KR100893458B1 - 디지털 통신시스템의 제어 방법 및 그 방법을 이용하는 장치 - Google Patents

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Abstract

디지털 통신시스템(700)을 동적으로 제어하기 위한 방법, 장치, 및 시스템이 개시된다. 라인 및 신호 특성장비(716)가 시스템의 디지털 통신에 관한 정보를 수집하고, 간섭효과를 포함한 디지털 통신라인들의 라인 및 신호 특성을 동적으로 결정한다. 결정된 특성 및 원하는 성능 파라미터에 기초하여, 디지털 통신라인들의 동작이 통신적응화(715)에 의해 조절되어 시스템(700)의 성능을 개선 또는 제어한다.
크로스토크, 상향스트림, 언번들링, 벡터화, 동적 스펙트럼 관리

Description

디지털 통신시스템의 제어 방법 및 그 방법을 이용하는 장치{METHOD OF CONTROLLING DYNAMIC DIGITAL COMMUNICATION SYSTEM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 일반적으로 디지털 통신시스템 관리를 위한 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본 발명은 DSL 시스템과 같은 통신시스템의 성능에 영향을 미치는 시스템 파라미터(parameter)의 동적 제어에 관한 것이다.
본 발명은 전송매체가 통상 구리배선인 디지털 통신시스템에 관한 것이다. 가장 일반적으로, 구리배선은 몇몇 제조규격(예컨대, AWG-26, AWG-24, CAT-3, CAT-5, CAT-6)에 기초하여 분류된 연선(twisted pairs, 이하, 라인(line) 또는 루프(loop)로 칭하기도 함)으로 구성된다. 구리배선을 사용하는 일반적인 통신시스템은 ISDN, HDSL, ADSL, VDSL 등의 디지털가입자회선(DSL) 시스템 및 이더넷(ethernet) 등의 구내통신망(LAN)을 포함한다. 송수신기(예컨대, 사용자 모뎀)는 구리 배선을 포함하는 통신선의 각각의 끝에 위치된다.
기존 전화선은 일반적으로 어떤 방식으로든 "번들(bundle)"로 이루어진다. 몇개의 페어를 (바인더 등으로) 번들링(bundling)함으로써, 단일 사용자에 대한 서비스를 개선시킬 수 있고, 또는 다중 사용자에 대한 서비스를 가능하게 할 수 있다. 예컨대, 1000-BaseT 이더넷은 4개의 연선을 사용하여, 페어별로 250Mbps, 또 는 총 1Gbps의 데이터 속도를 달성한다(도 1 참조). 도 1에서, 데이터 스트림(110)이 제1 송수신기(120)로 공급되어, 데이터 스트림(110)이 다중 성분(multi component) 데이터 스트림으로 분해되며, 필요하다면 변조기(140)를 이용하여 변조된다. 변조된 성분의 데이터 스트림은 연선(150)을 통해 복조기(160)로 전송되고, 제2 송수신기(170)에서 재구성된다. 전술된 각종 구성부재의 역할을 역전시킴으로써 반대방향으로 데이터가 전송될 수 있다.
또 다른 적용예는, DSL 서비스용의 전신루프시설(telephone loop plant)에 사용하는 것으로서, 일례가 도 2에 도시되어 있다. 각 고객 옥내장치(CPE, 220)에서 퍼져 나온 연선(150)들이 하나 이상의 바인더로 그룹화되고, 이는 중앙국(central office, 이하 CO), 광통신망 유니트(optical network unit, 이하 ONU), 또는 원격단자(remote terminal, 이하 RT) 등의 종착점에 도달된다. 물론, 자신의 총 데이터속도를 향상시키고자 하는 단일 DSL 사용자가 다중의 연선들을 사용하는 등의, 혼성(hybrid)의 시나리오 또한 발생할 수 있다.
연선들의 번들링은 필요에 의해(예컨대, 기존 전화루프 하부구조) 또는 개선된 성능의 장점 때문에(예컨대, 1000-BaseT 이더넷) 발생한다. 하지만, 어느 경우에 있어서나, 이러한 셋팅에서의 통신은 이웃하는 페어들간의 전자기적 커플링으로 발생되는 간섭, 즉 크로스토크(crosstalk)라고 하는 간섭을 겪게 된다. 이는 연선의 끝의 모뎀에서 수신되는 어떠한 신호라도 일반적으로 특정 연선(자체가 어느 정도 왜곡됨)의 전송신호뿐만 아니라, 이웃하는 페어로부터 전송되는 왜곡된 신호도 포함함을 의미한다. 따라서, 특정 페어의 전송특성(예컨대, 페어로 전송되는 전 력)은 유도되는 크로스토크 때문에 이웃하는 페어의 통신에 본질적으로 영향을 주게 된다. 따라서, 이웃하는 페어들의 전송이 어떤 식으로든 중첩된다(특히, 번들에 속하거나 동일한 바인더를 공유하는 경우). 간섭신호는 일반적으로 잡음으로 처리된다. 그러나, 경우에 따라서는 크로스토크가 식별될 수도 있다(미국특허출원 제 09/788,267호 참조, 이하 참조로 포함됨). 크로스토크의 중첩작용이 식별될 수 있다면, 크로스토크 간섭을 제거할 수 있을 것이다.
