CN102474409A - 用于mimo系统的近端串话减少 - Google Patents
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Abstract
提供了用于在MIMO系统的网络元件中进行数据处理的方法和设备,其中,减少了在MIMO系统的协作网络元件处的近端串话;并且其中频带被至少部分地用于上游和下游业务。此外,提出了干扰抵消器和通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及用于在MIMO系统的网络元件中进行数据处理的方法和设备。
背景技术
DSL或xDSL是通过本地电话网的导线来提供数字数据传输的一系列技术。
不对称数字订户线(ADSL)是一种形式的DSL,使得能够通过铜电话线实现比常规话带调制解调器能够提供的更快的数据传输的数据通信技术。此类快速传输是通过利用通常未被语音电话呼叫使用的频率、特别是比正常人听力更高的频率实现的。
VDSL(甚高速DSL)是通过导线的单个双绞线来提供更快的数据传输的xDSL技术。在约300米(1000 ft)的范围处实现高比特率,其允许具有对称接入的26 Mbit/s或具有不对称接入的在下游多达52Mbit/s-在上游12Mbit/s。
当前,标准VDSL使用多达4个不同的频带,两个用于上游(从客户端至电信提供商)且两个用于下游。
根据其高带宽,VDSL能够通过单个连接来支持类似于HDTV的应用,以及电话服务(例如IP语音)和一般因特网接入。
VDSL2(第二代甚高速数字订户线)也是一种接入技术,其利用最初被用于简单老式电话服务(POTS)的铜导线的现有基础设施。其可以从中央局(CO)、从优选地位于客户前端附近的光纤馈电柜或在建筑物内部署。VDSL2被设计为支持诸如语音、视频、数据、高清晰度电视(HDTV)和交互式游戏之类的Triple Play服务的广泛部署。VDSL2使得运营商和承运商能够逐渐地、灵活地且成本高效地将现有xDSL基础设施升级。
ITU-T G.993.2(VDSL2)是对G.993.1(VDSL)的增强,其允许使用多达30MHz的带宽在双绞线上进行多达200Mbit/s的不对称和对称(全双工)聚合数据率的传输。
此类xDSL宽带调制方案易受到被引入双绞传输线并被调制解调器接收到的串话干扰。
串话在耦合导线(特别是在被用于单独信号传输的相同或邻近捆束的导线对之间)时发生。因此,来自一个或多个源的数据信号可能被叠加在数据信号上并污染数据信号。串话包括近端串话(NEXT)和远端串话(FEXT)。
基于此类串话,通过双绞线传送的数据信号可能因在相同和/或邻近多芯电缆或捆束中的一个或多个相邻双绞电话线上产生的串话干扰而大大地降级。在增加的传输速度的情况下,此问题甚至劣化,这可能显著地限制将经由单线传送的最大数据率。
多输入多输出系统(在下文中称为MIMO系统)在现代通信技术中具有显著的重要性。此类MIMO系统允许对电信系统的串话干扰进行建模。
然而,要被完全计算的MIMO系统意味着可能由于现有硬件而受到限制的巨大处理努力。
xDSL(例如ADSL、ADSL2、ADSL2+、VDSL、VDSL2等)特别地利用离散多音(DMT)调制作为传输技术。所述DMT调制类似于正交频分复用(OFDM)。
DSL还使用频分双工(FDD),从而为不同传输方向(上游/上行链路和下游/下行链路)的信号分配不同的频带。由于带宽的这种分离,减少了上游/上行链路与下游/下行链路信号之间的干扰和/或使所述干扰最小化,即避免和/或减少了回波(从发送信号到接收信号或网络元件的干扰)和近端串话(来自其它调制解调器的发送信号的在其自己的接收信号上的干扰)。
然而,这种方法显著地限制了DSL系统的频谱效率和灵活性,因为用于上游传输的频带不可用于下游传输且反之亦然。
