JP2018191299A - ディストリビューションポイントからのデータ伝送のための低電力モード - Google Patents

ディストリビューションポイントからのデータ伝送のための低電力モード Download PDF

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Abstract

【課題】間欠動作をベクトルシステムにおいて採用して省電力化したＤＳＬシステムを提供する。
【解決手段】共通ビットをロードするテーブルを、複数のビットロードテーブルからの最小ゲインによって構成することにより、アクティブな通信路及び中断された通信路の全てのケースが予め定められた制限を逸脱しない伝送電力スペクトル密度及びビットローディングの最小コンフィギュレーションを探すことができる。複数のビットロードテーブルは、伝送モードまたは静止モードにおける行の異なる組み合わせに対応している。
【選択図】なし

Description

本出願は、ディストリビューションポイントからのデータ伝送のための低電力モードに関する。
アクセス通信市場における最近の傾向として、ＩＴＵ−Ｔ推奨Ｇ．９９３．５において規定されているベクトル化技術を用いたＶＤＳＬシステムによって提供される、１００Ｍｂ／ｓ以下のデータレートでは、すべてのアプリケーションにとって十分でなく、１．０Ｇｂ／ｓまでのビットレートが必要になるケースがある。このようなビットレートを有線で実現しようとすると、現状では、ＣＰＥを接続する銅のペアが５０〜１００ｍぐらい短くないと達成できない。このように短いループを利用した動作は、ディストリビューションポイント（ＤＰ）と呼ばれる多くの小さいストリート／ＭＤＵ（Ｍｕｌｔｉ Ｄｗｅｌｌｉｎｇ Ｕｎｉｔ）キャビネットの導入を必要とする。ＤＰは、例えば１６人または２４人等の非常に少人数の顧客にサービスを提供するものであり、ファイバー（ＦＴＴｄｐ；ディストリビューションポイントへ向かうファイバー）を介して柱に接続されている。
ベクトル化技術は、遠端漏話（ＦＥＸＴ）を低減するために、ＤＰ［ＧＣ０２］から動作するシステムにおいて用いられる。この場合、高ビットレートを確保することが必要不可欠である。エネルギー効率を向上させ、かつ、ハードウェア構成を単純化するためには、ＦＴＴｄｐに対しては、ＶＤＳＬにおいて採用される周波数分割複信（ＦＤＤ）に代えて、同期時分割複信（Ｓ−ＴＤＤ）が採用される。
ＤＰは、非常に柔軟性の高い導入方法を許容すべきである。ＤＰは、空調装置なしで、柱、家の壁、または建物の基礎部に、手軽かつ容易に設置されるべきである。このような柔軟性の高い接続プランにとって、最も困難な問題は、ＤＰに電力を供給することである。唯一の見出された解決策は、接続された顧客からＤＰの設備が電力供給を受ける場合の、いわゆる“逆給電”である。逆給電およびＤＰの小サイズ化の要件は、主要機構がＤＳＬ送受信機である場合に、ＤＰの電力消費に関してかなりの制限をもたらす。その上、顧客のユニットは、（停電時のライフラインＰＯＴＳをサポートするために）バッテリー式給電による動作をしばしば要求される。後者では、ＣＰ設備のＤＳＬ送受信機に対しても低電力が要求される。
従来のＤＳＬシステムは、ケーブルバインダを共有しているすべての通信路において、継続的にデータを伝送している。たとえデータがなくとも、空のバイトが伝送される。このような静的動作のタイプによって、システムの安定性と性能とが維持される。
現状のＤＳＬシステム（例えば、ＡＤＳＬ）では、低電力モードおよびデータレート適合について、以下の方法を採用する。該方法では、データトラフィックが遅くなったときに、ビットロードおよび通信路上のＴＸ（送信）電力を減らし、高速トラフィックが復帰したら、それを再構成する。他の提案された方法では、リンクのビットレートおよびＴＸ電力を再構成するために、いわゆるＳＲＡ（Ｓｅａｍｌｅｓｓ Ｒａｔｅ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）が採用される。いずれの再構成の方法も、加入者の実際のトラフィック要件のそれぞれにおいて、適応できるリンクの再構成を実現するには遅すぎる。
省電力に関しても、現状のＤＳＬ送受信機は、送信電力の低減によってしか省電力を実
現できていない。ＶＤＳＬシステムにおける送信電力は、１４ｄＢｍ〜２０ｄＢｍまでの範囲であり、そのため、送信電力は、全体の消費電力の大部分を占めている。
しかしながら、ＦＴＴｄｐを採用した形態では、送信電力を合計しても、４ｄＢｍ程度であるため、送信電力は、全体の消費電力のごくわずかである。アナログおよびデジタルのフロントエンドの電子機器のようなコンポーネントは、送信電力とは無関係に電力を消費している。しかし、これらのコンポーネントは、消費電力の大部分に大いに関係がある。なぜなら、これらのコンポーネントは、ＶＤＳＬにおける８ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数と比較して、はるかに高い、１００ＭＨｚまたは２００ＭＨｚの周波数で動作しているからである。
そのため、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）およびデジタルフロントエンド（ＤＦＥ）のような送受信機のアナログおよびデジタルコンポーネントの大幅な省電力を実現するためには、低電力（待機）状態への切り替えが必要である。この動作モードは、「間欠動作」と呼ばれる。
ＩＴＵＧ．９９３．５などの、ベクトル化技術を採用した現状の動作システムでは、リンクが断たれそうになる前に、“秩序ある停止”と呼ばれる時間のかかる手順が、必要となる。もし通信路が、秩序ある停止なしに切断された場合、バインダーを経由した残されたアクティブな通信路の性能は著しく低下する。そのため、ＡＦＥおよびＤＦＥは、短時間で電源を切ることができず、省電力の効果が大幅に低減される。
したがって、ベクトル化技術とともに、間欠動作などの低電力モードを採用することについて改善が望まれる。
