中第N个调制解调器上的传输功率。(我的理解对吗)

下面根据图12和图13来说明本发明的一个实施例。

图12示出了根据本发明的一个实施例的用户场景示意图；图13示出了根据本发明的一个实施例的xDSL频谱动态管理方法的流程图。

如图12所示，假设所有的连接都在正常工作，有可能某些收发器已经达到目标速率，而有些收发器没有达到目标速率。因此每一对收发器都有一个已经确定的比特分配表项(B)和每一个TONE上分配的发送功率谱密度值(PSD)。

在这里，以图12中第一条线路的收发器对为例，特别地以下行方向(P1到CPE(用户端)1方向)为例。那么在实施此方法的初始时刻，存在一个比特分配表b_k ¹，k＝1...N，和一个功率分配表S_k ¹，k＝1...N。其中如果b_n ¹或S_n ¹等于零，表示在第n个TONE上不能承载比特数或是没有在第n个TONE上不分配发送功率。

如图13所示，具体流程包括以下步骤：

步骤S410：设置一个初始的系数w_n、ε和功率调整间隔δ。

步骤S420：以TONE为单位循环(从1到N)通过使公式(10)所描述的J_k取最小值来获得发送功率。

假定现在对第n个TONE进行处理。

步骤S422：根据G.997.1标准规定获取第n个TONE的噪声(σ_n ¹)，此噪声包括线路的本底噪声和其他线路的串扰噪声。同时获取线路衰减在这个TONE上值h_n ^1，1。

步骤S424、选择S_n ¹的列举值。设第n个TONE的当前发送功率为SdB。

在这里为了保证线路的发送功率向上改变时不至于导致其他线路的工作不稳定，在上式中把能向上调节的最大量设置为3dB。也可以设置成其他的值，最好小于3dB。

步骤S426，用S_n ¹所有可能值和σ_n ¹的值计算出 $b_n^1={\log }_2(1+\frac{{\left|h_n^{\mathrm{1,1}}\right|}^2{s}_k^n}{{\mathrm{\σ}}_n^1}).$ 最终计算出一系列 $J_k=S_n^1-w_n\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^1,$ 当b_k ¹中k不等于n时，使用以前的已知值；

步骤S428、从步骤S426中计算出的一系列J_k值中选出最小的值，并记录对应这个最小值的对应的发送功率S_n ¹和对应的b_n ¹；

步骤S430、重新选择一个其他的TONE，循环步骤步骤S422到步骤S428，直至所有的TONE都遍历一遍；以及

步骤S432、最终得到一系列的发送功率S_k ¹和比特分配b_k ¹(k＝1...N)，这些发送功率都使得J_k的值最小。

步骤S440：动态更新和调节过程。

步骤S442，通过OLR过程更新步骤S430和步骤S432中所得到的新的发送功率和比特分配值。

Z_i＝g_i×tss_i×x(b_i)×(X_i+jY_i)                   公式(11)

上式中Z_i为待发送的数字信号，g_i为第i个TONE的增益值，tss_i为第i个TONE的功率谱整形系数，x(b_i)为星座归一化系数，(X_i+jY_i)为星座点。

现有标准规定g_i值有一个范围，比如在G.993.2中规定其范围值为-14.5～2.5dB。在本发明中如果仅仅通过更改g_i来调节发送功率谱密度，有可能不能满足要求。所以就要通过调节tss_i系数来达到目的。

假设需要调节g_i的值(a)超过了标准中规定的范围。在这种情况下，可以规定新的g_i等于0，而新的tss_i的值等于原来的tss_i值加上a。通过重新训练来重设tss_i值就可以了。

步骤S444：根据公式 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 更新w_n的值。其中公式右边的w_n代表上一次的值，左边的w_n代表新的值。

步骤S450：重复步骤S420和步骤S440。当根据步骤S444步骤更新的w_n的值不发生变化时，表明整个频谱的分配达到一个稳定值，这个时候执行步骤S460。

步骤S460：检测子信道信噪比margin，如果信噪比的margin发生了明显的变化，执行步骤S420。否则继续检测子信道的信噪比margin。

在图12所示的所有线路都必须同时进行步骤S410到步骤S460的过程。当所有的线路都达到最终的收敛结果时，所有的线路达到一个平衡状态。这个平衡状态是一个竞争的结果，是一个局部最优解。

