CN102355282B - 一种数字用户线系统中用户下线时的串音抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字用户线系统中用户下线时的串音抑制方法，通过充分利用原信道和用户下线前的串音滤波器的信息(即串音滤波矩阵)实现用户下线后串音滤波矩阵的自更新，利用更新后的串音滤波矩阵抑制用户端发送的发送信号在传输过程中受到的串音干扰，不仅能够完全抑制用户下线后新干扰环境下的串音干扰，从而改善信道的传输性能，而且本发明方法避免了重复使用现有的迫零算法去抑制用户下线后新干扰环境下的串音干扰，因而大大降低了计算复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种串音抑制方法，尤其是涉及一种数字用户线系统中用户下线时的串音抑制方法。
背景技术
电报、电话的发明开辟了通信技术的新时代，随着电话业务的高速发展，公共交换电话网络(PSTN，Public Switched Telephone Network)已经遍布全球，成为通信网的重要组成部分。在众多的广域网技术中，通过PSTN进行互连通信的费用最低，同时PSTN的网络资源利用率也比较低。为了充分利用PSTN的频谱资源，Bellcore发明了数字用户线(DSL，Digital Subscribe Line)接入技术，拓展了PSTN的发展和应用空间。
DSL技术经过多年发展，信道的传输速率已经有了很大提高，但随着现代社会对信息的需求越来越大，特别是流媒体业务的兴起，迫使人们去寻找一种更高效的技术，能提供更高的传输速率。甚高速数字用户环路(VDSL，Very-high-bit-rate Digital SubscriberLoop)技术是解决最后一公里的有效技术，2006年推出的第二代VDSL(即VDSL2)，利用光纤到路边(FTTC，Fiber To The Curb)或光纤到楼宇(FTTB，Fiber To The Building)，在300m内能实现双向对称的100Mbps的高速数据传送，因此其成为DSL接入技术的热点研究和应用方向。
串音(Crosstalk)是影响VDSL2传输速率的主要因素。以电话线为基础的接入网中，同一条铅包电缆中有50～100对铜双绞线。当用户通过铜双绞线传递信号时，就会对周围用户产生电磁耦合干扰，这种干扰被称为串音。串音根据传输方向的不同可以分为近端串音(NEXT，NearEnd Crosstalk)和远端串音(FEXT，FarEnd Crosstalk)，NEXT是指干扰线的发送端靠近被干扰线的接收端，干扰信号反向传播给被干扰线的接收端，即被干扰用户与干扰用户的数据传输方向相反；FEXT是指相同传输方向上相邻线路的干扰，即被干扰用户与干扰用户的数据传输方向相同，如图1所示。VDSL2在上行和下行传输方向分别采用频分双工(即不同频段)技术可以有效避免NEXT，而FEXT与各线路上的有用信号处于同一频段，因此FEXT不能通过频分双工的办法来消除。在VDSL2中，由于电话局端(CO，Central Office)或光网络单元(ONU，Optical NetworkUnit)到用户的传输距离较短，FEXT干扰依然很严重，通常比背景噪声强10dB～20dB左右，因此如何快速有效地抑制串音干扰是保证VDSL2高速传输的关键。
VDSL2采用离散多音调制(DMT，Discrete Multi-tone modulation)技术，DMT技术将整个30MHz带宽分成6000多个很窄的独立的子信道，自适应加载不同的比特率，充分挖掘每个子信道的传输能力。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，电话局端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。
假设在同一个铅包电缆中有M对铜双绞线，现有N(N＜M)个用户在线，采用DMT调制将信道分成K个子载频，则在第k个子载频上的接收信号用向量的形式可表示为：yk＝HN，kxk+nk，其中，k＝1，2，...，K，HN，k是第k个子载频上的传输信道矩阵，
表示第k个子载频上用户发送的信号向量，
表示第k个子载频上电话局端接收的信号向量，
表示第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。
