CN114844528A - 用于在线上实施高速波导传输的系统和方法 - Google Patents

Abstract

各种实施例描述了用于实施使用跨越导线的波导模式传输的高速传输系统的通信系统。在某些示例中，通信系统使用导线对作为以高频率和高速度发射数据的“波导”。通过采用诸如表面波和全内反射(TIR)波的各种形式的波传播来发射数据。

Description

用于在线上实施高速波导传输的系统和方法

本申请是2018年5月2日提交的申请号为201880017852.8、名称为“用于在线上实施高速波导传输的系统和方法”的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求以下各专利申请的权益和优先权：于2017年5月3日提交的、题为“SYSTEMS AND METHODS FOR IMPLEMENTING HIGH-SPEED DSL SYSTEMS”的临时专利申请No.62/500,951(案卷号107P)；于2017年5月10日提交的、题为“SYSTEMS ANDMEHODS FOR IMPLEMENTING HIGH-SPEED DSL SYSTEMS”的临时专利申请No.62/504,453(案卷号108P)；于2017年5月31日提交的、题为“TERABIT DSLs”的临时申请No.62/513,227(案卷号109P)；以及于2017年6月1日提交的、题为“TESTING OF WAVEGUIDE-MODE DSLCHANNELS”的临时专利申请No.62/513,834(案卷号110P)，由此通过引用的方式将上述全部专利申请的全部内容结合于本文中。

技术领域

本公开涉及有线通信系统，并且更具体而言，涉及用于使用导线上的波导模式传输实施高速数据传输系统的系统和方法。

背景技术

数字用户线(DSL)是一种使用铜质电话网络基础设施的通信技术。双绞线使用横向电磁(TEM)模式(或者相当于环路电流TEM模式)承载电磁波，其中横向电场由尖端和环形导线之间的电势差产生，并且横向磁场由尖端和环形导线之间的传导电流产生。DSL速度在从500Kbps到5Gbps的范围内。

尽管随着技术的改进DSL的速度一直在增加，但是在历史上DSL速度慢于基于光纤线缆(或简称光纤)的通信技术，因为双绞线在用作传输线时由于在高频下的大传播损耗而不能支持大带宽。目前，大多数DSL系统以传输线模式在低于200MHz-800MHz的频率进行操作；因此，使用的最大传输线模式带宽小于800MHz。单股光纤具有比单根双绞线更高的容量，因为典型的光纤通信系统在大约300THz进行操作，这比当前DSL传输线模式所使用的频率高约1,000,000倍。另外，光纤安装成本通常非常昂贵，而DSL系统使用现有的铜双绞线基础设施，以使得部署成本通常要低得多。通常，光纤的较高速度对用户业务的优势不足以证明较高的安装费用是合理的。

附图说明

下面将参考本公开的实施例，其示例可以在附图中示出。这些图旨在说明而非限制。尽管在这些实施例的上下文中一般性地描述了本公开，但是应该理解，并不旨在将本公开的范围限制于这些特定实施例。

图1示出了根据本公开的实施例的下游网络环境的示意图。

图2示出了根据本公开的实施例的上游网络环境的示意图。

图3A示出了沿着方向3-3截取的图1中的线缆的截面图。

图3B示出了根据本公开的实施例的线缆的局部剖视图。

图3C示出了根据本公开的实施例的线缆的局部剖视图。

图4示出了图3中的线缆的一部分的放大视图，示出了线缆中的波导。

图5示出了根据本公开的实施例的发射器中的多个天线。

图6A示出了根据本公开的实施例的安装在导线上的各种类型的天线。

图6B示出了根据本公开的实施例的沿着方向6B-6B截取的天线的截面图。

图6C示出了根据本公开的实施例的沿着方向6C-6C截取的天线的截面图。

图7A示出了根据本公开的实施例的沿着图1中的方向7-7截取的导线对上的天线的结构。

图7B示出了根据本公开的实施例的沿着图1中的方向7-7截取的导线对上的天线的结构。

图7C示出了根据本公开的实施例的沿着图1中的方向7-7截取的导线对上的天线的结构。

图8A示出了根据本公开的实施例的子载波频率的示意图。

图8B示出了根据本公开的实施例的以子载波频率进入线缆的多个预编码波导模式信号。

图9A示出了根据本公开的实施例的下游发射器的功能图。

图9B示出了根据本公开的实施例的上游接收器的功能框图。

图10示出了根据本公开的实施例的用于对通信系统进行初始化的说明性过程的流程图。

图11示出了根据本公开的实施例的用于发射数据的说明性过程的流程图。

图12A示出了根据本公开的实施例的通过连接器连接到另一对导线的一对导线的示意图。

图12B示出了根据本公开的实施例的图12A中的连接器的截面图。

图12C是根据本公开的实施例的绞接器的放大图。

图12D示出了根据本公开的实施例的连接器的截面图。

图12E是根据本公开的实施例的反射器的放大图。

图13示出了根据本公开的实施例的单个导线上的数据速率与环路长度的曲线图。

图14示出了根据本公开的实施例的两个双绞线上的数据速率与环路长度的曲线图。

图15示出了根据本公开的实施例的在各种频率的每个接收器的数据速率作为环路长度的函数的曲线图。

图16是根据本公开的各种实施例的示例性系统。

图17示出了根据本公开的各种实施例的每个家庭的数据速率作为环路长度的函数的曲线图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的理解。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践本公开。此外，本领域技术人员将认识到，下面描述的本公开的实施例可以以各种方式实施，诸如过程、设备、系统、装置、或有形的计算机可读介质上的方法。

图中所示的部件是本公开的示例性实施例的说明，并且旨在避免模糊本公开。还应该理解，在整个讨论中，部件可以被描述为可以具有子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到，各种部件或其部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或部件中。应该注意，本文讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以用软件、硬件或其组合来实施。

此外，本领域技术人员应认识到：(1)可以任选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文所阐述的特定顺序；以及(3)某些步骤可以以不同的顺序执行，包括同时完成。

说明书中对“一个实施例”，“一实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本公开的至少一个实施例中并且可以是在多于一个的实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”，“在一实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的一个或多个实施例。