実施形態に係る通信システムを示すブロック図である。 すべてのコンフィギュレーションに対して、スペクトルのマスク制限を満たしている、最小送信電力の電力スペクトル密度（ＰＳＤｓ）を示す図である。 ビットロードとＰＳＤのダウンスケーリングとを伴う間欠動作をしているときと、していないときとにおける、ピークレートの比較を示す図である。 間欠動作中における、時分割二重方式（ＴＤＤ）のフレームの具体例を示す図である。 全体でのオンタイムが５０％である場合における、ある例に係るシステムにおける、最小のコンフィギュレーションに対応するＴＤＤフレーム内のデータレートの割り当てを示すシミュレーション結果を示す図である。 通信路連結シーケンスの最終ステップを示す図である。 間欠動作による通信路連結を説明する実施形態のフローチャートである。 線形プレコーダの下流モデルを示す図である。 他の通信路が中断されたときの、アクティブな通信路の信号対雑音比（ＳＮＲ）の低下を示す図である。 低電力モード時のアクティブな通信路の信号対雑音比（ＳＮＲ）について、係数再計算の効果の一例を示す図である。 線形イコライザの上流モデルを示す図である。
〔発明の詳細な説明〕
実施形態の詳細が、以下のように、添付の図面の参照しながら開示される。これらの実施形態は、具体例を例示する目的でのみ提供され、限定的に解釈されるべきではないということを述べておかなければならない。例えば、実施形態が数々の詳細な事項、特徴また
は要素を含んでいるように開示されてもよい。他の実施形態におけるいくつかの詳細事項、特徴、または、要素は、省略されてもよいし、および／または、代替的な特徴または要素に置き換えられてもよい。他の実施形態では、上記に加えて、あるいは、上記に代えて、さらなる特徴、詳細事項、または、要素が、明示的に開示された内容とは別に提供されてもよい。
ここで記載される通信接続は、直接的接続であっても間接的接続であってもよい。すなわち、上記接続の一般的な機能（例えば、ある種の信号を送信する機能）が維持されるのであれば、間に別の要素が介入してもよいし、しなくてもよい。接続は、特にことわりがなければ、無線接続であっても有線接続であってもよい。
ある実施形態では、間欠動作を採用した低電力モードが提供される。
ある実施形態では、上記間欠動作は、ベクトル化システムにおいて採用される。ある実施形態では、ベクトル化グループに通信路を結合させる機構が提供されてもよい。
図面を参照すると、図１において、実施形態に係る通信システムが示される。図１に示すシステムは、プロバイダ装置１０を備えている。プロバイダ装置１０は、複数のＣＰＥユニット１４〜１６と通信する。３つのＣＰＥユニット１４〜１６が図１に示されているが、これは一例を示したに過ぎず、ＣＰＥユニットは、任意の数が配置されればよい。プロバイダ装置１０は、中央オフィス装置であってもよいし、ディストリビューションポイント（ＤＰ）に設けられた装置であってもよいし、プロバイダ側で用いられるその他の任意の装置であってもよい。プロバイダ装置１０が、ディストリビューションポイントの一部である場合には、光ファイバー接続１１０を介して、例えば、ネットワークからデータを受信したり、ネットワークにデータを送信したりする。他の実施形態では、他の種類の接続が採用されてもよい。
図１に示す実施形態では、プロバイダ装置１０は、ＣＰＥユニット１４〜１６との間で、それぞれの通信接続１７〜１９を介して通信するために、複数の送受信機１１〜１３を備えている。通信接続１７は、例えば、ツイストペア銅線などの銅線であってもよい。通信接続１７〜１９を介して行われる通信は、離散マルチトーン（ＤＭＴ）変調方式および／または直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式のような、マルチキャリアモジュレーション（具体的には、ＡＤＳＬ、ＶＤＳＬ、ＶＤＳＬ２、Ｇ．ｆａｓｔなどのようなｘＤＳＬ通信）に基づく通信であってもよい。すなわち、データが複数の搬送波において変調される通信は、トーンと呼ばれる。ある実施形態では、通信システムは、図１におけるブロック１１１によって示されているように、ベクトル化技術を採用してもよい。ベクトル化処理は、クロストークを低減するために、送信信号および／または受信信号の結合処理を含む。
プロバイダ装置１０からＣＰＥユニット１４〜１６に向かう通信方向をダウンストリーム方向とも称し、ＣＰＥユニット１４〜１６からの通信方向をアップストリーム方向とも称する。ダウンストリーム方向のベクトル化処理をクロストークの事前補償（precompensation）とも称する。アップストリーム方向のベクトル化処理をクロストーク除去又はク
ロストーク均一化とも称する。
プロバイダ装置１０及び／又はＣＰＥユニット１４〜１６は、更に、通信システムにおいて従来から使用されている通信回路（図示せず、例えば、変調回路やビットローディングのための回路、フーリエ変換回路等）を備えている。
いくつかの実施形態では、通信接続１７〜１９を介した通信は、フレームベースの通信
である。複数のフレームがスーパーフレームを形成してもよい。
いくつかの実施形態では、間欠動作が実行される。しかしながら、電力消費を抑えるために以下で更に説明する間欠動作の従来の適用方法は、いくつかの実施形態において解決されていない問題を含んでいる。
従来のアプローチには、プレコーダ（ダウンストリーム）及びイコライザ（アップストリーム）の係数再計算が実行されない場合に間欠動作におけるＳＮＲが低下するという問題がある。係数再計算によって、送信電力（ダウンストリーム）が増加し、制限から逸脱し得る。アップストリームでは、雑音電力が増加し、ＳＮＲの変化を引き起こす。この点に関し、プレコーダ及びイコライザは、ベクトル化処理（結合処理を通じたクロストーク低減）において使用される素子、ダウンストリーム方向におけるベクトル化処理を行うプレコーダ、及び、アップリンク方向におけるベクトル化処理を行うイコライザを指している。上述の係数は、それぞれ、プリコーダ又はイコライザにおいて使用される係数である。これらの問題に関する更なる情報を、さらに以下に示す。
いくつかの実施形態における有効な解決法は、エラーや雑音マージンの実質的な低下が生じないことに加え、送信電力スペクトル密度（ＰＳＤ）が維持され、与えられた配置においてアクティブなライン及び中断されたラインの各特定のコンフィギュレーションにおける安定した動作が保証されることを必要とする。これにより、ＰＳＤ、電力、ビットローディング又はＳＮＲに関する逸脱が任意のコンフィギュレーションで生じなくなる。
間欠動作における送信電力及びＳＮＲの変化を考慮するが、任意のコンフィギュレーションに関する制限から逸脱しないような、送信電力及びビットローディングの１つのコンフィギュレーションを見つけることによって、上記問題を解決することができる。
