CN101453246B - 一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法，优点在于根据发送信号和接收信号来直接设计抑制串音的滤波器，从而避免了复杂的信道估计过程，与现有的串音抑制算法相比，本发明大大降低了计算复杂度；同时为了进一步快速实现，本发明方法提出了抑制串音的滤波器自更新算法，从而达到进一步降低计算复杂度的目的。

Description

一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法

技术领域

本发明涉及一种串音抑制方法，尤其是涉及一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法。

背景技术

基于电话线的宽带有线接入技术是目前主要的接入方式，其代表技术包括ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路)和VDSL/VDSL2(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Loop，甚高速数字用户环路)。ADSL和VDSL技术使用非屏蔽的铜双绞线进行数据传输，从电话局(CO，Centre office)或光网络单元(ONU，Optical network unit)出来的铜双绞线位于不同的铅包电缆中，而在同一铅包电缆中有25对、50对，甚至100对铜双绞线。当传输的数据通过线路(即铜双绞线)时，不同铜双绞线之间的电磁耦合会形成干扰，这种干扰被称为串音(Crosstalk)。串音根据传输方向的不同可以分为远端串音(FEXT，Far End Crosstalk)和近端串音(NEXT，Near End Crosstalk)。远端串音是指被干扰用户与干扰用户的数据传输方向相同；近端串音是指被干扰用户与干扰用户的数据传输方向相反，如图1所示。ADSL和VDSL系统在上行和下行传输方向分别采用频分复用(即不同频段)技术可以有效避免近端串音，而远端串音与各线路上的有用信号处于同一频段，因此远端串音不能通过频分复用的办法来消除。对于ADSL系统，由于光网络单元到用户端的传输距离较远，远端串音受信道衰落比较严重，因此远端串音对ADSL系统的干扰不是很严重；而对于VDSL/VDSL2系统，从光网络单元到用户端的传输距离较短，远端串音干扰很严重，远端串音通常比背景噪声大10dB～20dB左右。在VDSL/VDSL2系统中，远端串音成为影响数字用户线传输速率和系统稳定性的最主要因素。因此，远端串音的抑制具有重要的意义。

ADSL和VDSL都采用离散多音调制(DMT，Discrete Multi Tone)的调制方式，DMT技术在频域上将物理信道划分为N个相对平坦的子信道，这样的子信道被称为子载频(Tone)。基于电话局协作的DSL系统中，多个用户在电话局端具有协作关系，可以看成多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)系统，多用户之间形成一个MIMO信道。串音抑制方法正是利用系统MIMO系统模型来抑制来自其它线路的串音干扰。电话局或光网络单元接收到的各用户的上行传输方向上的数据是同步的，在第k个子载频上的接收数据可以表示成向量的形式：y_k＝H_kx_k+n_k，其中，H_k是第k个子载频上的传输信道矩阵，

N为用户数， $y_k={\left[\begin{array}{ccc}{y}_k^1& \·\·\·& y_k^N\end{array}\right]}^T$ 是第k个子载频上电话局接收信号向量， $x_k={\left[\begin{array}{ccc}{x}_k^1& \·\·\·& x_k^N\end{array}\right]}^T$ 是第k个子载频上的用户端发送信号向量， $n_k={\left[\begin{array}{ccc}{n}_k^1& \·\·\·& n_k^N\end{array}\right]}^T$ 是第k个子载频上的背景噪声向量，背景噪声包括线路温度噪声和脉冲噪声，一般将背景噪声假设为是加性高斯白噪声，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数。

上行传输方向上串音抑制的原理如图2所示，在电话局端设计滤波器W_k作用于接收信号y_k来消除用户端发送的发送信号在传输过程中受到的串音干扰，此处，串音干扰主要指远端串音。目前，上行传输方向上串音抑制算法主要集中在频域，具有代表性的算法主要有：迫零算法(ZF，Zero-forcing)、判决反馈抑制(DFC，Decision feedbackcancellation)算法、幂级数逼近(PSA，Power series approximation)算法。这些算法都是假设串音信道矩阵是已知的。实际中必需先通过信道估计技术估计出串音信道矩阵，而信道估计通常采用基于导频的信道估计，基于导频的信道估计具有较高的计算复杂度，且导频的存在降低了系统的数据传输效率。

2006年R.Cendrillon提出了一种适合于上下行串音抑制的迫零算法，该算法在上行传输方向上的串音抑制的原理为：电话局在第k个子载频上设计一个滤波器 $W_k=H_k^{-1},$ H_k ^-1是第k个子载频上的传输信道矩阵的逆矩阵，电话局接收到的接收数据的向量y_k通过滤波器后就可以抑制掉串音。假设为接收数据的向量y_k通过滤波器W_k后的数据向量，则： $\begin{array}{c}{\hat{x}}_k=W_k{y}_k\\ =H_k^{-1}{y}_k\\ =H_k^{-1}(H_k{x}_k+n_k)\\ =x_k+H_k^{-1}{n}_k\end{array},$ 其中，H_k是第k个子载频上的传输信道矩阵，