在常规DSL系统中，连接每侧上的收发器(发射器/接收器)的导线对充当传输线；由每个发射器施加的电压通过该导线对传播，并在另一端由相应的接收器读取。相反，本发明的各种实施例公开了使用相同的导线对作为以更高的频率和更高的速度发射数据的“波导”。通过采取各种形式(例如表面波和全内反射(TIR)波)的波传播来发射数据。

为了提高通信速度，提出了使用铜导线的波导模式以接近THz频率进行的数据传输。可以实施使用沿着表面传播或平行于单个直导线传播的波导模式来发射数据的系统。在实施例中，发射器可以沿着导线将表面波发送到接收器，其中导线可以包括导体芯。在接近THz频率，导线可以引导表面波的传播，其中由金属表面上的电子(称为表面等离子体激元)的集合的重新分布产生轴向电场，并且由位移电流产生横向磁场。与当前DSL在低频下的传输线模式方法不同，在接近THz频率下的这种模式几乎没有分散并且只有较少的路径损耗。数据传输速率可以与光纤当前使用(或预期使用)的数据传输速率相当。该系统可以在空气中工作得相当好，并且导线周围的电介质(塑料)绝缘体可以改善传输性能。然而，表面波倾向于从弯曲的导线“转向”并且能量损耗到空间中，即，导线的弯曲可能导致由于能量泄漏而引起的所接收的信号强度的衰减。此外，将两个波导绞接在一起是困难的，因为这需要仔细对准两个波导的中心轴。

其他波导模式包括TE1、TIR、TM2、TE2和等离子体TEM、以及表面波。当传输线缆中存在多于一种金属导体时，可以存在这些波导模式。有些波导模式可能比表面波更少转向，但可能具有更多或更少的衰减。所有这些将一起被称为“波导模式”，并且在不同模式之间可能存在显著的重叠以及串扰。有效地为每个用户使用这些模式的全部或一些而没有串扰并且充分减少由于“转向”而导致的能量损耗的能力将是本领域的重大进步。波导模式信号被定义为根据上述任何波导模式进行传播的信号。

在实施例中，发射器(例如DSLAM)可以位于远离接收器(例如CPE)处。发射器和接收器之间的导线可以具有大量的弯曲和绞接点，并且除非防止能量损耗，否则接收器处的波导模式信号可能变得太弱。在实施例中，已经实施了可以减少单个导线的纵向曲率和绞接的影响的以波导模式发射数据的方法。

图1示出了根据本公开的实施例的下游网络环境10的示意图。如图1所描绘的，发射器12可以经由线缆16同时向一个或多个接收器14.1.1-14.2L.p发射数据。存在多达L对导线，并且因而存在2L个导线，其中每个导线具有p个波导传输模式。在发射器侧使用的波导模式的数量p可能与在接收侧使用的波导模式的数量不同，但通常它们将是相同的。发射器12可以是光纤馈电点，例如但不限于数字用户线接入多路复用器(DSLAM)、光网络单元(ONU)、光线终端(OLT)、分配点单元(DPU)、分配点、终端、机柜、远程终端。发射器12可以具有多个天线13.1.1-13.2L.p，其中存在多达L对导线，并且因而存在2L个导线，其中每个导线具有p个波导传输模式。接收器14.1.1-14.2L.p中的每个可以是个体的客户所在地设备(CPE)，例如“网关”、或网络终端，并且位于客户的位置。接收器14.1.1-14.2L.p中的每个具有(一个或多个)接收天线15.1.1-15.2L.p，其中存在多达L对导线，并且因而存在2L个导线，其中每个导线具有p个波导传输模式。每个导线可以支持多个同时传输的波导模式：例如前面提到的TM10、TE10、等离子体TEM、以及可能的附加模式，例如TM2,0或TE20模式。整个线缆可以支持TIR模式，特别是当该线缆具有金属屏蔽件时。每个传输模式可以由其自己的天线进行发射和接收。

如图1所示，网络环境10可以类似于常规DSL传输系统。在实施例中，线缆16可以使用网络线来维持在用于标准模拟基带电话服务的传统电话线中进行的投资。然而，与常规DSL传输系统不同，发射器12和接收器14.1.1-14.2L.p使用沿着线缆16传播的波导模式信号来传送数据。

图2示出了根据本发明的实施例的上游网络环境11的示意图。如所描绘的，发射器CPE可以使用其天线17.1.1-17.2L.p经由线缆16向具有天线18.1.1-18.2L.p的接收器发送信号。在实施例中，图1中的发射器12中的天线可以用作图2中的接收天线，并且图1中的CPE中的天线可以用作图2中的传输天线。

图3A示出了沿着方向3-3截取的图1中的线缆16的截面图。如图3A所示，线缆16可以覆盖有金属屏蔽件17和PVC(聚氯乙烯)护套19并且包括多个导线21，其中每对(或四线组(quad))导线23可以是扭曲/弯曲的并且从发射器12延伸到相应的接收器。出于说明的目的，假设每个接收器仅使用一对导线。然而，对于本领域普通技术人员来说应显而易见的是，每个接收器可以使用多于一对的导线，特别是在有多于一对的通往住宅(用户所在地)的用户引入线的情况下。

每个导线21可以包括覆盖有绝缘体24的导体芯22，其中绝缘体24可以由塑料、纸或橡胶状聚合物形成。气隙26可以代表导线之间的非导电空间。对于本领域普通技术人员来说应显而易见的是，线缆16可以包括适当数量的导线。在实施例中，一对导线(相当于“导线对”或“双绞线”)延伸到每个用户所在地。

图3B示出了根据本公开的实施例的线缆162的局部剖视图。如所描绘的，线缆162可以包括多个导线164，其中导线164没有扭曲。图3C示出了根据本公开的实施例的线缆166的局部剖视图。如所描绘的，线缆166可以包括多个双绞线168，其中每个双绞线可以延伸到每个用户所在地。可以将4个导线构成的组(四线组)扭曲在一起并在不同的对或四线组上具有不同的扭曲率。