下面将描述本发明在CPE端的具体实施，在图13中描述的步骤都可以在CPE中完成。

本发明在CPE中的实现方法如下：

在步骤S422中所需要的参数本身就是在CPE中测量计算出来的，可以非常方便的通过芯片内部线路或是CPE芯片间线路直接获得。

在步骤S442中所描述的动态过程可以由CPE按照相关的标准(G.993.2；G.992.x)等来直接完成。

下面将描述本发明在CO(中心局)端端口芯片内的具体实施，在图13中描述的步骤都可以在CO端端口芯片内实现。

本发明在CO端端口芯片内实现的方法如下：

在步骤S422中所需要的参数可以通过EOC(Embed OperationChannel)通道从CPE中获得。

在步骤S442中所描述的动态过程可以由CO芯片按照相关的标准(G.993.2；G.992.x)等来直接完成。

下面将参照图14描述本发明在CO端板卡上的具体实施，在图13中描述的步骤都可以在CO端板卡上实现。

图14示出了根据本发明的另一个实施例的CO端板卡400的方框图，其中，在图13描述的步骤都可以在CO端板卡中完成。

本发明在CO端的板卡上实现的方法如下：

如图14所示，在CO端板卡中有多路的xDSL套片通过控制管理总线与控制管理器相连。具体的运算决策功能在控制管理器中完成。

在步骤S422中所需要的参数可以首先由CO端的xDSL套片通过EOC(Embed Operation Channel)通道从CPE中获得，再由CO断的xDSL套片通过控制管理总线上报给控制管理器。或者由控制管理器通过控制管理总线给CO端xDSL套片下发查询指令，再由CO端xDSL套片通过EOC通道从CPE中获得并把参数答复给控制管理器。

在步骤S442中所描述的动态过程可以首先由控制管理器把相应的需更新项目通过控制管理总线通知CO端xDSL套片，再由CO端xDSL套片按照相关的标准(G.993.2；G.992.x)等直接完成。

在板卡内实现还有一个额外的功能就是，可以由控制管理器提供定时信息，可以让连接到此单板的线路在规定的时间内有序更新。避免了大规模的无序状态导致的一些小概率的不可预知事件的发生。

下面将参照图15描述本发明在DSLAM主控板上的实现。

图15示出了根据本发明的另一个实施例的DSLAM主控板500的方框图。

如图15所示，在图13中描述的步骤都可以在DSLAM中完成。在CO端板卡中有多路的xDSL套片通过控制管理总线1与控制管理器1相连，各CO端板卡通过背板上的控制管理总线2与控制管理器2相连接。具体的运算决策功能在控制管理器2中完成。

在步骤S422中所需要的参数可以首先由CO端的xDSL套片通过EOC(Embed Operation Channel)通道从CPE中获得，再由CO断的xDSL套片通过控制管理总线1上报给控制管理器1，最终由控制管理器1通过控制管理总线2上报给控制管理器2，也可以由控制管理器2通过控制管理总线2给各CO端板卡上的控制管理器1发查询指令，然后由控制管理器1按前述方法获得数据后上报给控制管理器2。

在步骤S442中所描述的动态过程可以首先由控制管理器2把相应的需更新项目通过控制管理总线2通知CO端板卡中控制管理器1，由控制管理器1按照前述方法完成更新。

从以上的描述中可以看出，本发明实现了如下技术效果：

一方面，使用本发明的方案能使线路在满足目标速率的情况下尽量地减小发送功率。带来两个方面的有益效果，在减小发送功率的同时节约了能源和在减小发送功率的同时降低了对其他线路的串扰。

另一方面，根据本发明的数学模型计算，解决了相关技术中的OSB及其简化方法中的在实现上需要额外的设备和许多接口，设备和计算都比较复杂的问题，也解决了IWF及其扩展方法中不满足xDSL用户部署的要求的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a，构建数学模型 $J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n,$ 其中，S_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率，b_k ⁿ表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数，w_n是拉格朗日算子；

步骤b，求解使J_k最小的s_k ^N，其中s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；

以及

步骤c，按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中第N个调制解调器上的传输功率。

2.根据权利要求1所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

所述步骤b包括以下步骤：

对每一个用户的每一个子信道，按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n，直至所有约束条件均得到满足且功率分配不再发生变化为止，其中，R^target表示线路的目标速率，ε表示调整因子。