H_k ^-1是第k个子载频上的传输信道矩阵的逆矩阵，N为用户数， $y_k={\left[\begin{array}{ccc}{y}_k^1& \·\·\·& y_k^N\end{array}\right]}^T$ 是第k个子载频上电话局接收信号向量， $x_k={\left[\begin{array}{ccc}{x}_k^1& \·\·\·& x_k^N\end{array}\right]}^T$ 是第k个子载频上的用户端发送信号向量， $n_k={\left[\begin{array}{ccc}{n}_k^1& \·\·\·& n_k^N\end{array}\right]}^T$ 是第k个子载频上的背景噪声向量，背景噪声包括线路温度噪声和脉冲噪声，一般背景噪声假设为是加性高斯白噪声，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数。从 ${\hat{x}}_k=x_k+H_k^{-1}{n}_k$ 可以看出，通过串音抑制滤波器后，

可以看作由两部分组成：期望信号(即发送信号)x_k和噪声H_k ^-1n_k。这样，电话局收到的各个用户的发送信号仅受到加性高斯白噪声H_k ^-1n_k的干扰。由于有线信道具有列对角占优性，因此传输信道矩阵是良态的，所以迫零算法对加性高斯白噪声的增强可以忽略。

迫零算法、判决反馈抑制算法、幂级数逼近算法等几种串音抑制算法都是基于串音传输信道矩阵H_k的信息。实际中必须在设计串音抑制滤波器矩阵前估计出串音信道矩阵H_k。基于串音信道矩阵的抑制算法存在许多缺陷：首先，基于导频的信道估计需要用户端发送训练序列，训练序列的存在降低了系统数据传输速率；其次，VDSL/VDSL2系统子载频个数较多，这样，估计传输信道矩阵的运算量极大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带有线接入网数字用户线中具有低计算复杂度的串音抑制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法，包括以下步骤：

①定义在用户端每个用户发送的信号为发送信号，将每个用户在第k个子载频上发送的长度为L的发送信号的矩阵记为X_k，L，

其中，L≥N，N为用户数，k＝1， 2，…，K，K为子载频的总数；

②电话局端接收到被串音干扰后的发送信号，定义为接收信号，将电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵记为Y_k，L，

其中，L≥N，N为用户数，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数；

③电话局端在第k个子载频上设置有一个用于抑制接收信号中的串音干扰的串音抑制滤波器，将该串音抑制滤波器的矩阵记为W_k，L，电话局端利用串音抑制滤波器抑制接收信号中的串音干扰，得到抑制掉串音干扰后的接收信号，将抑制掉串音干扰后的长度为L的接收信号的矩阵记为

${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L},$ 其中，Y_k，L为电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵；

④根据X_k，L和

利用最小二乘准则，定义

逼近于X_k，L的代价函数J_c(k)， $\begin{array}{c}{J}_c\left(k\right)={\left|\right|X_{k,L}-{\hat{X}}_{k,L}\left|\right|}_2\\ ={\left|\right|X_{k,L}-W_{k,L}{Y}_{k,L}\left|\right|}_2\end{array},$ 然后根据代价函数J_c(k)得到W_k，L的最优解，最优解为 $W_{k,L}=\arg \min {\left|\right|X_{k,L}-W_{k,L}{Y}_{k,L}\left|\right|}_2=X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+},$ 其中，||||为范数符号，2代表二阶范数，Y_k，L ⁺为Y_k，L的广义逆矩阵， $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ Y_k，L ^T为Y_k，L的转置矩阵；

⑤根据 $W_{k,L}=X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+}$ 和 ${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L},$ 得到 $\begin{array}{c}{\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L}\\ =X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+}{Y}_{k,L}\\ =X_{k,L}{Y}_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1}{Y}_{k,L}\end{array},$ 其中，X_k，L为每个用户在第k个子载频上发送的长度为L的发送信号的矩阵，Y_k，L为电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵，Y_k，L ⁺为X_k，L的广义逆矩阵， $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ Y_k，L ^T为Y_k，L的转置矩阵。

与现有技术相比，本发明的优点在于直接根据发送信号和接收信号来设计串音抑制滤波器，使得本发明方法避免了复杂的信道估计过程，与现有的串音抑制算法相比，本发明方法大大降低了计算复杂度；同时为了进一步快速实现，本发明方法提出了另一种计算串音抑制滤波器系数的自更新方法，可以避免求接收信号的广义逆矩阵的过程，从而达到降低计算复杂度的目的。