图4示出了图3中的线缆的一部分的放大视图。在实施例中，气隙26和绝缘体24可以形成用于波导模式传输波的波导28，即，导体芯22可以限定波导28，波导模式信号通过波导28沿着线缆16的纵向方向进行传播。在实施例中，线缆16可以包括大量波导28，这些波导28稍微平行但可以在许多地方彼此相交。

在实施例中，当波导模式沿着线缆16传播时，每个波导28中的气隙26可以扭曲，并且因此可以不是三角形的。在实施例中，一对导线可以具有与其他对导线不同的每单位长度的扭曲率。气隙26可以经历几何变换，因为它们在线缆的每个横截面中采用不同的形状，并且导线21的位置可以相对于彼此改变。还应注意，只要导线21彼此靠近以使得铜芯22可以在它们沿着线缆16传播时引导波导模式，导线21就不需要是成对并扭曲的。

在实施例中，线缆16可以具有沿其纵向方向的多个弯曲部分。通过每个波导28行进的一些波导模式可以在每个扭曲/弯曲部分处从波导“转向”。然而，在实施例中，大量导体芯22(和波导28)的存在可以允许捕获并重新组合串扰(使电磁波转向)。换句话说，线缆16可以在不同用户的波导模式传输之间以及在同一用户的那些模式之间形成富散射串扰系统的等效物。在实施例中，金属屏蔽件17可以促进任何转向波的捕获和重新组合，因为当波平行于线缆的长度传播时，波被金属屏蔽件反射并且返回到其他导体而不是逃离线缆，该逃离将以其他方式导致能量损耗。在实施例中，反射波形成TIR模式，其类似于光纤线缆中的TIR模式。在实施例中，如图4所示，当导线成对地扭曲在一起时，气隙可以具有从任何一个气隙点到任何其他气隙点的空气路径，但是相对于其他对几乎是随机的。

波导模式传输不同于通过线缆16中的成对的导线21以TEM模式传输数据的常规DSL传输，并且波导模式传输需要环路电流和导线之间的终端电阻。在实施例中，可以沿波导28以波导模式发射数据。波导模式在截止频率之上传播，截止频率大约为100GHz，并且当被视为多元波导时，对于大多数双绞线线缆，截止频率可以低于2THz。在实施例中，每对具有两个导线，并且这些导线中的每者可以支持一种或多种传输或偏振波导模式，例如等离子体TEM和TM模式。对于L对(2L个导线)中的每者，可以同时使用数量为p的传输模式，与使用单个模式的传输速度相比，使传输速度提高大约p倍。在实施例中，还可以支持沿波导28的TIR、TE2和TM2传输模式，从而增加p的值。

在实施例中，本公开可以包括用于弯曲导线中的每个的波导模式和矢量化信号处理的组合，以为用户/导线中的每者、任一者和/或一些/全部利用这些波导模式(例如TM、等离子体TEM、TIR、TM2等)的各种组合。在实施例中，对于典型的电话线，可以发现支持足够信号强度的带宽处于在几百GHz范围内的频率。在实施例中，导体芯22的半径“r1”(如图4所示)典型地为0.2mm-0.3mm。在实施例中，绝缘体24的半径“r2”(如图4所示)略大。

图5示出了根据本公开的实施例的发射器12中的多个天线25。图6A示出了根据本公开的实施例的可以将信号耦合到导线的各种类型的天线。图6B示出了根据本公开的实施例的沿着方向6B-6B截取的天线的截面图。图6C示出了根据本公开的实施例的沿着方向6C-6C截取的天线的截面图。在实施例中，天线38a-38d中的每一个可以是偶极子；它们可以由导电金属形成，并且可以用作传输天线和/或接收天线。通常，这可以由两根平行的导线制成，跨所述两根平行的导线感应出电磁场。在该双平行导线实施例中，天线38a-38d中的每一个可以光电导耦合，这通过从近红外激光数据调制信号产生在这些平行的导线上碰撞的电磁波而使波导模式传输与导体相关联。通过将电磁波的偏振与波导模式对准，可以提高从信号源到导线的耦合效率。例如，可以通过径向偏振的电磁波有效地激发TM模式；因此，天线结构可以包括将源电磁波的偏振转换为另一种偏振(例如径向偏振)的偏振器。在(接近)THz频率，电磁波表现得像光一样。通过使用将电磁波聚焦到波导中的期望位置的透镜，可以提高从信号源到导线的耦合效率。例如，通过将电磁波聚焦在导线表面上可以有效地激发TM模式。

如图6A所示，可以对应于图5中的天线25的一个或多个天线38a-38e可以安装在导线21上，其中天线38a-38e中的每个可以用于发射和/或接收波导模式信号。选择图6A中的天线在导线上的位置仅用于说明。天线之间的距离可以与图6A中所示的不同。通常，天线被放置在线缆的端部附近。而且，取决于传输模式的类型，可以确定每个天线的形状和尺寸。例如，天线38a-38c可以具有环形形状(或圆环形状)，而天线38a-38c的外径可以根据传输模式的类型而变化。在另一个示例中，天线38d和38e可以具有“蝴蝶结”形状。本领域技术人员将认识到，可以根据各种实施例修改天线形状，并且图6A中所示的那些形状仅是示例。另外，本领域技术人员将认识到，天线相对于导线可以位于各种位置，例如天线定位在导线周围并且物理地接触电介质，天线可以定位在导线或电介质周围但不物理地接触导线或电介质，天线定位为远离导线的边缘或允许信号被该天线本身检测到的任何其他位置。在某些实施例中，可以从导线移除电介质以允许根据上述的某些实施方式来定位天线以发射或检测信号。

图6B示出了根据本公开的实施例的三个光电导天线38a-38c。如所描绘的，每个天线可以包括两个同心的非接触导线并且发送波导模式信号。在实施例中，两个同心的非接触导线彼此大致平行。在实施例中，可以以同心的方式围绕导线21设置多于两个的环形非接触光电导天线。

图6C示出了根据本公开的实施例的两个光电导天线38d和38e。如所描绘的，天线38d和38e中的每一个可以包括两个非接触导线，并且两个非接触导线可以彼此大致平行。在实施例中，每个天线可以具有蝴蝶结形状并且位于远离导线21的远端处。