"언번들링(unbundling)"은 기존 지역교환통신 사업자(이하, IELC)가 전화선 또는 자신의 대역폭의 일부를 경쟁의 지역교환통신 사업자(이하, CLEC)에게 대여하는 것을 포함한다. 현재 DSL 서비스상의 언번들링 관행은 CLEC가 변조된 신호를 직접적으로 대여된 물리적 구리페어 전화선들로 배치하는 것을 허용하며, 이러한 것은 종종 "암동선(dark copper)"의 대여(lease)로 불리운다 . 그러한 언번들링된 신호들은, 다양한 서비스 제공자 사이에 서로 다른 서비스를 제공할 것이며, 따라서 서로 다른 스펙트럼을 사용할 것이다. 스펙트럼의 차이는 근접 거리에 존재하는 라인들 사이에 전자기적 누설로 인해 발생되는 크로스토크의 불친화성(incompatibility)을 악화시킬 수 있다. ILEC 및 CLEC는 다양한 DSL 사용자에 의해 사용될 수 있는 전력 스펙트럼 밀도 및 주파수 대역을 표준화함으로써, 상호 스펙트럼 호환성을 보장하고자 한다. 그러나, 다수의 DSL 유형과 대역폭들이 존재하며, 서비스 제공자들은 때로는 경쟁자이기도 하여서, 그러한 스펙트럼 관리를 복잡하게 한다. 더욱이, 스펙트럼 규정자(regulator)와 DSL 표준 그룹간의 협조와 연계가 여전히 초기 진화단계(evolution)이어서, 규정자들이 스펙트럼 관리에 서 기대되는 것과 다른 관행(practice)을 허용할 수도 있다.
DSL 스펙트럼 관리는, 동일한 바인더에서 전개될 수 있는 DSL 간의 크로스토크를 제한하기 위하여, 다양한 DSL 서비스의 스펙트럼을 정의하고자 하는 것이다. 그러한 크로스토크는 다양한 루프 도달거리에서 제공되는 DSL 서비스의 데이터속도 및 대칭성을 결정하는 제한요소일 수 있으므로, 스펙트럼 관리는 동시에 배치될 수 있는 다양한 DSL 서비스 제공 사이의 절충(compromise) 레벨을 찾는 것이다. 스펙트럼 관리연구에서는 몇몇 일반적이고 최악의 루프 환경을 지정하고, 서비스 간의 상호 성능감소를 줄이도록 각 DSL 형태를 위한 고정된 스펙트럼을 정의하는 방향으로 나아간다. 그러한 고정된 스펙트럼 할당은 연구에서 기대되는 것과 다른 환경에서 원하는 상충레벨을 만들어 내지 못할 수도 있다.
이렇게 제정된 규정은, 전송 파라미터에 대하여 엄격한 제한을 두어, 시스템의 모든 부분의 전송을 일정하게 제한함으로써 크로스토크에 기인한 성능저하를 제어한다. 일반적으로 전체 규정은 실제 크로스토크 환경(예컨대, 이웃하는 페어가 실제로 신호를 전송하는지의 여부)에 무관하게 동일하게 적용하므로, 최악의 시나리오에 대한 방어책을 제공한다.
현재, 물리계층에서의 통신 파라미터(전송 전력, 전송 대역폭, 전송전력 스펙트럼 밀도, 시간/주파수별 에너지 할당치, 시간/주파수별 비트할당치)는 한 페어의 모뎀과 이들의 연선 라인에 대한 통계적 정보에 기초하여 결정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기존 시스템(300)은 연선 라인(312)에 의해 연결된 모뎀 페어(310, 311)를 포함한다. 각 링크에 대하여 표준화된 요구사항과 제약조건(314)이 통신적응모듈(315)로 제공된다. 몇몇 경우에 있어서, 측정된 라인과 라인(312)의 신호특성이 주어진 라인에 대한 모듈(316)에 의해 통신적응모듈(315)로 피드백 되어, 라인(312)에 해당하는 모뎀 페어(310, 311)의 동작을 지원할 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 링크와 그 해당 모뎀 페어 외부에는 아무런 라인 및/또는 신호 특성의 통신 또는 전달이 없다. 더욱이, 아무런 독립개체도 하나 이상의 모뎀 페어 및 라인의 동작 또는 다양한 페어들간의 상호작용(예컨대, 라인간의 크로스토크)에 대한 지식을 갖고 있지 않다. 대신, 도 3에 도시된 바와 같이, 라인과 모뎀으로 적용되는 규칙, 요구사항, 및 제약조건 등이, 운영중 시스템 내에 존재하는 실제 조건과는 무관하게, 크로스토크 또는 기타 간섭의 최악의 경우를 수용하도록 설계된다.