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WN，k作用于电话局端的接收信号yk来抑制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(ZF，Zero-forcing)算法，其优点是能够完全的抑制串音，从而使得信道的传输性能大大改善，但迫零算法的计算复杂度与用户数成立方关系，且VDSL2系统的子载波个数较多，因此迫零算法会产生巨大的计算复杂度。已有的关于迫零算法的研究仅仅讨论了接入网中用户不变的情况，而对于用户变化的情况目前还未有报道，然而在实际系统中，用户随时可能上线和下线，导致串音环境发生变化，这时需要及时抑制新干扰环境下的串音干扰，而重复使用迫零算法必然产生巨大的计算量而致使系统反应缓慢。因此设计一种用户下线时抑制串音的快速实现方法具有重要的实际意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在有用户下线时的新干扰环境下，能够快速有效抑制串音干扰的自更新串音抑制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种数字用户线系统中用户下线时的自更新串音抑制方法，其特征在于包括以下步骤：
①设一个铅包电缆中具有M对铜双绞线，且数字用户线系统初始时有N个用户在线，数字用户线系统采用离散多音调制技术将信道分成K个子载频；
②对于第k个子载频，将第k个子载频上的信道传输矩阵记为HN，k，
然后采用迫零算法计算得到第k个子载频上的串音滤波矩阵，记为WN，k，
其中，k∈[1，K]，hij(j≠i)表示第j个用户对第i个用户产生的串音干扰，hii表示第i个用户的信道脉冲响应，1≤i≤N，1≤j≤N，为HN，k的逆矩阵；
③设当前检测到有l个用户同时下线，将同时下线的l个用户的序号依次表示为n1、n2、…、nl，1≤n1＜n2＜…＜nl≤N，对HN，k进行初等行列变换，得到初等行列变换后的第k个子载频上的信道传输矩阵，记为H′N，k，
对WN，k进行初等行列变换，得到初等行列变换后的第k个子载频上的串音滤波矩阵，记为W′N，k，
其中，1≤p≤l，In为N阶矩阵，In的第n行第n+1列的元素、第n+1行第n列的元素及除第n行和第n+1行外的行对角线的元素均为1，其余元素均为0，n∈[1，N-1]；
④将l个用户同时下线后的第k个子载频上的信道传输矩阵记为HN-l，k，将l个用户同时下线后的第k个子载频上的串音滤波矩阵记为WN-l，k，WN-l，k＝E+EU(I-FU)-1F，U＝H′N，k(1:N-l，N-l+1:N)，E＝W′N，k(1:N-l，1:N-l)，F＝W′N，k(N-l+1:N，1:N-l)，其中，I为l阶单位矩阵，H′N，k(1:N-l，N-l+1:N)表示H′N，k中位于第1行至第N-l行且位于第N-l+1列至第N列的元素构成的子矩阵，W′N，k(1:N-l，1:N-l)表示W′N，k中位于第1行至第N-l行且位于第1列至第N-l列的元素构成的子矩阵，W′N，k(N-l+1:N，1:N-l)表示W′N，k中位于第N-l+1行至第N行且位于第1列至第N-l列的元素构成的子矩阵；
⑤用户端通过信道HN-l，k将发送信号传输给电话局端，电话局端利用WN-l，k抑制用户端发送的发送信号在传输过程中受到的串音干扰；
⑥令N＝N-l，HN，k＝HN-l，k，WN，k＝WN-l，k，当检测到有用户下线时，返回步骤③继续执行。
所述的步骤③中对HN，k进行初等行列变换的具体过程为：先提出第nl行的元素，将第nl+1～N行的元素依次向上移一行，提出的第nl行的元素移到第N行，提出第nl列的元素，将第nl+1～N列的元素依次向左移一列，提出的第nl列的元素移到第N列；再提出第nl-1行的元素，将第nl-1+1～N-1行的元素依次向上移一行，提出的第nl-1行的元素移到第N-1行，提出第nl-1列的元素，将第nl-1+1～N-1列的元素依次向左移一列，提出的第nl-1列的元素移到第N-1列；依此类推，最后提出第n1行的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向上移一行，提出的第n1行的元素移到第N-l+1行，提出第n1列的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向左移一列，提出的第n1列的元素移到第N-l+1列；