如上所述，在实施例中，每个天线25可以沿着相应的波导28以一种波导模式发射信号，所述波导模式例如TE、TM、等离子体TEM、TE2或TM2模式。照此，每个导线21可以用于以TM模式发射第一载波频率上的第一波导模式信号，并且以等离子体TEM发射第二载波频率上的第二波导模式信号，其中第一载波频率可以与第二载波频率相同或不同。在实施例中，来自每个天线25的波导模式信号的幅度和相位可以由发射器12的预编码器控制，即，预编码器可以通过以下方式执行矢量化信号处理以协调以不同的波导模式进入(多个)波导的信号，使得在每个接收器处出射的相应信号适合于检测：例如通过调整信号功率和/或通过对准从不同波导模式接收的信号的相位，和/或通过消除该接收器不打算接收的、使用不同传输模式发送的信号。在实施例中，例如，预编码器可以控制波导模式发射的信号的相位和幅度，使得与每个导线或波导28相关联的波导模式在特定角度经历相长干涉，而该波导模式的信号在其他角度经历相消干涉。

图7A示出了根据本公开的实施例的沿图1中的方向7-7截取的天线的结构。出于说明的目的，假设接收器14.1.1-14.2L.p中的每一个可以使用双绞线导线，即使每个接收器可以使用其他适当数量的导线对。如所描绘的，天线40可以围绕一对导线21以接收由该对导线引导的波导模式信号，并且天线40包括两个非接触的环形导线。

在实施例中，波导可以由每个导线以及导线之间的间隙形成。每个这样的波导可以支持多种传输模式。传输模式可以包括TM1,0和等离子体TEM，并且还可以包括诸如包括TM2模式、TIR模式、和TE模式的其他TM模式的附加模式。

图7B示出了根据本公开的实施例的沿着图1中的方向7-7截取的导线对上的天线的结构。如所描绘的，两个单独的天线41可以安装在每个导线21上。在实施例中，两个天线41中的每一个可以包括两个非接触的环形导线。图7C示出了根据本公开的实施例的沿着图1中的方向7-7截取的导线对上的天线的结构。如所描绘的，天线42中的每一个可以具有蝴蝶结形状并且包括可以彼此大致平行的两个非接触的导线。在实施例中，天线42可以设置为远离导线21的远端。

在图6A-图7C中，每个天线接收由一个或两个导线引导的波导模式信号。然而，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，每个天线可以围绕其他合适数量的导线以捕获波导模式信号。此外，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，每个天线需要连接到将电磁波转换为电信号(例如电压或电流)的负载。例如，通过将电磁波暴露于光电探测器，可以将(接近)THz频率的电磁波转换为电信号。

在实施例中，下游传输(其指的是从发射器12流向接收器14.1.1-14.2L.p的信息)可以使用矢量广播信道，而上游传输(其是指从与接收器14.1.1-14.2L.p并置的发射器流向与发射器12并置的接收器的信息)可以使用矢量多址信道。在实施例中，如果线缆16中的所有传输系统使用具有适当循环扩展的公共符号速率时钟或本领域公知的等价物，则可以在离散多音(DMT)传输系统的每个音调或子载波上独立地实施被称为“广义判决反馈均衡器(GDFE)”的特定传输处理方法。与简单地在宽带信道上传输相比，GDFE可以大大降低复杂性。在实施例中，下游系统可以使用非线性(或污纸)预编码器以及线性预处理矩阵，而上游系统可以在每个音调上独立地使用广义判决反馈(连续解码)法，其中对每个用户和每个音调的总体比特分配由众所周知的方法确定。

在实施例中，图1的系统10可以估算发射器和接收器的每个组合的总体信道响应，而不是引起干扰的每个段(例如两个导体的绞接、弯曲、接近等等)处的个体干扰响应。估算个体干扰响应可能非常困难，因为存在太多导致沿着线缆16的干扰的段。在实施例中，从发射器到接收器的能量流动路径可以类似于内部具有许多随机定位的孔的瑞士干酪。由于估算瑞士干酪中的孔的位置可能是不切实际的，因此估算每个耦合点处的干涉耦合是不切实际的。在实施例中，基于所估算的信道，GDFE可以找到最有效地传递能量的最佳传输配置。由于信道响应对于不同的线缆或不同的用途可以是不同的，因此在实施例中，可以使用自适应学习来估算信道。

在实施例中，可以对传输系统10采用其他传输处理方法，包括线性预编码和多输入多输出(MIMO)处理。在实施例中，还可以使用也将单个宽带信道划分成多个并行子载波的DMT的替代方案，其中替代方案可以包括正交频分复用(OFDM)、滤波器组、码分多址(CDMA)、单独的模拟信道和小波。在实施例中，这里描述的所有发射器和接收器处理可以在每个子载波上单独地执行。在实施例中，DMT的替代方案包括使用包含具有宽频谱的信号的脉冲的超宽带(UWB)方案。

在实施例中，系统10的表现可以是载波频率的函数。为了确定每个数据模式的优选载波频率，可以将频带划分成多个子载波频率，并且可以在每个子载波频率测量每个模式的传输速率。图8A示出了根据本公开的实施例的子载波频率804.1-804.N(或简称为子载波)的示意图。如所描绘的，频带802可以被划分成多个子载波频率。

图8B示出了根据本公开的实施例的以子载波频率804.1-804.N之一进入线缆16的预编码的波导模式信号的“波束图案”。如所描绘的，发射器12的预滤波器可以在所发射的波导模式通过调制器并到达天线25之前控制所发射的波导模式的幅度和相位，其中箭头806.1.1-806.2L.p中的每一个表示用于对应于用户14之一的数据传输的波导模式结果空间路径。可选地，在预滤波器之前可以存在(非线性)预编码器，该编码器有助于预先从不希望给特定用户所在地的任何其他用户的数据中减去在空间路径中已经存在的干扰。在实施例中，接收器14.1.1-14.2L.p中的每一个可以使用一对导线以用于与发射器12通信，其中L对中的每一对具有高达2p个波导传输模式，从而使用p个数据模式，即，总共2Lp个模式可以用于将数据发射到接收器14.1.1-14.2L.p。发射器12的预编码器可以在每个音调上将输入数据矢量乘以2Lp x 2Lp矩阵。该矩阵被称为预编码器系数矩阵(或简称为系数矩阵)810，其中系数矩阵810的每个元素是相应子载波上的波导模式信号的幅度和相位的复增益。