DSM L3是主要影响VDSL2调制解调器的技术。其被用来通过减少相互干扰来增强VDSL2调制解调器的性能。这由发送和接收的协调来实现。
现有解决方案仍带有NEXT的缺点,这显著地使重叠DSL系统的性能劣化。
发明内容
要解决的问题是克服上述缺点和限制且特别地增强MIMO系统的频谱效率。
可应用的MIMO系统可以特别地是MIMO无线系统或具有DSM L3的xDSL系统。
根据独立权利要求的特征来解决此问题。其它实施例是由从属权利要求产生的。
为了克服此问题,提出了用于在MIMO系统的网络元件中进行数据处理的方法,
—其中,减少了在MIMO系统的协作网络元件处的近端串话;以及
—其中,频带被至少部分地用于上游和下游业务。
因此,MIMO系统的网络元件可以是协作网络元件。
所提供的方法允许利用用于上游业务和下游业务两者的频带。MIMO系统可以是无线或有线通信系统。MIMO系统可以特别地包括被连接到若干个CPE的CO、DSLAM或ONU,其中,可以利用CO、DSLAM或ONU处的调制解调器作为合作区域(被所述协作网络元件覆盖)。近端串话特别地基于从下游业务至上游业务的干扰。
由于协作网络元件知道下游业务,所以能够在协作网络元件处识别并减少或补偿所述下游业务对上游业务的影响(“回波”)。这有利地允许将频带用于上游和下游业务,因为能够在协作网络元件处抵消(或在相当大的程度上减少)上游和下游业务之间的任何干扰。
本文提供的方法可以应用于无线或有线通信系统。特别地,具有两个或更多协作发射机和/或接收机的所有通信系统都可以利用本文给出的方法。
发射机和/或接收机之间的协作帮助避免远端干扰(FEI)、减少扰动并因此增强系统在数据率、裕度、到达范围等方面的性能。
在一个实施例中,将频带完全用于上游和下游业务。
因此,可以将公共频带用于上游和下游业务。
在另一实施例中,与下游业务相比,用减少的功率来传送上游业务。
在以低功率传送上游业务的情况下,借助于回波抵消来增强信噪比。
在又一实施例中,通过确定多用户回波的估计、特别地通过确定被反射到至少一个上游接收信号中的至少一个下游发送信号的估计来减少近端串话。
可以通过利用MIMO信道估计算法(例如LMS算法、LMA或RLS算法)来确定此类估计。
以下也是一个实施例,
—确定减小所述Frobenius范数或其任何导数或使所述Frobenius范数或其任何导数最小化的估计。
根据一个实施例,MIMO系统的协作网络元件包括与一个协作区域相关联的若干个发射机,特别是若干个收发机。
应注意的是所述协作区域可以包括被部署在一个CO、ONU和/或DSLAM内的若干个调制解调器。协作区域的组件可以被多用户协调利用。
根据另一实施例,收发机是DSL环境的调制解调器或无线环境的组件。
应注意的是DSL环境指的是可应用的任何现有的和未来的数字订户线技术,例如ADSL、ADSL2、ADSL2+、VDSL、VDSL2。DSL环境可以特别地提供动态频谱管理(DSM)服务。
无线环境可以被至少一个基站(或利用合作天线的合作基站或网络元件)支持。
在另一实施例中,DMT或OFDM被用于在上游和/或下游方向上传送业务。
根据下一个实施例,将协作网络元件部署在通信网络的两侧处。
因此,要求频带的完全重叠以及没有关于功率减少的限制,因为能够在MIMO系统的两侧上高效地减少或补偿NEXT。
还由一种设备来解决上述问题,所述设备包括被布置为使得可在其上执行本文所述方法的处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑器件和/或与所述处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑器件相关联。
根据一个实施例,所述设备是通信设备,特别是网络元件、协作网络元件、基站、中央局、数字订户线接入复用器、光网络单元或其任何组合或与所述通信设备,特别是网络元件、协作网络元件、基站、中央局、数字订户线接入复用器、光网络单元或其任何组合相关联。