最適な形で上記コンフィギュレーションを見つけるために使用される上記方法は、特定の情報が上記ＣＰＥ側から上記ＤＰに伝えられ、上記ＤＰが最適化を行うことを必要とする。
本発明は、上記コンフィギュレーションを見つける方法、及び、対応する動作をシステムの初期化処理及び通信路連結処理に組み込む方法を示している。
本発明は、性能低下が最小となる上記コンフィギュレーションを選択する方法を提供するものである。
低電力モードでのシステムの安定動作を維持し、スペクトルマスク制限を満たすために、いくつかの実施形態は、アクティブな通信路及び中断された通信路のすべてのケースに有効な（伝送ＰＳＤ及びビットローディングの）最小コンフィギュレーションを探す工程を含んでいる。
この安定したコンフィギュレーションを見つけるために、アクティブなラインの集合
Figure 2018191299
を規定する。この集合は、全ての通信路のサブセットである。更に、全てのコンフィギュレーションの集合T = {Ｉa1, ..., Ｉat, ..., IaT}を規定する。この集合は、全ての利
用可能なコンフィギュレーションt = 1...Tにおけるアクティブな通信路の可能な全ての
集合Ｉa1... ＩaTを含んでいる。Ｌ本の通信路を有するシステムでは、可能なコンフィギュレーションは２L個ある。このことは、コンフィギュレーションの集合の濃度Ｔは、
Figure 2018191299
であり、非常の大きな数になり得ることを意味している。いくつかの実施形態では、関連する計算の複雑度を低減する方法を提供する。
ダウンストリーム方向では、スケール行列Ｓminが探される。スケール行列Ｓminは、可能な全てのコンフィギュレーションにおける送信電力制限を満たしている単一のスケール行列である。コンフィギュレーション
Figure 2018191299
に関するスケール行列Ｓtは、式(1.6)で与えられるプレコーダ行列に関する式(1.13)を満たしている。全てのケースについての送信電力制限を満たす送信電力は、
Figure 2018191299
によって与えられる。ここで、sii tは、アクティブな通信路Ｉatの対応するサブセット
に関する式(1.14)又は(1.20)を満たすスケール因子である。
図２は、様々なケースについての以降に示す表１．１の例から、複数の通信路に関する平均ＰＳＤ及び最大ＰＳＤを示した図である。
複数の実施形態では、最大ＰＳＤは、
Figure 2018191299
に従って、式(1.12)に係るプレコーダ出力伝送共分散行列（precoder output transmit covariance marix）から計算される。
平均ＰＳＤは、
Figure 2018191299
によって与えられる。
各々の長さが１００ｍである１０本の通信路であって、探し出された可能な全てのコンフィギュレーションを有する１０本の通信路についてシミュレーションした結果を図２に示す。
間欠動作を行わない場合の最大ＰＳＤは、ライトブルーの線で示す上限ＰＳＤと一致する。
赤い線は、更なるＰＳＤ補正無しで係数再計算が行われる場合に、伝送ＰＳＤが上限ＰＳＤから逸脱することを示している。
ライトグリーンの線は、最小コンフィギュレーションの最大ＰＳＤを示している。最小コンフィギュレーションの最大ＰＳＤは、制限未満であるが、制限に非常に近い。
間欠動作を行わない場合の平均ＰＳＤと比較すると、最小コンフィギュレーションの平均ＰＳＤは、最小コンフィギュレーションに必要な更なるＰＳＤの低減（additional PSD
reduction）が低周波数ではゼロに近く高周波数では最大２ｄＢであることを示している。
高周波数でのＰＳＤ低減の結果、最小コンフィギュレーションは、間欠動作を行わない場合と比較して、性能が低下する。既知の１０本の通信路の例における、スペクトル最小化（spectrum minimization）により引き起こされるデータレートの低下を図３に示す。
最小コンフィギュレーションを選択するために、ＤＰは、最小コンフィギュレーションに対応する必要なビットローディングを計算する必要もある。そのため、測定ＳＮＲやチャネル関連パラメータ、ＦＥＱ係数や取得ＦＦＴサンプル等の、精度の高い情報を伝えるには、各通信路のＣＰＥからのフィードバックが必要となる。以下で更により詳細に説明するように、それらのパラメータは、初期化中に通信路を連結することによって取得される。
アップリンク（アップストリーム）方向では、同様の問題が生じ得る。その理由は、式(1.10)に従った係数再計算により、受信機における雑音共分散が変化し、それにより、信号対雑音比ＳＮＲが変化するからである。
通信路１の特定のサブキャリアの伝送ビットｂlは、次の式に係るＳＮＲに依存する。
Figure 2018191299
従って、アップリンク方向のビットローディングは、最悪の場合のＳＮＲに関連して選択されなければならない。
Figure 2018191299
４は、ＰＳＤ及びビットローディングが最小の間欠動作を適用するシステムの伝送フレーム（ＴＤＤフレーム）の一例を示す。
なお、いくつかの実施形態では、単一のコンフィギュレーションに関する制限を満たすＰＳＤ及びビットローディングは、アクティブな全ての通信路の場合のビットローディング及びＰＳＤよりも高くてもよい。
いくつかのケースでは、ダウンストリームの最小ゲイン因子（式(3.1)）とアップスト
リームの最小ビットローディング（式(3.3)）とからなる最小コンフィギュレーションは
、全体の性能を著しく低減する単一のコンフィギュレーション（臨界コンフィギュレーションとも呼ばれる）によって占められている。
最小コンフィギュレーションの探索が臨界コンフィギュレーションを示す場合、いくつかの実施形態はこのコンフィギュレーションを避ける。そのような臨界コンフィギュレーションは、利用可能なコンフィギュレーションの集合Ｔから除外される。臨界コンフィギュレーションの集合が記録される。
データ伝送中に有効な通信路及び無効な通信路に臨界コンフィギュレーションが生じる場合、対応する通信路のスイッチが切られるが、代わりに、上記対応する通信路は、対応するアナログフロントエンド及びデジタルフロントエンドが休止するのを避けるために、アイドルシンボルを伝送する。上記アイドルシンボルは、アイドルシンボル伝送中における消費電力を低減するために、ゼロ電力で伝送されてもよい。