현행 멀티-유저 통신시스템의 단점 중 하나는 전력제어에 있다. 간섭에 의해 제한되는 일반적인 통신시스템에 있어서, 각 사용자의 성능은 자신의 전력 할당치 뿐만 아니라 다른 모든 사용자의 전력 할당치에도 의존하게 된다. 따라서, 시스템 설계는 일반적으로 다른 사용자들간의 중요한 성능의 상충점(trade-off)을 포함한다. DSL 환경은 멀티-유저 시스템이라고 간주될 수 있고, 이는 상호 간섭의 존재하에서 다중의 DSL 모뎀에 대하여 획득 가능한 대부분 또는 모든 데이터 속도로부터 선택할 수 있도록 하거나, 이를 최대화하는 개선된 전력 할당 방식으로 인하여 장점을 제공할 것이다.
전술한 바와 같이, DSL 기술은 통상의 전화용 동선 페어를 통하여 고속 데이터 서비스를 제공한다. 다른 사용자로부터의 전화선이 중앙국으로부터의 중간에 함께 묶여지므로, DSL 환경은 멀티유저 환경으로 간주되며, 번들내의 서로 다른 선들이 자주 서로간의 크로스토크를 발생시킨다. 그러한 크로스토크는 루프내에서 지배적인 잡음원이 될 수 있다. 그러나, ADSL 및 HDSL과 같은 초기 DSL 시스템은 싱글유저 시스템(single-user system)으로 설계된다. 싱글유저 시스템은 설계하기가 상당히 용이하지만, 실제 멀티유저 시스템 설계는 싱글유저 시스템 설계보다 더 높은 데이터 속도를 실현할 수 있다.
더 높은 데이터 속도에 대한 수요가 증가하고, 통신시스템이 더 높은 주파수대역으로 이동함에 따라, 크로스토크 문제가 더욱 알려지고, 스펙트럼 호환성 및 전력제어가 중심 이슈가 된다. 이는 특히 20MHz의 주파수까지 사용될 수 있는 VDSL에 대하여 특히 그러하다 .
DSL 환경이 루프에 따라 변화하더라도 시간에 따라서 변화하지는 않기 때문에, DSL 시스템의 전력제어는 무선시스템의 전력제어와는 다르다. 페이딩(fading)과 이동도(mobility)는 문제가 되지 않으므로, 완전하게 채널을 파악하고 있다는 가정은 타당하다. 이는 정교한 중앙집중형 전력 제어 방식을 구현하도록 한다. 반면, 균일한 페이딩이 가정될 수 있는 무선 환경과는 달리, DSL 루프는 엄격히 주파수 선택적이다. 따라서, 어떤 개선된 전력 할당 방식이라도 각 사용자에게 할당되는 총 전력량뿐만 아니라, 각 주파수에서의 전력 할당 또한 고려할 필요가 있다. 특히, VDSL 시스템에서는 중앙국으로부터 서로 다른 거리에 위치된 2개의 송신기가 모두 중앙국과 통신을 시도하는 경우 원근문제(near-far problem)가 발생한다. 하나의 송신기가 타 송신기보다 중앙국에 훨씬 가까이 있는 경우, 단거리의 송신기로 인한 간섭은 장거리의 송신기기로부터의 신호를 압도하게 된다.