还由包括被布置为使得可在其上执行本文所述的方法的处理能力的干扰抵消器或预编码单元来解决上述问题。
进一步由包括如本文所述的设备的通信系统来解决在前所述的问题。
附图说明
在以下图中示出并举例说明本发明的实施例:
图1示出包括中央局CO(可以将其实现为光网络单元ONU)的典型DSL配置的示意图,所述中央局CO包括若干个调制解调器,其中,所述调制解调器经由电缆扎线带(binder)连接到若干个客户前端设备CPE;
图2示出具有各种天线的示意图,其描绘了在没有任何协调的情况下具有许多用户的方案中的传输和干扰;
图3示出具有各种天线的示意图,描绘了在具有协调的情况下具有许多用户的方案中的传输和干扰;
图4示出使包括US和DS接收信号上的干扰和发送信号的频分双工可视化的功率对于频率图;
图5示出使具有一侧协作的频分双工可视化的功率对于频率图,其中,FEI被完全抵消;
图6示出使具有一侧协作且具有张量回波抵消的频分双工可视化的功率对于频率图,其中,FEI被全部抵消且NEI在US接收信号中被抵消;
图7示出使具有一侧协作且具有多用户回波抵消器的重叠传输系统可视化的功率对于频率图,其中FEI被全部抵消且NEI在US接收信号中被抵消。与FDD方法相比,US和DS的频谱效率更高很多,其中总干扰没有增加。
具体实施方式
本文提供的解决方案提出一种实现多用户回波抵消(其特别地可以基于DSM L3)的新技术。
此外,提出了一种用于在DSL传输中分配谱功率的概念,所述概念基于所述多用户回波抵消。
图1示出包括中央局CO 101(可以将其实现为光网络单元ONU)的典型DSL配置的示意图,所述中央局CO 101包括若干个调制解调器102至104。CO 101的调制解调器102至104经由电缆扎线带105连接到若干个客户前端设备CPE 106至108。特别地,调制解调器102被连接到CPE 106,调制解调器103被连接到CPE 107且调制解调器104被连接到CPE 108。
从CO朝向CPE传送的业务称为下游(或下行链路)业务,并且沿相反方向、即从CPE至CO传送的业务称为上游(或上行链路)业务。
远端串话(FEXT或FEI)是在远离发射机的电缆的端部处测量的一个电缆中的两个双绞线(pairs)之间的干扰。近端串话(NEXT或NEI)是在(最)接近于发射机的电缆的端部处测量的一个电缆中的两个双绞线之间的干扰。
根据当前的DSL概念,每个调制解调器102至104充当独立的实体且因此具有其发送信号的准确知识和接收信号的随机知识。此类随机知识源于接收信号受到噪声和/或干扰的影响的事实。
根据DSM L3,在CO 101处提供DSM调制解调器的完全合作。因此,在CO 101处,每个发射机可以不仅具有其自己的传送信号的完整和准确知识,而且还具有DSM群组内的其它调制解调器的传送信号的完整和准确知识。
这允许即从单个用户方案至多用户协调的范例的变化。
关于DSM群组,可以将信号的相关群组视为单个多维信号。因此,可以将在单用户情况下被视为来自未知信号的干扰的NEXT视为回波,即多维接收信号上的多维发送信号的一部分的返回。因此,在DSM L3方案中,可以将NEXT减少至多用户回波。如果回波的源是众所周知的,则能够实现高效率回波抵消。
由于DMT,可以将DSL传输构造为一组独立传输,每个传输是在DMT子载波上传送的。因此,可以将其信道模型假设为基于每个载波的频域表示。在DSM L3的情况下且因为由干扰引起的不同调制解调器的互相关,可以一起考虑所有此类DSM调制解调器。有利地,仍可以应用每个载波表示。
可以将用于单个载波的信道模型表示为:
y=H·u+E·d+n,
其中
y是CO处的接收信号矢量,
u是(将在CO处解码的)上游发送矢量,
d是下游发送矢量,
n是(多维)噪声,
H是用于上游传输和远端串话(FEXT)的MIMO信道矩阵,