次に、非限定例に係るシステムに関するいくつかのシミュレーション結果について説明する。上記非限定例に係るシステムは、各々の長さが１００ｍである１０本の通信路から構成されている。通信路１及び通信路２の目標レートは８００Ｍビット／秒に設定されており、通信路３〜６の目標レートは１００Ｍビット／秒に設定されており、通信路７〜１０の目標レートは５００Ｍビット／秒に設定されている。図３．４は、４０個のＤＭＴシンボルを有するＴＤＤフレームのスケジューリングを示している。これらのデータレートを実現するための複数のリンクの平均オンタイムは５０％である。上記複数のリンクのうちの１つは、ほぼ完全なＴＤＤフレームを使用する。ピークデータレートに近いためである。上記複数のリンクのデータレートは上記フレームにおいて一定である。全てのシンボルについて同じビットローディングが使用されるからである。
図５では、いくつかの通信路がＴＤＤフレームの開始時には伝送を開始せずに上記フレームの途中においていくらかの遅延を伴うように、アクティブなデータ伝送シンボルが割り当てられている。
また、伝送時間は、全ての通信路が、フレームの開始時に伝送を開始し、目標データレートに到達するのに必要なシンボル数を伝送するように、割り当てられてもよい。この方法は、間欠動作における通信のオーバーヘッドを単純にする。伝送の開始が決められている限り、伝送の終了のみを、送信側から受信側に伝えればよいからである。
クロスしかしながら、クロストーク除去能力や係数再計算速度の限界により、シミュレーションに示されているように、いくつかのケースでは、伝送開始を遅らせることが必要となり得る。
間欠動作に関する上述の方法は、いくつかの実施形態では初期化中に進められてもよい。通信路連結又はシステム起動手続は、複数の工程を含んでいる。様々な標準規格、及び
、標準化提案（例えば、G.fast）は、可能な初期化手続について詳細に説明している。この手続は、チャネル評価、同期、伝送ＰＳＤレベルの設定、及び、その他のタスクといった、多数の工程を含んでいてもよい。間欠動作に関し、関連する重要な工程は、図６に示すように、リンク確立状態（showtime）前の伝送ＰＳＤの最適化である。
ＤＰは、同期シンボルに基づいて、プレコーダ係数及びイコライザ係数を計算する。これらの係数は、スーパーフレーム毎に１回送信され、間欠動作の対象ではない。
従って、いくつかの実施形態では、プレコーダ係数及びイコライザ係数は、通信路連結の後に、全ての通信路がアクティブなコンフィギュレーションに対して計算される。
Figure 2018191299
本の通信路であるようなアクティブな通信路の集合Iaを仮定し、
Figure 2018191299
本の通信路を含むような連結通信路の集合Ijを仮定する。この仮定の下で、実施形態における最小コンフィギュレーションの適用方法を示す。
次に最小コンフィギュレーションを有する複数の通信路の連結について説明する。
実施形態における最小コンフィギュレーションの探索は、図６に示す連結シーケンスのスペクトル最適化ステップにおいて行われる。
必要な情報には、フルプレコーダ係数行列及びイコライザ係数行列（アクティブな通信路と連結通信路との両方を含む）、並びに、上記連結通信路及び上記アクティブな通信路からのＳＮＲ評価が含まれる。このＳＮＲ評価は、アップストリームの場合に特有のものであり、ダウンストリームの場合には各ＣＰＥから提供される。図７は、いくつかの実施形態における、間欠動作を伴う伝送スペクトル最適化に必要な工程をまとめたものである。
ダウンストリームＳＮＲデータは、ＣＰが、ＣＰＥからの対応するメッセージをＤＰに送信することによって、提供される。ダウンストリームＳＮＲデータは、図７における新しいスケール値
Figure 2018191299
の計算に使用できる。
なお、通信路連結後のプレコーダ係数は、式(1,17)を満たすようにプレコーダ行列を再スケーリングすることを必要とする。この式(1,17)は、対角要素を１に等しくし、式(1,2)の定義に適合させることを保証する。アクティブな通信路に関する式(3,1)に確実に適合させるために、スケール値の逆数をスケール行列Ｓaに掛算しなければならない。
式(3,1)では必要な、全２L通りの可能なコンフィギュレーションのしらみつぶしの探索を、
Figure 2018191299
に削減することができる。これは、例えば、９本のアクティブな通信路と１０番目の連結通信路とを有するシステムについては、たかだか
Figure 2018191299
通りのコンフィギュレーションを探索すればよく、１０２４（２L）通りのコンフィギュ
レーションを探索しなくてもよいことを意味している。
しかしながら、全ての可能なコンフィギュレーションを探索するのは複雑であり、臨界コンフィギュレーション（例えば、１本の通信路のみのコンフィギュレーションや２本の通信路のみがアクティブなコンフィギュレーション）の探索を制限することにより探索を単純化してもよい。
次に、いくつかの実施形態に係る、間欠動作に関するプロトコルの追加について説明する。
いくつかの実施形態では、上述の技術を実現するために、ＤＰとＣＰＥとの間で情報の交換が必要となる。このセクションでは、いくつかの実施形態に関するプロトコルの詳細について説明する。類似又は関連する情報交換が他の実施形態では使用されてもよい。
次に、いくつかの実施形態に係る、間欠動作および通信路連結に関するプロトコルについて説明する。
新しい通信路の連結中に、アクティブな通信路の伝送ＰＳＤを減らすことにより、連結通信路に供給する追加のリソースが割り当てられる。図６は、ベクトル化グループの通信路を開始するため、又は、動作中のベクトル化グループに新しい通信路を連結させるために使用する初期化シーケンスを示している。新しい通信路が連結するとき、プレコーダ行列（ダウンストリーム）及びイコライザ行列（アップストリーム）のサイズは、２段階で拡張される。まず、連結通信路からアクティブな通信路への接続パスを見積もり、対応するクロストークを除去する。そして、アクティブな通信路から連結通信路へのクロストークを除去する。
プレコーダ行列（ダウンストリーム）及びイコライザ行列（アップストリーム）のサイズは、２段階で拡張される。まず、連結通信路からアクティブな通信路への接続パスを見積もり、対応するクロストークを除去する。そして、アクティブな通信路から連結通信路へのクロストークを除去する。