所述的步骤③中对WN，k进行初等行列变换的具体过程为：先提出第nl行的元素，将第nl+1～N行的元素依次向上移一行，提出的第nl行的元素移到第N行，提出第nl列的元素，将第nl+1～N列的元素依次向左移一列，提出的第nl列的元素移到第N列；再提出第nl-1行的元素，将第nl-1+1～N-1行的元素依次向上移一行，提出的第nl-1行的元素移到第N-1行，提出第nl-1列的元素，将第nl-1+1～N-1列的元素依次向左移一列，提出的第nl-1列的元素移到第N-1列；依此类推，最后提出第n1行的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向上移一行，提出的第n1行的元素移到第N-l+1行，提出第n1列的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向左移一列，提出的第n1列的元素移到第N-l+1列。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过充分利用原信道和用户下线前的串音滤波器的信息(即串音滤波矩阵)实现用户下线后串音滤波矩阵的自更新，利用更新后的串音滤波矩阵抑制用户端发送的发送信号在传输过程中受到的串音干扰，不仅能够完全抑制用户下线后新干扰环境下的串音干扰，从而保持了现有的迫零算法的性能，而且本发明方法避免了重复使用现有的迫零算法去抑制用户下线后新干扰环境下的串音干扰，因而大大降低了计算复杂度。
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为实施例中用户分布拓扑结构图；
图4为实施例中1个用户下线后分别利用本发明方法和现有的迫零算法抑制串音干扰的数据速率的比较示意图；
图5为实施例中2个用户同时下线后分别利用本发明方法和现有的迫零算法抑制串音干扰的数据速率的比较示意图。
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。
本发明提出的一种数字用户线系统中用户下线时的串音抑制方法，其主要包括以下步骤：
①假设一个铅包电缆中具有M对铜双绞线，且数字用户线系统初始时有N个用户在线，数字用户线系统采用离散多音调制技术将信道分成K个子载频。
②对于第k个子载频，将第k个子载频上的信道传输矩阵记为HN，k，
由于用户端通过传输信道(第k个子载频上的信道传输矩阵为HN，k)传输到达电话局端的发送信号会受到串音干扰的影响，因此本发明方法初始时采用现有的迫零算法计算得到第k个子载频上的串音滤波矩阵，记为WN，k，
电话局端利用串音抑制滤波器(第k个子载频上的串音滤波矩阵为WN，k)抑制接收信号中的串音干扰，其中，k∈[1，K]，hij(j≠i)表示第j个用户对第i个用户产生的串音干扰，hii表示第i个用户的信道脉冲响应，1≤i≤N，1≤j≤N，
为HN，k的逆矩阵。
③设当前检测到有l个用户同时下线，将同时下线的l个用户的序号依次表示为n1、n2、…、nl，1≤n1＜n2＜…＜nl≤N，如n1表示同时下线的l个用户中的第1个用户，如果数字用户线系统中的第1个用户仍在线，而第2个用户下线了，则n1＝2。对HN，k进行初等行列变换，得到初等行列变换后的第k个子载频上的信道传输矩阵，记为H′N，k，
对WN，k进行初等行列变换，得到初等行列变换后的第k个子载频上的串音滤波矩阵，记为W′N，k，
其中，1≤p≤l，In为N阶矩阵，In的第n行第n+1列的元素、第n+1行第n列的元素及除第n行和第n+1行外的行对角线的元素均为1，其余元素均为0，n∈[1，N-1]。
在此，对HN，k进行初等行列变换的具体过程为：先提出第nl行的元素，将第nl+1～N行的元素依次向上移一行，提出的第nl行的元素移到第N行，提出第nl列的元素，将第nl+1～N列的元素依次向左移一列，提出的第nl列的元素移到第N列；再提出第nl-1行的元素，将第nl-1+1～N-1行的元素依次向上移一行，提出的第nl-1行的元素移到第N-1行，提出第nl-1列的元素，将第nl-1+1～N-1列的元素依次向左移一列，提出的第nl-1列的元素移到第N-1列；依此类推，最后提出第n1行的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向上移一行，提出的第n1行的元素移到第N-l+1行，提出第n1列的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向左移一列，提出的第n1列的元素移到第N-l+1列。