附图说明

图1为远端串音和近端串音的形成示意图；

图2为上行传输方向上远端串音抑制的原理示意图；

图3为用户1在本发明方法、迫零算法及无串音抑制方法下总比特速率随发送信号的长度的变化趋势示意图；

图4为用户1发送的发送信号的长度为15时在本发明方法、迫零算法及无串音抑制方法下在各个子载频上的信噪比示意图；

图5为本发明方法的串音抑制滤波器自更新过程中迭代求解的收敛曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

假设数字用户线系统中用户数为N，本发明的一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法，该方法不需要估计串音信道矩阵，该方法包括以下步骤：

①定义在用户端每个用户发送的信号为发送信号，将每个用户在第k个子载频上发送的长度为L的发送信号的矩阵记为X_k，L，其中，L≥N，N为用户数，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数。在本实施例中，为了保证本方法的性能，每个用户发送的发送信号的长度必须满足L≥N。

②在传输过程中，通过传输信道传输到达电话局端的发送信号会受到串音干扰的影响。此时，定义电话局端接收到的受到串音干扰后的发送信号为接收信号，将电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵记为Y_k，L，

其中，L≥N，N为用户数，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数。

③电话局端在第k个子载频上设置有一个用于抑制接收信号中的串音干扰的串音抑制滤波器，将该串音抑制滤波器的矩阵记为W_k，L，电话局端利用串音抑制滤波器抑制接收信号中的串音干扰，得到抑制掉串音干扰后的接收信号，将抑制掉串音干扰后的长度为L的接收信号的矩阵记为

${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L},$ 由于

所以 ${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L}$ 也可表示为

其中，Y_k，L为电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵。

④串音干扰抑制的主要思想是，设计串音抑制滤波器使接收信号通过该串音抑制滤波器抑制掉串音干扰后的接收信号尽可能的逼近于用户端发送的发送信号。根据X_k，L和利用最小二乘准则，定义

逼近于X_k，L的代价函数J_c(k)， $\begin{array}{c}{J}_c\left(k\right)={\left|\right|X_{k,L}-{\hat{X}}_{k,L}\left|\right|}_2\\ ={\left|\right|X_{k,L}-W_{k,L}{Y}_{k,L}\left|\right|}_2\end{array},$ 然后根据代价函数J_c(k)得到W_k，L的最优解，最优解为 $W_{k,L}=\arg \min {\left|\right|X_{k,L}-W_{k,L}{Y}_{k,L}\left|\right|}_2=X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+},$ 其中，||||为范数符号，2代表二阶范数，Y_k，L ⁺为Y_k，L的广义逆矩阵， $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ Y_k，L ^T为Y_k，L的转置矩阵。

⑤根据 $W_{k,L}=X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+}$ 和 ${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L},$ 得到 $\begin{array}{c}{\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L}\\ =X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+}{Y}_{k,L}\\ =X_{k,L}{Y}_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1}{Y}_{k,L}\end{array},$ 其中，X_k，L为每个用户在第k个子载频上发送的长度为L的发送信号的矩阵，Y_k，L为电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵，Y_k，L ⁺为Y_k，L的广义逆矩阵， $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ Y_k，L ^T为Y_k，L的转置矩阵。

从上述步骤可以看出，本发明方法不需要信道估计，从而提高了系统的数据传输速率，同时降低了计算复杂度。

但上述步骤④中求串音抑制滤波器的过程中还需求接收信号的矩阵的广义逆矩阵 $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1}$ 的计算过程较为复杂，增加了本发明方法的运算量。为避免直接求广义逆矩阵 $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ 本发明方法提出了另一种串音抑制滤波器，该串音抑制滤波器的自更新处理过程为：

a.取Y_k，L的第一列y_k，1，计算y_k，1的广义逆矩阵y_k，1 ⁺， $y_{k,1}^{+}=y_{k,1}^T{\left(y_{k,1}{y}_{k,1}^T\right)}^{-1},$ 并初始化W_k，1，W_k，1＝0，其中，y_k，1 ^T为y_k，1的转置矩阵，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数；

b.计算X_k，L的第l列X_k，l和的第l列

之间的误差e_k，l，e_k，l＝X_k，l-W_k，l-1y_k，l，其中，l＝2，3，…，L，L为发送信号或接收信号的长度，y_k，1为Y_k，L的第l列，为一列向量；

c.根据 $W_{k,l}=W_{k,l-1}+e_{k,l}{b}_{k,l}^T$ 对串音抑制滤波器的系数进行迭代求解，其中，b_k，l ^T、c_k，l和d_k，l均为中间变量， $b_{k,l}^T=\left\{\begin{array}{cc}{c}_{k,l}^{+}& c_{k,l}\≠0\\ {(1+d_{k,l}^T{d}_{k,l})}^{-1}{d}_{k,l}^T{y}_{k,l-1}^{+}& c_{k,l=0}\end{array}\right.,$ $c_{k,l}=(I-y_{k,l-1}{y}_{k,l-1}^{+})y_{k,l},d_{k,l}=y_{k,l-1}^{+}{y}_{k,l}.$