在实施例中，可以使用未连接到任何接收器的双绞线来发射或接收信号，特别是当未使用的双绞线和激活的双绞线之间的干扰很强时。使用未使用的线，增加了预编码器矩阵的维数以有利于设计最佳预编码器矩阵。

在实施例中，为了标识每个模式的优选子载波频率，发射器12可以执行初始化过程。在初始化过程期间，发射器12可以将系数矩阵810施加到天线25以发送探测序列(或定义的比特序列)，覆盖每个模式上的所有候选子载波频率804.1-804.N。然后，发射器12可以从接收器14.1.1-14.2L.p接收该模式的信道响应反馈。基于所接收的信道响应反馈，可以估算所有信道的信道响应和用于所有用户的所有模式之间的串扰响应。然后，基于所估算的信道和串扰响应，可以标识优选的子载波频率和可能的发射功率谱密度(PSD)。在完成初始化过程后，发射器12可以开始与接收器14.1.1-14.2L.p进行数据通信(反之亦然)。

图9A示出了根据本公开的实施例的下游发射器12的功能框图900。在实施例中，接收器14.1.1-14.2L.p可以被配置为处理不同传输模式中的数据。在实施例中，信道响应传输矩阵可以具有在其对角线元素上的主信道响应、以及在非对角线元素上的串扰信道响应。在实施例中，可以通过采用所定义的经调制的比特序列(探测序列)72的适当训练/初始化方法来自适应地学习用于接收器14.1.1-14.2L.p所使用的所有传输模式的集合的信道响应传输矩阵(或简称为传输矩阵)。在实施例中，可以基于在初始化过程期间所估算的所有信道的信道响应和所有信道对之间的串扰响应来确定传输矩阵。在实施例中，还可以使用数据导向反馈来计算传输矩阵，并且可以考虑噪声统计。所定义的比特序列72可以包括具有发射器12和接收器14.1.1-14.2L.p已知的序列的参考数据。

在常规DSL系统中，连接系统的两侧上的两个收发器的导线对被保证是这两个收发器之间的主通信信道。由围绕主导线对的其他导线引起的串扰信道将总是明显弱于主信道。这允许常规DSL系统使用利用主信道的训练/初始化过程来有效地学习主信道的特性和串扰信道的特性。

在这里公开的用于有线通信的基于波导的方法中，不能保证与主导线对相邻的波导将对应于两个收发器之间的主信道。这里描述的“瑞士干酪”波导通常将导致非常复杂的引导和反射波图案，这可能导致并非对角占优的、非常不同的传输信道矩阵。因此，常规初始化过程在该方法中可能不是有效的。

本文公开的本发明的一个实施例在初始化过程中使用利用线性传输介质的互易性的附加阶段来生成信道矩阵的第一近似。在该附加初始化阶段，位于客户所在地的收发器设备以不同频率发射已知的符号序列。在另一端所接收的信号提供了对应于该特定客户位置的主信道的良好的第一估算。通过扫描上游和下游频率这两者，该过程可以生成用于上游和下游信道的相应信道矩阵条目的良好的第一估算，即上游信道的相应列和下游信道矩阵的相应行的良好的第一估算。对每个客户所在地重复该过程将产生整个上游和下游信道矩阵的良好的第一估算。然后，可以在更传统的初始化方法中使用该估算，以更有效地生成上游和下游信道矩阵的精确估算。

在实施例中，初始化单元74可以使用所定义的比特序列72来执行初始化过程以确定传输矩阵，其中传输矩阵的每个元素代表传输天线13和接收器天线15.1.1-15.2L.p中的一个之间的模式信道的状态，即，传输矩阵的每个元素充当使通过相应信道发射的信号失真/恶化的一些因素。在实施例中，在训练/初始化期间或使用信道估算符号期间，接收器14.1.1-14.2L.p可以在每个子载波频率经由线缆16从每个传输天线接收所定义的比特序列72，确定接收器和传输天线之间的信道响应反馈68，并且将所确定的信道响应反馈68发送到信道响应反馈处理器66。

在实施例中，信道响应反馈处理器66可以通过反馈信号来处理所接收的信道响应反馈68，以估算所有信道的信道响应和所有信道对之间的串扰响应。然后，基于所估算的信道和串扰响应，信道响应反馈处理器66可以确定传输矩阵。在实施例中，预编码器64可以为所有有效子载波频率确定预编码器系数矩阵810，其控制要在信道上发射的波导模式信号的幅度和相位。信道响应反馈处理器66也可以涉及确定预编码器系数。在实施例中，信道响应反馈处理器66和预编码器64可以为每个信道标识优选的子载波频率，并且可能为每个信道标识发射功率谱密度(PSD)。预编码器64可以被构造为线性预编码器、迫零预编码器、最小均方误差(MMSE)预编码器、非线性预编码器、GDFE或用于在接收器处减少来自多输出发射器的串扰的其他结构。在实施例中，预编码器64可以包括非线性处理器和线性处理器。在实施例中，来自预编码器64的所有输出信号可以在时间上同步。

在实施例中，为了将传输输入数据60发射到接收器14.1.1-14.2L.p，输入数据可以由符号编码器62编码。在实施例中，符号编码器62可以使用各种类型的调制技术，例如正交幅度和相位调制(QAM)和正交相移键控(QPSK)，来调制传输输入数据60。而且，在实施例中，符号编码器62可以对传输数据60执行预补偿，使得可以补偿传输信号54在沿着线缆16行进期间的失真和衰减。然后，对于每个信道，预编码器64可以选择优选的子载波频率和系数矩阵810，并根据系数矩阵处理编码的输入数据。可以对应于天线25的天线阵列52可以通过线缆16将已处理的数据发射到接收器14.1.1-14.2L.p。