在此，对WN，k进行初等行列变换的具体过程为：先提出第nl行的元素，将第nl+1～N行的元素依次向上移一行，提出的第nl行的元素移到第N行，提出第nl列的元素，将第nl+1～N列的元素依次向左移一列，提出的第nl列的元素移到第N列；再提出第nl-1行的元素，将第nl-1+1～N-1行的元素依次向上移一行，提出的第nl-1行的元素移到第N-1行，提出第nl-1列的元素，将第nl-1+1～N-1列的元素依次向左移一列，提出的第nl-1列的元素移到第N-1列；依此类推，最后提出第n1行的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向上移一行，提出的第n1行的元素移到第N-l+1行，提出第n1列的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向左移一列，提出的第n1列的元素移到第N-l+1列。
④将l个用户同时下线后的第k个子载频上的信道传输矩阵记为HN-l，k；将l个用户同时下线后的第k个子载频上的串音滤波矩阵记为WN-l，k，WN-l，k＝E+EU(I-FU)-1F，U＝H′N，k(1:N-l，N-l+1:N)，E＝W′N，k(1:N-l，1:N-l)，F＝W′N，k(N-l+1:N，1:N-l)，其中，I为l阶单位矩阵，H′N，k(1:N-l，N-l+1:N)表示H′N，k中位于第1行至第N-l行且位于第N-l+1列至第N列的元素构成的子矩阵，W′N，k(1:N-l，1:N-l)表示W′N，k中位于第1行至第N-l行且位于第1列至第N-l列的元素构成的子矩阵，W′N，k(N-l+1:N，1:N-l)表示W′N，k中位于第N-l+1行至第N行且位于第1列至第N-l列的元素构成的子矩阵。
⑤用户端通过信道HN-l，k将发送信号传输给电话局端，电话局端利用WN-l，k抑制用户端发送的发送信号在传输过程中受到的串音干扰。
⑥令N＝N-l，HN，k＝HN-l，k，WN，k＝WN-l，k，当检测到有用户下线时，返回步骤③继续执行。
本发明方法和现有的迫零算法均是在频域中进行的，因此信道传输矩阵是复矩阵。由于乘除运算复杂度远大于加减运算，因此在此讨论的计算复杂度用现有的迫零算法和本发明方法的乘除运算次数表示，并只统计一个子载频上的乘除运算次数。假设有l个用户下线后，继续采用迫零算法共需要4(N-l)3次乘除运算；而本发明方法仅需要4(2(N-l)2l+2(N-l)l2+l3)次乘除运算，其中，N为数字用户线系统初始时在线的用户数。比较上述的计算复杂度可知，减少用户数l＜N/3时，本发明方法比继续采用迫零算法的计算复杂度小，特别是当N较大，l相对N较小时，计算复杂度减少非常大。而在实际数字用户线系统中，多个用户同时下线的概率很低，因此本发明方法能够快速实现用户下线时的串音抑制。为了使结果更加具体，表1分别列出了100个用户在线，1个、5个、10个用户同时下线时，-个子载频上重复利用现有的迫零算法和利用本发明方法抑制串音干扰的计算量，表中p-OL表示有p个用户下线。
在本实施例中，仿真采用France Telecome(法国电信部)提供的实测数据，上行频带划分采用3.75MHz～5.2MHz、8.5MHz～12MHz和18.1MHz～30MHz，线路长度分别有75m、150m、300m、600m四种，仿真的用户分布拓扑结构如图3所示，仿真信道初始时，用户1、用户2、用户3、用户5、用户6、用户7在线。在仿真中，上行传输段的功率谱选为-50db，噪声功率谱选为-140db，子载频间距为8.625KHz，符号速率为7KHz。
图4给出了用户6下线后，采用本发明方法和重复采用现有的迫零算法进行串音抑制的数据速率；图5给出了用户2、6同时下线后，采用本发明方法和重复采用现有的迫零算法进行串音抑制的数据速率。分析图4和图5可知，采用本发明方法抑制串音后得到的各个用户的数据速率与使用现有的迫零算法抑制串音后各个用户的数据速率完全相同，可以推出本发明方法不会导致迫零算法串音抑制性能的损失。
表1迫零算法和本发明方法的计算量比较表
| 算法 | 迫零算法 | 本发明方法 |
| 1-OL/次 | 3881196 | 19604 |
| 5-OL/次 | 3429500 | 90500 |
| 10-OL/次 | 2916000 | 164000 |
Claims (2)
1.一种数字用户线系统中用户下线时的串音抑制方法，其特征在于包括以下步骤：
①设一个铅包电缆中具有M对铜双绞线，且数字用户线系统初始时有N个用户在线，数字用户线系统采用离散多音调制技术将信道分成K个子载频；
②对于第k个子载频，将第k个子载频上的信道传输矩阵记为HN，k，
然后采用迫零算法计算得到第k个子载频上的串音滤波矩阵，记为WN，k，