E是表示多用户回波的矩阵,即被反射到上游接收信号中的下游发送信号的一部分。
特别地,矩阵E的主对角线上的元素是直接路径的反射系数,而非对角线元素表示用于CO侧的各双绞线之间的NEXT传递函数(从上游接收信号上的下游信号引起的NEXT)。
考虑到发送矢量d中的信号是已知的,由于多用户回波抵消器确定(多维)信号y',可以去除所反射的NEXT分量:
y'=y-F·d=H·u+E·d-F·d+n
其中,F是表示多用户回波的矩阵E的估计。
可以经由类似于最小均方(LMS)、最小二乘算法(LSA)或递归最小二乘法(RLS)的MIMO信道估计算法的利用来获得此估计矩阵F。
有利地,估计矩阵E是简单明了的,因为矢量d是已知的。在矩阵F接近于矩阵E的情况下(即在相当正确的估计的情况下),可以将矢量y'表示为
y'=y-F·d≈H·u+n
并且几乎所有回波和NEXT被抵消。因此,使用矢量y'进行的上游发送矢量u的解码允许有比使用矢量y更高的信噪比(SNR)。
由于固有地缺少DSL系统模型的对称性(协同定位出现在CO/ONU侧,而CPE通常没有被相互接近地部署),所以回波抵消可以应用于上游接收信号。然而,考虑典型的DSL应用,下游增强具有显著的重要性,因为典型方案意味着与返回CO相比朝向CPE传送更多的业务。
为了在两个(上游和下游)传输方向上分配回波抵消的益处,可以使用与FDD不同的传输技术。
特别地,从上游至下游引起的NEXT(用DSM L3可能不能将其抑制)应尽可能小,其中,应将整个可用频带用于下游传输。并且—如果可能的话—应将整个可用频带用于上游传输。
在不利用FDD的情况下,可以通过减少上游信号的传输功率来减少NEXT(从上游至下游)。然而,争取高的上游性能。
因此,提出的概念可以提供低功率上游信号和较高功率(与上游信号的功率相比)的下游信号的(完全)频带重叠。
可以用低功率来传送上游信号,因为借助于回波抵消增强了SNR。此外,使用整个可用带宽允许每个载波的功率显著地小于在相当的FDD方案中要求的功率,虽然给定上游目标数据率可与FDD方案相当。提出的方法的另一优点是在下游信号上引起的NEXT仍是低的,并且因此下游传输间接地受益于多用户回波抵消器的优点。
另一方面,由于多用户回波抵消,高功率下游信号不与低功率上游信号相干扰。
有利地,多用户回波抵消器可以利用例如17-30 MHz的频带。
张量-回波抵消器
使得能够基于利用张量信号和张量回波抵消的协作来实现多用户回波抵消也是一个选择。将提供一种用于基于前述张量回波抵消在MIMO传输系统中分配谱功率的方法。
协作是MIMO系统的显著特征。此类协作允许使概念范例从单用户(每个调制解调器或每个天线,通常为每个用户)转变成多用户协调或通信。因此,可以通过以协调方式进行发送或接收来改善通信系统的性能。
图2示出具有各种天线的示意图,其描绘了在没有任何协调的情况下具有许多用户的方案中的传输和干扰。天线201向天线203和天线206传送有用信号且天线202向天线204和天线205传送有用信号。除了有用信号之外,在天线201与天线204和205之间以及天线202与天线203和206之间引入干扰。
图3示出具有各种天线的示意图,其描绘了在具有协调的情况下具有许多用户的方案中的传输和干扰。在上面的图2中引入了天线。然而,在图3中,对天线201和202进行分组或协调(由框301指示)且因此借助于预处理和/或抵消来抑制(或减少)干扰。因此,基于此类示例性单侧协调,能够通过利用将多个发送和/或接收信号视为单个多维信号的适当发送和/或解码技术来避免(或减少)FEXT。在图2的单用户概念中,每个发送器/接收机作为独立实体进行操作且因此仅了解其自己的发送信号并具有接收信号的随机知识(此类随机知识基于接收信号受到噪声和/或干扰的影响的事实)。