在实施例中，发射器12可以包括其他部件，例如用以将数字数据转换成模拟信号数模转换器、以及发射滤波。而且，预编码器64可以执行其他功能，例如预编码器排序。

图9B示出了根据本公开的实施例的上游接收器的功能框图920。在实施例中，上游接收器920可以被包括在与发射器12相邻处。如所描绘的，来自CPE(接收器)14.1.1-14.2L.p的信号可以经由线缆16来发射并由天线阵列52接收。在实施例中，一个或多个解调器82可以对所接收的上游DMT符号进行解码。矢量后消除器83可以去除信道之间的串扰。

在实施例中，符号解码器84可以从矢量后消除器83接受输出信号并估算所接收的符号，所接收的符号然后被作为所接收的上游数据85而输出。在训练阶段期间或在训练符号的接收期间，符号解码器84的输出85可以被反馈到估算信道和串扰响应的信道响应反馈处理器66。一些所接收的上游数据85可以携带下游信道和串扰响应的估算、或者下游所接收的误差信号的估算，所述下游所接收的误差信号对应于信道响应反馈并且被输入到下游信道响应反馈处理器66。下游和上游方向都可以在开销信号中还携带在每个子载波上为每个模式/用户发射的比特和增益的数量，这通常在DMT/多载波传输系统中完成(通常称为“比特交换”)。

图10示出了根据本公开的实施例的用于对通信系统进行初始化的说明性过程的流程图1000。在实施例中，初始化过程可以定期执行或者每当系统10发生变化时执行。过程1000在步骤1002开始。在1002，发射器12可以将探测序列(或者，定义的比特序列)72发送到接收器14.1.1-14.2L.p，覆盖每个信道上的所有候选子载波频率804.1-804.N。在实施例中，线缆16中的每个导线可以提供用于发射波导模式信号的两种或更多种模式。

在1004，对于每个信道，发射器12可以在每个子载波频率从每个接收器接收信道响应反馈。在步骤1006，基于所接收的信道响应反馈，可以估算所有信道的信道响应和所有信道对之间的串扰响应。然后，在步骤1008，基于所估算的信道响应和串扰响应，可以为每个信道标识有用的子载波频率。而且，可以为每个信道确定优选的子载波频率和优选的功率谱密度(PSD)(1008)。在步骤1010，对于每个信道，可以选择有用的子载波频率中的要用于发射数据的子载波频率。这些频率的集合可以重叠。

图11示出了根据本公开的实施例的用于发射数据的说明性过程1100的流程图。在步骤1102，符号编码器62可以对要经由线缆16发送到一个或多个接收器的一个或多个数据流进行编码。在实施例中，符号编码器62可以使用各种类型的调制技术，例如正交幅度和相位调制(QAM)和正交相移键控(QPSK)，来调制传输数据60。可选地，在步骤1104，预编码器64可以根据系数矩阵810对编码的数据流进行预编码。在步骤1105，调制器可以创建多载波符号并生成时域样本。然后，在步骤1106，可以通过线缆16中的多个波导模式信道在优选频率处发射多个预编码的数据流。

图12A示出了根据本公开的实施例的通过连接器90连接到另一对导线97的一对导线91的示意图。图12B示出了根据本公开的实施例的图12A中的连接器90的截面图。图12C是根据本公开的实施例的绞接器94的放大图。

如所描绘的，双绞线导线91(和97)可以包括两个导线，每个导线包括覆盖有绝缘体92的导体芯93。连接器90可以包括金属屏蔽件96、耦合导体芯93和95的绞接器94、以及填充屏蔽件96的内部空间的电介质材料99。屏蔽件96和电介质填充物99可以将第一对导线91和绞接器94牢固地固定到第二对导线97。

在实施例中，每个绞接器94可以具有中空的平截头体形状，其中每个绞接器的两端处的内径可以大于导体芯93和95的外径。绞接器94可以由比波导模式信号的若干趋肤深度更厚的金属形成。应注意，导体芯93的近端不需要接触导体芯95的远端，因为波导模式可以从导体芯93的近端行进几个波长。在实施例中，屏蔽件96与绝缘体92的重叠D2可以是波导模式信号的几个波长。

图12D示出了根据本公开的实施例的连接器100的截面图。连接器100可以类似于连接器90，不同之处在于反射器102可以被包括在连接器100中。图12E是根据本公开的实施例的反射器102的放大图。在实施例中，反射器102可以由金属形成并且具有中空的平截头体的形状。反射器102可以将波导模式信号104朝向连接器100的中心反射，如箭头104所指示的，使得相应的波被限制在反射器102内。

系统分析

出于说明的目的，已经执行了对系统性能的分析。

信道模型：

信道插入损耗可以通过常规传输线理论而被建模为在频率和距离上的长线性。与电话线相同直径的导体芯上的衰减系数的测量值可以表示为

H(f)＝exp(-0.05*(f/10¹¹)*d)Eq. (1)

其中d是以米为单位的直径，并且f是以Hz为单位的频率。

双绞线之间的串扰干扰可以是高度随机的并且取决于各导线对相对于彼此的扭曲。然而，在双绞线线缆模型中对数正态模型对于近似(当在分布的整体上取平均值时)串扰是众所周知的，其中从所有其他对到单个导线的串扰贡献可以表示为

X(f)＝10^(k/10)*exp(-0.05*(f/10¹¹)*d)Eq. (2)

其中k是对数正态分布，其中平均值为0db，并且方差为9.0db。

传输速度和本发明的改进

离散多音(DMT)系统在xDSL传输中普遍使用。该结构在本公开中再次使用，仅具有更宽的带宽，并且可以支持矢量化实施方式。构建并运行这里描述的系统的软件模拟。具体的模拟参数包括：