伝送スペクトル及び最終的な伝送ＰＳＤの設定の最適化は、クロストーク除去ステップ
の後に続き、非常に時間を消費する。また、最適化には、クロストークが除去された連結通信路からの、及び、アクティブな通信路からのＳＮＲ評価を必要とする。従って、多くの実施形態においては、最適化は、最終的な伝送ＰＳＤ値が設定される間の初期化シーケンスの工程で一度だけ行われる。連結処理中には全ての通信路の間欠動作が制限され、このことは、全ての通信路のフロントエンドが、アクティブのままとなるか、又は、一緒に切断される。
次に、ダウンストリーム方向のビットローディングプロトコルについて説明する。
ＶＤＳＬのような従来のシステムでは、受信機側は、ＳＮＲを監視し、測定したＳＮＲに応じた特定のビットローディングを決める。間欠動作におけるＳＮＲがアクティブな通信路及び中断した通信路の適用コンフィギュレーションに依存しているという事実により、ビットローディングは、最悪のケースのＳＮＲを表すコンフィギュレーションに関連して選択されるべきである。このコンフィギュレーションで伝送されることが保証されるシンボルは、ＳＹＮＣシンボルである。従って、一実施形態では、ＳＮＲの測定は同期シンボル中に行われるべきである。
次に、アップストリーム方向のビットローディングプロトコルについて説明する。アップストリームでは、実施形態におけるＤＰは、特定の通信路及び特定のサブキャリアに対し、追加のＳＮＲマージンを割り当てることができる。ダウンストリームに関しては、ＳＮＲが評価される場合に、追加のＳＮＲマージンをＳＹＮＣシンボルに対してのみ割り当てることができる。
ベクトル等化器の後の雑音共分散行列Ｃrxは、
Figure 2018191299
で与えられる。ここで、雑音共分散行列
Figure 2018191299
及びＧは、イコライザ行列である。
アップストリームに必要な、周波数に依存する追加のＳＮＲマージンは、
Figure 2018191299
で与えられる。連結中に一度だけ適切なマージンが評価されるが、マージンは、係数行列の変化又は受信機のノイズに起因して、ショウタイム（showtime）に更新されてもよい。
次に、周波数等化及びノイズ環境について説明する。以下に更に説明するダウンストリーム最適化の実現に関し、データレートを評価するためにＣＰＥからの情報が必要となる
。ＣＰＥ側から必要な情報は、クロストークが無い場合（あるいは、クロストークが実質的に除去されている場合）に取得されるＳＮＲである。この情報は、図６に示す初期化シーケンスのスペクトル最適化ステップにおいて必要である。異なる方法及びアプローチを利用するいくつかの実施形態について次に提示する。
方法１：ＳＩＮＲ
１つの方法は、平均エラー電力（average error power）を検出することによってＣＰ
Ｅ側の信号対雑音比を測定することである。ダウンリンク方向の通信路ｉの信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）であるＳＩＮＲiは、
Figure 2018191299
で与えられる。ここで、エラーｅは、
Figure 2018191299
と定義される。
Ｔは、平均化に使用されるシンボルの数であり、十分に大きな値が選択される。この方法の欠点は、クロストーク除去器の制限により、又は、単にクロストーク除去器の係数が十分に収束しないことにより、受信機エラーｅが残留クロストークを含み得ることである。通常、エラーｅは、受信信号と、当該受信信号における最も近いコンスタレーション点との間の差分として計算される。最も近いコンスタレーション点が伝送されるデータと等しくない場合、エラーは正しく計算されない。
方法２：ＳＮＲゼロ状態
残留クロストーク及び検出エラーの影響を避けるため、ＳＮＲ評価は同期シンボルに制限されてもよく、同期シンボルは、受信機が認識する直交シークエンス（orthogonal sequence）で変調される。しかしながら、各受信機は、対応する送信機から使用される直交
シークエンスしか認識しない。他の送信機によって使用される直交シークエンスは、認識されず、他の通信路からのクロストーク信号を評価するためには使用できない。
いくつかのアプローチでは、ゼロ状態を含む直交シークエンスが提案された。これにより、ＣＰＥ側は、
Figure 2018191299
の場合にＵl=0であり、l=iの場合に
Figure 2018191299
であるような送信信号Ｕlを選択することにより、通信路ｉにおけるクロストークフリー
のエラーを評価できる。この方法により、式3.8に係る通信路ｉのエラーはクロストーク
フリーになり、
Figure 2018191299
となる。
方法３：ＳＮＲ ＢＰＳＫ シーケンス
チャネル評価のためにシンクシンボルに適用される直交シークエンスが静的である場合、直交シークエンスを用いてＳＮＲ評価におけるクロストークを除去することが可能である。そのためには、平均化に使用されるシンボルの数Ｔは、シーケンス長Ｔseqの倍数
Figure 2018191299
になるように選択される。シーケンス長Ｔseqは、評価中にいくらかの雑音が乗る程度に
できるだけ短くなるように選択されるべきである。クロストークフリーのＳＮＲは、ＣＰＥ側で、
Figure 2018191299
を評価することによって計算される。
本発明は、スペクトル最適化の基礎として、クロストークフリーのＳＮＲをＣＰＥ側に要求することを提案する。これは、方法２及び３の拡張である。レポートされるクロストークフリーのＳＮＲは、式(1.20)における項
Figure 2018191299
を表す。
本発明は、更に、時間をかけて、且つ、隣接する複数のトーンにおいて、平均化を行うことにより、式(3.9)又は式(3.10）の評価に必要な時間を減らしつつ正確さを高めること
を提案する。チャネル伝送機能及び伝送ＰＳＤはサブキャリア毎に大きく変わり得る一方、雑音自体は通常均一である。
送信信号ｕが単位電力（unit power）を有すると仮定すると、平均化はトーングループtonesに対して実行されてもよく、有効雑音電力
Figure 2018191299
として、
Figure 2018191299
を評価できる。これは、周波数に亘って均一である。
Figure 2018191299