然而,根据多用户概念,至少在通信系统的一侧上提供发射机和/或接收机的增强(特别是全面)合作。在DSM L3的情况下,可以在CO/ONU侧上应用合作。对于无线系统而言,可以提供与基站或经由不同基站的协作。在本文中,将提供协作的一侧称为CO(可应用于DSL),其中,此概念还应用于无线方案(出于协作目的利用例如基站)。
在协作侧,每个发射机可以不仅具有其自己的传送信号的完全且(大致准确的)知识,而且还具有协作群组中的(所有)其它发射机/接收机的传送信号的完全且(大致准确的)知识。因此,不仅对于单个用户而言,而且对于若干个用户而言,协调是可能的。因此,单个发送/接收信号变成用张量表示的单个多维信号。
在基本情况下,信号可以是二维张量x j,m。然而,信号很可能具有更高的维度;在这种情况下,相应地应用提供的方法。
在此,使用通常在物理学中使用的张量标记法的标记法和惯例,包括爱因斯坦求和约定。
因此,
x j,m是二维空间-时间或空间-频率张量信号,其中
x是二维发送信号,
j是空间域中的逆变指标,并且
m是时间或频率域中的逆变指标。
在全双工方案中,存在一组四个信号:
其中
x是二维发送信号,
y是二维接收机信号,
(u)指示上游方向,以及
(d)指示下游方向。
所选的逆变表示不限制这种方法的一般性。可以容易地导出具有逆变表示的双重算法。
此等式利用爱因斯坦的求和约定。张量n k,n表示多维加性白高斯噪声。
利用解码算法,可以确定包含在中的信息。
由于已经减去由反射信号产生的噪声,所以解码时的效率比在没有回波抵消的情况下更高许多。可以利用此附加效率,例如通过以较高的数据率传送,通过以减少的能量和/或用降低的比特误差率(BER)来传送或通过其任何组合。
。
张量信号e k,n的Frobenius范数等于:
作为公共最优化技术,可以确定导数,并且可以将该导数设置为零以找到最大值或最小值。还有可能使剩余误差最小化。特别地,可以使用随机梯度算法来连续地确定最优化的解。
通过将梯度设置为零来确定最优化的解。为了对结果得到的方程组求解,可以应用许多不同的技术。例如,可以采用随机梯度算法。为了正确地表示该问题的递归解,可以添加表示迭代数目的左侧下标。因此,更新的等式可以是以下递归等式:
因此,可以有利地利用对上游接收信号进行回波抵消的方法(在DSL方案中在CO处或者在无线环境中在基站处)。然而,如上文所讨论的,还可以出于下游系统性能的目的高效地利用这种方法。
可视化:从FDD至具有回波抵消的重叠频带
图4示出使包括US和DS接收信号上的干扰和发送信号的频分双工可视化的功率对于频率图。
图5示出使具有一侧协作的频分双工可视化的功率对于频率图,其中,FEI被完全抵消。
图6示出使具有一侧协作且具有张量回波抵消的频分双工可视化的功率对于频率图,其中,FEI被全部抵消且NEI在US接收信号中被抵消。
图7示出使具有一侧协作且具有多用户回波抵消器的重叠传输系统可视化的功率对于频率图,其中FEI被全部抵消且NEI在US接收信号中被抵消。与FDD方法相比,US和DS的频谱效率更高很多,其中总干扰没有增加。
为了在两个传输方向上分配回波抵消器的益处,提出了一种不同于FDD(图4)的传输技术。特别地,从US至DS引起的NEI(其可能未被一侧协作抑制,如图5和图6所示)应尽可能小,但是仍可以将整个可用频带用于DS传输以及—如果可能的话—还用于US传输。
在不利用FDD的情况下,可以通过减少上游信号的传输功率来减少NEXT(从上游至下游)。然而,争取高的上游性能。因此,提出的概念提供了如图7所示的低功率上游信号和较高功率下游信号的全频带重叠。
可以用低功率来传送上游信号,因为借助于回波抵消增强了SNR。此外,使用整个可用带宽允许每个载波的功率显著地小于在相当FDD方案中要求的功率,虽然给定上游目标数据率与FDD方案相当。提出的方法的另一优点是在下游信号上引起的NEXT仍是低的,并且因此下游传输间接地受益于多用户回波抵消器的优点。
另一方面,由于多用户回波抵消,高功率下游信号不与低功率上游信号相干扰。