其中，k∈[1，K]，hij(j≠i)表示第j个用户对第i个用户产生的串音干扰，hii表示第i个用户的信道脉冲响应，1≤i≤N，1≤j≤N，
为HN，k的逆矩阵；
③设当前检测到有l个用户同时下线，将同时下线的l个用户的序号依次表示为n1、n2、…、nl，1≤n1＜n2＜…＜nl≤N，对HN，k进行初等行列变换，得到初等行列变换后的第k个子载频上的信道传输矩阵，记为H′N，k，
对WN，k进行初等行列变换，得到初等行列变换后的第k个子载频上的串音滤波矩阵，记为W′N，k，其中，1≤p≤l，In为N阶矩阵，In的第n行第n+1列的元素、第n+1行第n列的元素及除第n行和第n+1行外的行对角线的元素均为1，其余元素均为0，n∈[1，N-1]；
④将l个用户同时下线后的第k个子载频上的信道传输矩阵记为HN-l，k，将l个用户同时下线后的第k个子载频上的串音滤波矩阵记为WN-l，k，WN-l，k＝E+EU(I-FU)-1F，U＝H′N，k(1:N-l，N-l+1:N)，E＝W′N，k(1:N-l，1:N-l)，F＝W′N，k(N-l+1:N，1:N-l)，其中，I为l阶单位矩阵，H′N，k(1:N-l，N-l+1:N)表示H′N，k中位于第1行至第N-l行且位于第N-l+1列至第N列的元素构成的子矩阵，W′N，k(1:N-l，1:N-l)表示W′N，k中位于第1行至第N-l行且位于第1列至第N-l列的元素构成的子矩阵，W′N，k(N-l+1:N，1:N-l)表示W′N，k中位于第N-l+1行至第N行且位于第1列至第N-l列的元素构成的子矩阵；
⑤用户端通过信道HN-l，k将发送信号传输给电话局端，电话局端利用WN-l，k抑制用户端发送的发送信号在传输过程中受到的串音干扰；
⑥令N＝N-l，HN，k＝HN-l，k，WN，k＝WN-l，k，当检测到有用户下线时，返回步骤③继续执行。
2.根据权利要求1所述的一种数字用户线系统中用户下线时的串音抑制方法，其特征在于所述的步骤③中对HN，k进行初等行列变换的具体过程为：先提出第nl行的元素，将第nl+1～N行的元素依次向上移一行，提出的第nl行的元素移到第N行，提出第nl列的元素，将第nl+1～N列的元素依次向左移一列，提出的第nl列的元素移到第N列；再提出第nl-1行的元素，将第nl-1+1～N-1行的元素依次向上移一行，提出的第nl-1行的元素移到第N-1行，提出第nl-1列的元素，将第nl-1+1～N-1列的元素依次向左移一列，提出的第nl-1列的元素移到第N-1列；依此类推，最后提出第n1行的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向上移一行，提出的第n1行的元素移到第N-l+1行，提出第n1列的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向左移一列，提出的第n1列的元素移到第N-l+1列；
所述的步骤③中对WN，k进行初等行列变换的具体过程为：先提出第nl行的元素，将第nl+1～N行的元素依次向上移一行，提出的第nl行的元素移到第N行，提出第nl列的元素，将第nl+1～N列的元素依次向左移一列，提出的第nl列的元素移到第N列；再提出第nl-1行的元素，将第nl-1+1～N-1行的元素依次向上移一行，提出的第nl-1行的元素移到第N-1行，提出第nl-1列的元素，将第nl-1+1～N-1列的元素依次向左移一列，提出的第nl-1列的元素移到第N-1列；依此类推，最后提出第n1行的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向上移一行，提出的第n1行的元素移到第N-l+1行，提出第n1列的元素，将第n1+1～N-l+1行的元素依次向左移一列，提出的第n1列的元素移到第N-l+1列。
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| Title |
|---|
| 俞苗亮等.基于串音抑制和动态频谱管理的复合型算法.《杭州科技大学学报》.2007,第2-7段. |
| 基于串音抑制和动态频谱管理的复合型算法;俞苗亮等;《杭州科技大学学报》;20071031;第2-7段 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102355282A (zh) | 2012-02-15 |
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