によって与えられるＳＮＲは、最適化を実行するためにＤＰに伝達される。
伝送するデータが無い時にはいつでもアクティブなリンクが無効になる場合、ディストリビューションポイントの消費電力は極めて低減される。無効なリンクでは、電力は、送信電力を減らすことによって節約されるばかりではない。アナログ部品及びデジタル部品を低電力状態に切り替え、アナログ部品及びデジタル部品が消費する電力を非常に少なくすることができる。この動作モードは、間欠動作と呼ばれる。
FTTdpを採用した形態に間欠動作を使用すると、２つの大きな問題が生じる。
有線通信において、各通信路は、ケーブルバインダの隣接する通信路におけるデータ伝送からの、クロストークと呼ばれる干渉を受ける。各リスクは、クロストーク雑音を受け、信号対雑音比に応じた実現可能なデータレートを選択する。間欠動作では、雑音環境は、もはや静的ではなく、非常に速く変化する。
これが原因で第１の問題が生じ得る。即ち、雑音環境がもはや時不変ではなく、受信機は、信号対雑音比及び実現可能なデータレートを正しく評価しない。これにより、ビットエラーレートが増大し得る。
第２の問題は、ベクトル化処理のような複数のリンクでの連結信号処理動作を適用するシステムにおいて生じ得る。ダウンリンク方向の送信機の電源がオフになる場合、その時よりも前に使用されたプレコーダ係数は、もはや有効ではない。アップリンク方向の受信機の電源がオフになった場合においても同様である。
次のセクションでは第２の問題に焦点を当てる。ベクトル化システムにおけるアクティ
ブなリンクの性能を保つために、他のリンクが低電力モードに切り替えられている間に、係数再計算が必要となる。係数再計算に関し、複数のシステムコンフィギュレーション、即ち、ダウンリンク方向のプレコーディング、アップリンク方向の線形等化、及び、ダウンリンク方向の非線形プレコーディングが考慮される。
クロストーク除去及び他のＭＩＭＯ（マルチ入力マルチ出力）信号処理方法は、マルチユーザデータ伝送の性能を改善する上で重要な特徴である。ＶＤＳＬ２の性能の改善するためにベクトル化技術を使用することには成功しており、G.fastのような将来の有線通信標準規格において、クロストーク除去は必須である。
従って、例えば上述のような、低電力モードの提案は、ＭＩＭＯ信号処理を使用するシステムに適合するものとすべきである。このセクションでは、FTTdpを採用する形態に関
してこれまでに提案された線形ＭＩＭＯプレコーディング及び線形ＭＩＭＯ等化と組み合わせて間欠動作を実現する方法について説明する。
ＶＤＳＬ２システムにおいて、線形ベクトルプレコーディングが、クロストークチャンネル上での有線データ伝送の性能を改善するために実行されてきた。従来のベクトル化ＤＳＬシステムの主な欠点は、全てのリンクが連続的に有効になり、リンクのオン・オフに非常に時間のかかる手続き、即ち、ベクトル化されたグループにおける特定の通信路でのデータ伝送を有効又は無効にする連結手続又は離脱手続を必要とする点にある。
図８に示すダウンロードシステム伝送モデルは、
Figure 2018191299
によって表される。ここで、ｕは、ＤＰにおける複数の並列データ伝送の送信信号ベクトルであり、
Figure 2018191299
は、ＣＰＥ側の対応する受信信号であって受信機において加えられた雑音ｎを含む受信信号である。Ｐは、ＤＰ側のプレコーダ行列であり、Ｈは、クロストークチャネル行列であり、Ｇは、イコライザ係数の対角行列である。
プレコーダ行列Ｐは、
Figure 2018191299
に従って正規化される。
Ｓは、伝送スペクトル整形を行うためのスケーリング対角行列である。これは、制限伝送ＰＳＤマスク（limit transmit PSD mask）に対応する送信電力を測定するために使用
される。線形プレコーダ行列Ｐは、クロストークの事前補償によってクロストーク除去を
行う。対角行列Ｇは、ＣＰＥ側のサブキャリア毎および通信路毎の１つの非ゼロ係数から構成されており、送信機と受信機との間の直接パスのゲイン補正及び位相補正を行うために使用される。
マルチキャリアシステムにおいて、式(1,1)は、１つのサブキャリアの動作を記述して
おり、各サブキャリアは独立してプレコードされる。
実施形態に係る低電力モードの提案に関し、送信機のいくつかは電源がオフにされるべきである。これは、プレコーダ行列Ｐの対応する行及び列をゼロに設定する動作に相当する。これがプレコーダ行列Ｐの係数を変更せずに行われた場合、図９に示すように、残りのアクティブな通信路には深刻な性能低下が生じる。このシミュレーションは、係数補正を行わない場合、間欠動作は、（FEXTが受信信号に比べて小さい）非常に低い周波数においてのみ実行可能であることを示している。以降の表１．１は、この計算に使用されるシミュレーションパラメータをまとめたものである。
この状態における残りの通信路間のクロストークを除去するために、アクティブな通信路のプレコーダ係数は再計算されなければならない。次の導出過程では、イコライザ行列Ｇをチャネル行列Ｈに含めることができるので、イコライザ行列Ｇは、一般性を失うことなく無視される。そして、全ての通信路がアクティブである場合、
Figure 2018191299
が成立する。
複数のブロック行列
Figure 2018191299
に書き換えられるプレコーダ行列及びチャネル行列では、全ての通信路がアクティブである場合、
Figure 2018191299
が、線形ゼロ強制プレコーダに当てはまる。インデックスａはアクティブな通信路を示しており、インデックスｄは、無効な通信路を示している。例えば、ブロック行列Ｈadは、無効な通信路からアクティブな通信路への連結部を含んでいる。
すべての通信路がアクティブなケースでは式（1.3）が成立しなければならない。式(1,3)は、式(1.4)に示されているように複数のブロック行列に分割できる。集合ｄの送信機
の電源がオフになった後には、
Figure 2018191299
が成立する。ここで、
Figure 2018191299
は、低電力モードにおける新しいプレコーダ行列である。行列反転の補助定理によれば、残りのアクティブな通信路に関する新しいプレコーダ行列は、
Figure 2018191299
によって与えられる。
プレコーダ行列の係数
Figure 2018191299