20dBm总传输功率，浮点发射PSD，

在60GHz至500GHz之间的范围内的频率带中的2048或4096个子载波，

具有各种子载波间隔，

比特加载从1到12比特/Hz，

在呈现结果之前去除10％物理层开销，

4.5db编码增益，1.5db实施损耗，

-160dbm/Hz背景AWGN，

100个信道，利用使用广义判决反馈均衡(GDFE)的非线性预编码器(NLP)或迫零线性解码器之一对矢量进行预编码，并假设理想信道估算。

对于上述模型，对于每个导线的每个偏振，在图13中示出结果数据速率。在图13中，上部曲线1302表示当使用非线性GDFE预编码器对下游信号进行预编码时，作为环路长度(以米为单位)的函数的每个信道的数据速率(以Tbps为单位)。同样地，下部曲线1304表示当使用线性预编码器对下游信号进行预编码时，作为环路长度(以米为单位)的函数的每个信道的数据速率(以Tbps为单位)。在图13中，数据速率是在100个信道上平均的数据传输速率。

图14示出了根据本公开的实施例的数据速率与环路长度的曲线图。在图14中，上部曲线1402表示当使用非线性GDFE预编码器对下游信号进行预编码时，作为环路长度(以米为单位)的函数的每个接收器的数据速率(以Tbps为单位)。同样地，下部曲线1404表示当使用线性预编码器对下游信号进行预编码时，作为环路长度(以米为单位)的函数的每个接收器的数据速率(以Tbps为单位)。在图14中，数据速率是在所有100个信道上平均的每个家庭的数据传输速率。由于每个家庭的电话线缆具有两个导线，并且每个导线可以具有两个传输信道(或模式)，因此图14中的数据速率大约是图13中的数据速率的4倍。

图15示出了根据本公开的实施例的每个接收器的数据速率作为环路长度(以米为单位)的函数的曲线图。使用非线性预编码器生成图15中的曲线。如所描绘的，三条曲线表示三个不同频率范围的数据速率：100GHz-500GHz(1502)、100GHz-300GHz(1504)和60GHz-120GHz(1506)，其中数据速率随着环路长度的增加而减小。

图16示出了根据本发明的各个方面的其中无线信号在空中接口之间发射并随后跨高速波导结构传送的系统。如图所示，该系统包括多个射频(RF)发射器1610a...1610k，从所述射频发射器发射无线信号。该无线信号在多个接收器天线处被接收，并由放大器1620a...1620k放大，并由多个调制器1630a...1630k调制。信号的速率可以根据本发明的不同实施例而变化。如图所示，这些示例性信号在近太赫兹和太赫兹频率范围内进行操作，但是本发明也支持其他频率。调制的信号被发射到活页夹波导(binder waveguide)1680，该活页夹波导1680根据上述各种方法将信号运送通过波导结构。

活页夹波导1680可以从其他源接收信号，所述其他源例如是所示的具有相应的RF放大器1670和调制器1675的接收器。本领域技术人员将认识到，本发明的不同实施例可以支持大量的信号源。

活页夹波导1680的输出可以与一个或多个路径接口连接以进一步处理信号。在该示例中，输出耦合到与由无线发射器1610a...1610k发射的无线信号相对应的多个基带下转换路径。这些路径中的每一个可以包括各种部件，包括解调器1650a...1650k、RF接收器1660a......1660k和相应的基带接收器1690。本领域技术人员将认识到，其他部件也可以被包括在上转换和下转换中。

在本发明的各种实施例中，调制器1630a和解调器1650a将RF无线电信号转换为在活页夹波导1680上承载的频率。以上描述了活页夹波导1680在结构上和功能上的各种实施例。信号可以在适合于导线波导接口的频率和适合于无线电接口的频率之间转变。上转换是将一组频率转变到较高频带的过程，并且下转换是将一组频率转变到较低频带的过程。可以执行附加的调制/解调步骤，使得调制格式适合于无线电接口上的RF，并且调制格式适合于导线上的波导传输。还可以存在附加的信号处理，例如对导线波导的输入和输出进行预编码和后消除。在替代方案中，除了利用天线将导线波导信号直接耦合到无线电接口，可能没有电转换。在实施例中，使用模拟调制器和模拟解调器。然后，RF Rx 1至RF Rx N的输出端处的所接收的信号可以被写为下式：

其中H1,mk是RF Tx k和RF amp m之间的信道；H2,kn是第k个THz调制器和第n个THz解调器之间的基带信道。如果N>＝M>＝K并且如果HI和H2是满秩矩阵，则H2*H1是满秩；因此，RF Tx和RF Rx对将组合信道视为无线MIMO信道，并且标准MIMO算法可以施加到RF Tx和RF Rx，而不需要THz mod/demod中的任何信号处理。该实施例和类似实施例通过组合RF和波导MIMO处理而提供了简化的水平。通过使用具有较长范围的活页夹波导来承载RF信号，可以显著增加通信系统的范围。这些之间的范围或结构是可能的，利用电气装置执行一些功能并且被动地执行一些功能。

在导线上发射的波导模式可以用于利用转换到在每个房间或区域中提供无线覆盖的无线电系统、或从在每个房间或区域中提供无线覆盖的无线电系统进行转换来在整个建筑物或校园环境中分配高频信号。以上提供了这些模式的示例。

本领域技术人员将认识到在基站、微蜂窝塔、Wi-Fi接入点、远程无线电头端(RRH)、基带单元(BBU)、移动交换中心等之间采用高速连接的优势，其中可以提供这些装置之间的信息交换或协调以优化网络性能。例如，在基站可以协调一个或多个小区内的上行链路和下行链路通信的5G的情况下，在这些基站之间交换数据的速率对于确保正确操作是重要的。另外，这种点对点通信可以至少部分地利用已经安装的现有导线/线缆。上述通信技术的使用可以应用于当今和未来无线系统中的其他回程系统，其将通过利用先前安装的线缆和导线来允许更高效且更快地部署更高速的系统。

图17示出了根据本公开的各种实施例的作为环路长度的函数的每个家庭的数据速率曲线图。在该示例中，使用非线性预编码器来生成具有与图13-图15所示的模拟相同的模拟的曲线图，除了假设低速率调制可以支持在适当范围内的比特加载(例如，0-12比特/Hz)。此外，发射光谱针对长距离应用进行了优化。