这种串音抑制方法不仅计算复杂度低，而且能够对接收信号进行实时处理，处理时间延迟小。

以下给出了本发明方法仿真的环境和参数。本发明仿真的传输信道是由FranceTelecomm(法国电信研发部)提供的实测数据。根据数字用户线线路长度不同，分别有600m、300m、150m、75m四种信道，每种长度的信道衰落和串音各有28×28(即28个用户)组数据组成，信道频率从0.01MHz到30MHz。子载频间隔分别为4.3125KHz。本发明仿真了0.01MHz到8.5频段，即子载频数从1到1972，发送信号功率谱密度根据G.993.2Annex A中在U0频段(6～64)上使用-37.5dBm/Hz的发送功率谱密度，在U1频段(870～1200)上使用的-53dBm/Hz的发送功率谱密度，且在正常情况下噪声的功率谱密度为-140dBm/Hz来决定的。目标误码率为10^-7编码增益和噪声容限分别为3dB和6.8dB。

图3给出了当用户数为3时在本发明方法、迫零算法及无串音抑制方法下总比特速率随发送信号的长度的变化情况。从图3中可以看出，当发送信号长度L较小时，随着L的增加，本发明方法的串音抑制性能变好，但当L增加到一定程度时性能不再变化。而迫零算法由于直接从串音信道出发设计滤波器，与发送信号无关，因此其性能不受发送信号长度的影响，从图3还可以看出本发明方法的比特率与迫零算法相当，性能良好。图4给出了在用户数为3的条件下无串音抑制方法、迫零算法及本发明方法的比特率，从图4中可以看出，本发明方法的性能与迫零算法相当。图5给出了当用户数为6时本发明中自更新串音抑制滤波器求解方法的性能。当发送信号达到一定长度时，该串音抑制滤波器的系数收敛到一个特定值。

Claims (1)

1.一种宽带有线接入网数字用户线中的串音抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

①定义在用户端每个用户发送的信号为发送信号，将每个用户在第k个子载频上发送的长度为L的发送信号的矩阵记为X_k，L，其中，L≥N，N为用户数，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数；

②电话局端接收到被串音干扰后的发送信号，定义为接收信号，将电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵记为Y_k，L，

其中，L≥N，N为用户数，k＝1，2，…，K，K为子载频的总数；

③电话局端在第k个子载频上设置有一个用于抑制接收信号中的串音干扰的串音抑制滤波器，将该串音抑制滤波器的矩阵记为W_k，L，电话局端利用串音抑制滤波器抑制接收信号中的串音干扰，得到抑制掉串音干扰后的接收信号，将抑制掉串音干扰后的长度为L的接收信号的矩阵记为 ${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L},$ 其中，Y_k，L为电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵；

④根据X_k，L和利用最小二乘准则，定义

逼近于X_k，L的代价函数J_c(k)， $\begin{array}{c}{J}_c\left(k\right)={\left|\right|X_{k,L}-{\hat{X}}_{k,L}\left|\right|}_2\\ ={\left|\right|X_{k,L}-W_{k,L}{Y}_{k,L}\left|\right|}_2\end{array},$

然后根据代价函数J_c(k)得到W_k，L的最优解，最优解为 $W_{k,L}=\arg \min {\left|\right|X_{k,L}-W_{k,L}{Y}_{k,L}\left|\right|}_2=X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+},$ 其中，‖‖为范数符号，2代表二阶范数，Y_k，L ⁺为Y_k，L的广义逆矩阵， $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ Y_k，L ^T为Y_k，L的转置矩阵；

⑤根据 $W_{k,L}=X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+}$ 和 ${\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L},$ 得到 $\begin{array}{c}{\hat{X}}_{k,L}=W_{k,L}{Y}_{k,L}\\ =X_{k,L}{Y}_{k,L}^{+}{Y}_{k,L}\\ =X_{k,L}{Y}_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1}{Y}_{k,L}\end{array}$ ，其中，X_k，L为每个用户在第k个子载频上发送的长度为L的发送信号的矩阵，Y_k，L为电话局端在第k个子载频上接收到的长度为L的接收信号的矩阵，Y_K，L ⁺为Y_k，L的广义逆矩阵， $Y_{k,L}^{+}=Y_{k,L}^T{\left(Y_{k,L}{Y}_{k,L}^T\right)}^{-1},$ Y_k，L ^T为Y_k，L的转置矩阵。

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