を再計算する代わりに、低電力モード中に送信信号を再計算することもできる。送信信号ベクトルｘは、
Figure 2018191299
で与えられる。
そして、いくつかの通信路が中断した状態におけるアクティブな通信路の送信信号は、
Figure 2018191299
で与えられる。
プレコーダ行列の補正（式(1.6)）又は信号の再計算（式(1.8)）の後では、図１０に示すように、アクティブな通信路のＳＮＲが、他の通信路がオフになった時に回復する。
なお、プレコーダ行列の如何なる変化も、伝送スペクトルを変化させる。従って、係数再計算は、送信電力の再計算を必要とする送信電力制限からの逸脱を引き起こす可能性がある。これについては、さらに以下で詳細に説明する。
アップストリーム方向では、線形プレコーディングの代わりに、線形ベクトル等化処理が使用される。
図１１には、
Figure 2018191299
に対応するシステムモデルが示されている。
ダウンストリーム方向と同様に、ｕは送信信号ベクトルであり、
Figure 2018191299
は、受信信号ベクトルであり、Ｈはチャネル行列である。
ＣＰＥ側では送信電力を測定するために対角行列Ｓを使用できるが、クロストーク除去では、これは必要ではなく、Ｓ＝Ｉに設定してもよい。クロストーク除去、並びに、直接チャネルのゲイン及び位相の補正は、イコライザ行列Ｇを用いて実行されてもよい。アップストリームの場合、イコライザ行列Ｇは完全行列（full matrix）である。
ダウンストリームの場合と同様に、係数再計算を
Figure 2018191299
によって行うことができる。
あるいは、
Figure 2018191299
に従い、受信信号に基づく再計算を実行することもできる。
この再計算は雑音環境を変化させる。受信信号ｙが受信信号と雑音ｙ＝Ｈ・ｕ＋ｎとから構成されるからである。この雑音環境の変化がＳＮＲの変化につながり、ＳＮＲの変化によって、ビットローディングの削減が必要とされ得る。
ベクトルプレコーディングに関しては、線形プレコーディングに代わるものとして、トムリンソン原島プレコーダ（Tomlinson Harashima precoder）による非線形プレコーディングが議論されている。アップリンク方向では、汎用判定帰還型等化器（Generalized Decision Feedback Equalizer (GDFE)）が、１つの可能な実施態様である。
線形プレコーダの場合と同様に、プレコーダ行列の変更により伝送スペクトルが変化する。他の非線形プレコーダ及び非線形等化器を使用してもよい。
次に、伝送スペクトル整形（transmit spectrum shaping）について説明する。
有線通信における送信電力は、規制及び技術的な理由によって制限されている。規制上の制約を満たすため、及び、利用可能な送信電力をできるだけ効率的に使用するために、伝送スペクトル整形が使用される。
非線形プレコーダと同様に、線形プレコーダの出力スペクトルは、入力スペクトルとは異なっている。伝送スペクトルを変化させている間のクロストーク除去能力を維持するため、プレコーダの入力部で伝送スペクトルが図８に示すスケール行列Ｓにより整形される。そして、遷移共分散行列（transit covariance matrix）は、
Figure 2018191299
によって与えられる。
ここで、対角要素は、各ポートの送信電力に対応する。有線通信では、通信路毎の伝送スペクトルは、最大送信電力Ｐmaxに等しいスペクトルマスクによって制約される。
Figure 2018191299
最大送信電力Ｐmaxは一般的には周波数に依存する。このセクションでは、ダウンリンク
方向において線形プレコーディングを行う有線通信に関する２つのスペクトル整形手法を示す。
第１の手法は、最もゲインが高い通信路に関する伝送スペクトルスケーリングに関するスケール因子を選択することである。そして、スケール因子は、
Figure 2018191299
で与えられる。
このスペクトルスケーリング法により、「出力スペクトルが全ての通信路におけるスペクトルマスクに適合する一方で、ただ１つの通信路が最大に近くなり、他の通信路がそれよりも低くスケールされること」が保証される。一般に、全ての通信路が最大電力で送信できるような入力伝送スペクトルは存在しないが、次のセクションで示すように、データレートが最大化されるような入力スペクトルを計算することは可能である。
性能を改善するために、伝送スペクトルの最適化が行われてもよい。線形ゼロ強制プレコーディングに関するリンクlのデータレートＲlは、
Figure 2018191299
によって与えられる。
これは、チャネル行列Ｈ、スケール因子Ｓ、及び、雑音分散
Figure 2018191299
に依存する。
式(1.15)は、ＳＮＲが、チャネル行列Ｈと雑音分散
Figure 2018191299
と、スケール行列Ｓとの関数として、
Figure 2018191299
で与えられると仮定している。
これは線形ゼロ強制プレコーダにも当てはまり、線形ゼロ強制プレコーダでは、ゲインスケーリングの前の通信路l の送信信号Ｕlが単位電力を有している。さらに、
Figure 2018191299
に従って、対角要素が１に等しくなるようにプレコーダ行列Ｐがスケーリングされる。
全ての通信路について目的関数を用いて最適化がなされ、それは、ここでは合計データレートである。変調アルファベット（modulation alphabet）の制限を考慮するために、
追加の制約条件が導入されてもよい。トーン毎及び通信路毎に、ビットローディングｂに関して、上限ｂmax及び下限ｂmin（通常ｂmin＝１）が存在してもよい。このことは、最
大要求ＳＮＲ（maximum required SNR）が、
Figure 2018191299
であり、最小ＳＮＲが
Figure 2018191299
である、と言い換えられる。
最大ビットローディング及び上限ＰＳＤ（limit PSD）は、式A・x=bの線形制約集合で
再構成される。ゲイン値Ｓiに関して最大化を行う代わりに、２乗ゲイン値|Ｓi|2を最適
化問題
Figure 2018191299
の独立変数として使用する。
この最適化問題を解決する独立変数が、合計レート最適スケール因子（sum-rate optimal scale factor）である。
また、実施形態では、伝送スペクトル変動が使用（employ）されてもよい。