本公开的实施例可以在具有用于一个或多个处理器或处理单元的指令的一个或多个非暂时性计算机可读介质上编码，以使得执行步骤。应注意，一个或多个非暂时性计算机可读介质应包括易失性和非易失性存储器。应注意，替代的实施方式是可能的，包括硬件实施方式或软件/硬件实施方式。可以使用ASIC、可编程阵列、数字信号处理电路等来实现硬件实施的功能。因此，任何权利要求中的“手段”术语旨在涵盖软件和硬件实施方式。类似地，本文使用的术语“一种或多种计算机可读介质”包括具有在其上体现的指令程序的软件和/或硬件，或其组合。考虑到这些实施方式替代方案，应理解，附图和所附说明提供了本领域技术人员为执行所需的处理而编写程序代码(即，软件)和/或制造电路(即，硬件)所需的功能信息。

应当注意，本公开的实施例还可以涉及具有非暂时性、有形计算机可读介质的计算机产品，所述计算机可读介质上具有用于执行各种计算机实施的操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是为本公开的目的而专门设计和构造的那些，或者它们可以是相关领域的技术人员已知或可获得的类型。有形计算机可读介质的示例包括但不限于：磁性介质，例如硬盘、软盘和磁带；光学介质，例如CD-ROM和全息设备；磁光介质；以及被专门配置为存储代码或用于存储并执行程序代码的硬件装置，例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、闪存装置、以及ROM和RAM装置。计算机代码的示例包括诸如由编译器产生的机器代码、以及包含由计算机使用解释器执行的更高级代码的文件。本公开的实施例可以整体或部分地被实施为机器可执行指令，其可以在由处理装置执行的程序模块中。程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、部件和数据结构。在分布式计算环境中，程序模块可以物理地位于本地、远程或两者的环境中。

本领域技术人员将认识到，没有计算系统或编程语言对于本公开的实践是关键的。本领域技术人员还将认识到，上述的许多要素可以物理地和/或功能地分成子模块或组合在一起。

本领域技术人员将理解，前述示例和实施例是示例性的而不是限制本公开的范围。本领域技术人员在阅读说明书和研究附图时领会到的对本公开的所有置换、增强、等同、组合和改进都包括在本公开的真实精神和范围内。

Claims (18)

1.一种数据发射装置，包括：

发射器，用于通过传输介质发射数据承载信号，所述传输介质具有波导特性并且支持多个波导模式，所述发射器包括预编码器，所述预编码器对信号进行预编码以在多个天线上传输并且激励所述多个波导模式中的第一波导模式；

所述多个天线基于训练方法将所预编码的信号发射到所述传输介质上，所述训练方法通过所述多个天线发射多个信号以确定优选的预编码器参数；以及

其中，所述传输介质包括至少一个导线，所述第一信号至少部分地围绕所述至少一个导线传播。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合在所述发射器内的校准单元，所述校准单元将多个测试信号发射到所述传输介质上，以确定所述优选的预编码器参数。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述校准单元调整所述发射器内的矢量预编码器上的设置，可调整设置使得所述多个测试信号的预编码器参数基于在所述预编码器内生成、并且被施加到所述多个天线内的至少一个天线的矢量权重而改变。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，至少部分地基于来自远程接收器的反馈来选择所述优选的预编码器参数，所述反馈标识所述测试信号中的至少一个测试信号的可检测性特征。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述可检测性特征是所述测试信号中的所述至少一个测试信号的信噪比测量。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述预编码器的类型选自包括下列各类型的组：线性、迫零、最小均方误差(MMSE)、非线性、广义判决反馈均衡器(GDFE)。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信号被发射到第二存储装置。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合在所述发射器内的符号编码器，所述符号编码器在数据发射到所述传输介质上之前将所述数据编码到所述信号上。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括耦合在所述发射器内的调制器，所述调制器将经编码的第一信号转换为通带信号。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述导体包括至少一个导线，所述导线包括选自包括下列各项的组的至少一种金属：铜、铝、钢和不锈钢。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，电介质绝缘体环绕所述至少一个导线，所述电介质绝缘体包括选自包括下列各项的组的非导电材料：纸、纸浆、塑料、聚乙烯和PVC。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个导电屏蔽件覆盖所述至少一个导线。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述导电屏蔽件包括选自包括下列各项的组的金属：铜、铝、钢和不锈钢。

14.根据权利要求1所述的装置，包括耦合到所述发射器的偏振器，所述偏振器将从所述发射器接收的所述第一信号的偏振转换为与所述多个波导模式内的至少一个波导模式的耦合相关的第一偏振。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个波导模式包括选自包括下列各项的组的至少一个模式：横向磁模式、等离子体横向电磁模式、传输线模式、全内反射模式和横向电模式。

16.一种用于接收信号的数据接收装置，包括：

多个天线，用于从传输介质接收预编码的信号，所述预编码的信号是基于训练方法产生的，所述训练方法将所述预编码的信号发射到所述传输介质上，所述传输介质具有波导特性并且支持多个波导模式，所述预编码的信号中的每一个在相应的发射模式下传播，所述相应的发射模式与用于产生所述预编码的信号中的至少一个的预编码器参数相关；

接收器，被耦合以从所述多个天线接收所述预编码的信号，所述接收器包括信道响应反馈处理器，用于接收所述预编码的信号中的每一个并确定在多个频率上的多个信道响应测量以及所述预编码的信号中的每一个的预编码器参数；

其中，所述传输介质包括至少一个导线，多个预编码的信号至少部分地围绕所述至少一个导线传播。

17.根据权利要求16所述的装置，还包括：

传感器，被耦合在所述接收器内，所述传感器将对应于第一预编码的信号的电磁波转换为电信号；

矢量后消除器，被耦合以接收所述电信号，所述矢量后消除器减少对第一电信号的干扰；

解调器，被耦合以接收所述电信号，所述解调器将所述电信号从通带电信号转换为基带电信号；

符号解码器，被耦合以接收所接收的符号的集合，所述符号解码器对来自所接收的符号的所述集合的数据进行解码。

18.根据权利要求17所述的装置，还包括耦合在所述接收器内的符号解码器，所述符号解码器对所述第一预编码的信号上的数据进行解码。

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