3.根据权利要求2所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n包括以下步骤：

如果所述约束条件已满足，则降低相应用户线上的w_n值；以及

如果所述约束条件尚未满足，则提高相应用户线上的w_n值。

4.根据权利要求2所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n包括以下步骤：

步骤b1，设置一个初始的w_n、ε、和功率调整间隔δ；

步骤b2，获取第n个子信道的噪声σ_n ¹信号衰减值h_n ^1，1；

步骤b3，根据所述第n个子信道的发送功率S选择S_n ¹的列举值；

步骤b4，用S_n ¹的所有值和σ_n ¹计算出所有的J_k；

步骤b5，从所述步骤b4得到的所有J_k中选出最小值，并记录对应的S_n ¹和b_n ¹；

步骤b6，对第1到第n个子信道重复执行所述步骤b2到所述步骤b5，最终得到一系列的发送功率S_k ¹和比特分配b_k ¹(k＝1，...，n)；

步骤b7：根据发送功率S_k ¹和比特分配b_k ¹计算出线路的新发送功率和比特分配值；

步骤b8、根据所述约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 更新w_n的值，其中公式右边的w_n代表上一次的值，左边的w_n代表新的值；以及

步骤b9，重复所述步骤b2到所述步骤b8，直到更新的w_n不发生变化。

5.根据权利要求4所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

在所述步骤b2中，噪声包括本线路的本底噪声和其他线路的串扰噪声。

6.根据权利要求4所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

在所述步骤b3中按以下公式计算S_n ¹的列举值：

其中，ξ表示能向上调节的最大量。

7.根据权利要求6所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，ξ设置为3。

8.根据权利要求7所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

在所述步骤b4中按照公式 $b_n^1={\log }_2(1+\frac{{\left|h_n^{\mathrm{1,1}}\right|}^2{s}_k^n}{{\mathrm{\σ}}_n^1})$ 计算b_n ¹。

9.根据权利要求4所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

所述步骤b7包括以下步骤：

按照公式Z_i＝g_i×tss_i×χ(b_i)×(X_i+jY_i)来计算所述新发送功率和比特分配值，其中，Z_i为待发送的数字信号，g_i为第i个TONE的增益值，tss_i第i个TONE的功率谱整形系数，χ(b_i)为星座归一化系数，以及(X_i+jY_i)为星座点。

10.根据权利要求9所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

所述步骤b7还包括以下步骤：

当更改g_i来调节发送功率谱密度不能满足要求时，则调节tss_i系数。

11.根据权利要求10所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，所述步骤b7还包括以下步骤：

规定新的g_i等于0，使新的tss_i的值等于原来的tss_i值加上a，通过重新训练来重设tss_i值，其中a是g_i原来的值。

12.根据权利要求4所述的xDSL频谱动态管理方法，其特征在于，

还包括以下步骤：

步骤b10：检测子信道信噪比的容限，如果容限发生了明显的变化，则执行所述步骤b1到所述步骤b7，否则继续检测子信道的信噪比容限。

13.一种xDSL频谱动态管理装置，其特征在于，包括：

建模模块，用于构建数学模型 $J_k=S_k^n-w_n\·b_k^n,$ 其中，s_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率，b_k ⁿ表示在第n条用户线上第k个TONE可能承载的比特数，w_n是拉格朗日算子；

计算模块，用于求解使J_k最小的s_k ^N，其中占s_k ^N表示在第1到第n条用户线路中的第N条用户线路上第k个TONE的发送功率；以及

控制模块，用于按照所求得的s_k ^N来调整在同一电缆中第N个调制解调器上的传输功率。

14.根据权利要求13所述的xDSL频谱动态管理装置，其特征在于，所述计算模块对每一个用户的每一个子信道，按照约束条件 $w_n={[w_n+\mathrm{\ϵ}(R^{t\arg \mathrm{et}}-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n)]}^{+}$ 来调整w_n，直至所有约束条件均得到满足且功率分配不再发生变化为止，其中，R^target表示线路的目标速率，ε表示一个比较小的正整数。

15.根据权利要求13或14所述的xDSL频谱动态管理装置，其特征在于，所述xDSL频谱动态管理装置是用户端设备。

16.根据权利要求13或14所述的xDSL频谱动态管理装置，其特征在于，所述xDSL频谱动态管理装置是中心局端芯片。

17.根据权利要求13或14所述的xDSL频谱动态管理装置，其特征在于，所述xDSL频谱动态管理装置是中心局端板卡。

18.根据权利要求13或14所述的xDSL频谱动态管理装置，其特征在于，所述xDSL频谱动态管理装置是DSL接入复用器。

Images