上述した係数再計算では、図３．１に示すように、伝送スペクトルが変化し、いくつかのトーンが、式(1.13)の制約から逸脱し得る。伝送スペクトルの再計算を行うことなくシンボル毎の低電力モードを可能にするため、及び、伝送スペクトルの逸脱を避けるため、伝送スペクトルは、任意のコンフィギュレーションについての制約から逸脱しないように選択されなければならない。
行列Ｓのスケール係数が実数且つ正数に限られる場合、出力される送信電力diag(Ｃtx)は、複数のスケール因子の増加関数である。従って、可能な全てのコンフィギュレーションに関する送信電力制限を満たすことが、上記複数のスケール因子をすべてのコンフィギュレーションの最小スケール因子に設定することによって可能である。
これは、動作中に起こり得る全ての低電力モードのコンフィギュレーションに対して有効であることが保証される安定したコンフィギュレーションである。
本明細書において通信路を指すものとして使用される"静止モード"という用語は、中断した通信路、ノーパワーモードの通信路、静止シンボルを伝送する通信路、送信電力無しでアイドルシンボルを伝送する通信路等を指してもよい。
上述した実施形態は、単に例示としての役割を果たすものに過ぎず、制限的なものと解釈されるべきではない。とりわけ、細部又は数値は、例示の目的で示されたものであるが、他の実施形態では異なり得る。

Claims (16)

  1. アクティブな通信路及び中断された通信路の全てのケースが予め定められた制限を逸脱しない伝送電力スペクトル密度及びビットローディングの最小コンフィギュレーションを探す段階を備える方法。
  2. 前記最小コンフィギュレーションを探す段階は、間欠動作における送信電力の変化及び信号対雑音比の変化を考慮する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記最小コンフィギュレーションを探す段階は、全ての通信路のサブセットであるアクティブな通信路Ｉａの集合を規定する段階と、全ての利用可能なコンフィギュレーションのうち、アクティブな通信路の可能な全ての集合を含む全てのコンフィギュレーションの集合Ｔを規定する段階とを含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記最小コンフィギュレーションを探す段階は、全ての利用可能なコンフィギュレーションについての送信電力の制限を満たすスケール行列Ｓｍｉｎを探す段階を含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記最小コンフィギュレーションを探す段階は、最悪の場合の信号対雑音比に関連するビットローディングを選択する段階を含む、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
  6. 利用可能なコンフィギュレーションの集合から臨界コンフィギュレーションを除外する段階をさらに備え、臨界コンフィギュレーションは、全体の性能を著しく低減する単一のコンフィギュレーションである、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
  7. 臨界コンフィギュレーションの集合を記録する段階をさらに備える、請求項６に記載の方法。
  8. 前記スケール行列Ｓｍｉｎを探す段階は、
    Figure 2018191299
     により規定されるプレコーダ行列に関する
    Figure 2018191299
     を満たすコンフィギュレーション
    Figure 2018191299
     に関するスケール行列Ｓｔを規定する段階と、
    前記スケール行列Ｓｍｉｎ
    Figure 2018191299
     を規定する段階とを含み、ｓｉｉ ｔはアクティブな通信路のサブセットに対応するスケール因子である、請求項４に記載の方法。
  9. アクティブな通信路及び中断された通信路の全てのケースが予め定められた制限を逸脱しない伝送電力スペクトル密度及びビットローディングの最小コンフィギュレーションを探す手段を備える装置。
  10. 前記最小コンフィギュレーションを探す手段は、間欠動作における送信電力の変化及び信号対雑音比の変化を考慮する、請求項９に記載の装置。
  11. 前記最小コンフィギュレーションを探す手段は、全ての通信路のサブセットであるアクティブな通信路Ｉａの集合を規定する手段と、全ての利用可能なコンフィギュレーションのうち、アクティブな通信路の可能な全ての集合を含む全てのコンフィギュレーションの集合Ｔを規定する手段とを含む、請求項９又は１０に記載の装置。
  12. 前記最小コンフィギュレーションを探す手段は、全ての利用可能なコンフィギュレーションについての送信電力の制限を満たすスケール行列Ｓｍｉｎを探す手段を含む、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記最小コンフィギュレーションを探す手段は、最悪の場合の信号対雑音比に関連するビットローディングを選択する手段を含む、請求項９から１２の何れか一項に記載の装置。
  14. 利用可能なコンフィギュレーションの集合から臨界コンフィギュレーションを除外する手段をさらに備え、臨界コンフィギュレーションは、全体の性能を著しく低減する単一のコンフィギュレーションである、請求項９から１３の何れか一項に記載の装置。
  15. 臨界コンフィギュレーションの集合を記録する手段をさらに備える、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記スケール行列Ｓｍｉｎを探す手段は、
    Figure 2018191299
     により規定されるプレコーダ行列に関する
    Figure 2018191299
     を満たすコンフィギュレーション
    Figure 2018191299
     に関するスケール行列Ｓｔを規定する手段と、
    前記スケール行列Ｓｍｉｎ
    Figure 2018191299
     を規定する手段とを含み、ｓｉｉ ｔはアクティブな通信路のサブセットに対応するスケール因子である、請求項１２に記載の装置。
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