此外,回波抵消器的很有前景的应用可以是在两侧上具有协作的多天线/多用户系统,其在有限的功率减少或没有任何功率减少的情况下提供频带的重叠。
其它优点:
可以以硬件和/或软件实现这种解决方案。在高性能硬件的情况下,软件水平上的实现可能是有利的,例如,用DSM L3控制器的软件或用DSLAM的软件。
该方法允许DSL系统的增强的频谱效率并改善在上游和下游方向上的性能。可以容易地执行在协作侧(例如在CO或ONU处)的升级或修改,不要求硬件变化。
缩写列表:
BER 比特误差率
BS 基站
CO 中央局
CPE 客户前端设备
DMT 离散多音调制
DS 下游/下行链路信号
DSL 数字订户线
DSLAM 数字订户线接入复用器
DSM L3 动态频谱管理第三级
FDD 频分双工
FEI 远端干扰
FEXT 远端串话
IFT 逆傅立叶变换
LMS 最小均方
LSA 最小二乘算法
MIMO 多输入多输出
NEI 近端干扰
NEXT 近端串话
OFDM 正交频分复用
ONU 光网络单元
RLS 递归最小二乘
SNR 信噪比
US 上游/上行链路信号
xDSL 各种种类的DSL
Claims (15)
1.一种用于在MIMO系统的网络元件中进行数据处理的方法,
—其中,减少了在MIMO系统的协作网络元件处的近端串话;以及
—其中,频带被至少部分地用于上游和下游业务。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,频带被完全用于上游和下游业务。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,与下游业务相比,用减少的功率来传送上游业务。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,通过确定多用户回波的估计、特别地通过确定被反射到至少一个上游接收信号中的至少一个下游发送信号的估计来减少近端串话。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,MIMO系统的协作网络元件包括与一个协作区域相关联的若干个发射机,特别地若干个收发机。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述收发机是DSL环境的调制解调器或无线环境的组件。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,DMT或OFDM被用于在上游和/或下游方向上传送业务。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,协作网络元件被部署在通信网络的两侧处。
12.一种设备,包括被布置为使得能够在其上执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法的处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑器件和/或与所述处理器单元和/或硬接线电路和/或逻辑器件相关联。
13.根据权利要求12所述的设备,其中,所述设备是通信设备,特别地是网络元件、协作网络元件、基站、中央局、数字订户线接入复用器、光网络单元或其任何组合,或者所述设备与通信设备,特别地网络元件、协作网络元件、基站、中央局、数字订户线接入复用器、光网络单元或其任何组合相关联。
14.一种干扰抵消器或预编码单元,包括被布置为使得能够在其上执行根据前述权利要求1至11中的任一项所述的方法的处理能力。
15.包括根据权利要求12至14中的任一项所述的设备的通信系统。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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