DSL 모뎀은 전통적인 음성신호대역 위의 주파수를 사용하여 고속데이터를 전송한다. 주파수 선택성이 강한 통화채널에서 심볼간 간섭을 제거하기 위해서는, DSL 전송이 이산 멀티톤(Discrete Multitone, 이하 DMT) 변조를 사용하며, 이는 주파수 대역을 다수의 서브채널로 분할하고, 각 서브채널이 별도의 데이터 스트림을 전송하도록 한다. DMT 변조를 사용함으로써, 각 주파수 톤(tone)에 임의의 전력 할당을 구현하도록 하여, 스펙트럼 성형(spectral shaping)이 이루어지도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, DSL 번들(410)은 번들로 된 다수의 가입자 회선(412)으로 이루어지며, 서로 매우 근접되어 있어 크로스토크가 발생하게 된다. 근단 크로스토크(NEXT, 414)는 수신기와 동일한 쪽에 위치된 송신기에 의해 발생되는 크로스토크를 말한다. 원단 크로스토크(FEXT, 416)는 반대편에 위치한 송신기에 의해 발생되는 크로스토크를 말한다. 근단 크로스토크(NEXT)는 일반적으로 원단 크로스토크(FEXT)보다 훨씬 크다. 이하 설명되는 본 발명의 실시예에서는 도해를 목적으로 주파수 듀플렉스 시스템을 사용한다.
현행 DSL 시스템은 싱글유저 시스템으로 설계된다. 시스템 총전력 제약조건에 더하여, 각 사용자는 또한 정전력 스펙트럼 밀도(PSD) 제약조건에 종속된다. 전력 스펙트럼 밀도 제약조건은 모뎀으로부터 최악의 경우의 간섭레벨을 제한한다; 따라서, 각 모뎀은 최악의 경우의 잡음을 견디도록 설계될 수 있다. 그러한 설계는 실제 배치 시나리오가 때로 최악의 경우의 잡음보다 훨씬 낮은 간섭레벨을 가진다는 점에서 근사적인 것이나; 현행 시스템은 이러한 사실을 활용하도록 설계되지 는 않는다. 또한, 동일한 전력 스펙트럼 밀도 제약조건이 모든 모뎀으로 그 지리적 위치에 무관하게 균일하게 적용된다.
다른 위치의 다른 사용자에게 다른 전력 할당을 하지 않는 것은, 전술한 원근 문제로 인해 문제의 소지가 있다. 도 5는 동일한 바인더의 2개의 VDSL 루프(510)들이 중앙국(512)으로부터 원거리의 사용자 옥내(514)와 근거리의 사용자 옥내(516)로 이어지는 형태를 나타낸다. CPE측 송신기 모두가 동일한 전력 스펙트럼 밀도로 송신하는 경우, 단거리 라인에 의한 원단 크로스토크 FEXT(526)가 선로 감쇠의 차이로 인하여 장거리 라인의 데이터 신호를 압도한다. 따라서, 장거리 라인의 상향스트림 성능이 단거리 라인의 상향스트림 전송에 의해 심하게 영향을 받는다. 이러한 장거리 라인과 단거리 라인 사이의 스펙트럼 양립성 문제를 치유하기 위하여, 단거리 라인은 장거리 라인으로의 부당한 간섭을 일으키지 않도록 자신의 상향스트림 전력 스펙트럼 밀도를 줄여야 한다. 이러한 상향스트림 전송 전력 스펙트럼 밀도의 감소는 상향스트림 전력 백-오프(back-off)로 알려져 있다. 모든 CO측 송신기들이 또한 동일한 전력 스펙트럼 밀도로 전송하더라도, 그들이 서로 일으키는 원단 크로스토크(FEXT)는 CO로부터 고정된 위치 어디에서도 동일하기 때문에, 하향스트림 방향은 동일한 문제를 겪지 않는다는 점에 유의한다. 이러한 하향스트림 원단 크로스토크(FEXT) 레벨은 일반적으로 데이터 신호보다 훨씬 작아서, 하향스트림 전송에 심각한 문제를 일으키지 않는다.
몇몇 상향스트림 전력 백-오프(back-off) 방법이 VDSL용으로 제안되었었다. 현행의 모든 전력 백-오프 방법에서는, 단거리 회선이 장거리 회선의 행동을 모방(emulate)하도록 함으로써 단거리 회선에 의한 간섭방출을 줄이려고 시도한다. 예컨대, 상수(constant) 전력 백-오프 방법에서는, 특정 참조주파수에서 단거리 루프로부터 수신된 PSD 레벨이 장거리의 참조루프로부터의 수신되는 PSD 레벨과 동일하도록, 상수 인자가 상향스트림 전송대역의 주파수에 걸쳐 적용된다.
이러한 방법을 일반화하여 참조길이방법(reference length method)이라 불리우며, 단거리 루프의 수신 PSD가 모든 주파수에서 장거리 참조루프와 동일하도록 백-오프의 변수레벨이 주파수에 걸쳐 구현된다. 하지만, 전체 주파수 대역에 걸쳐 단거리 루프에 대하여 동일한 PSD 제한을 부과하는 것은, 고 주파수대역에서 주로 감쇄가 너무 많아 장거리루프에서는 유용하지 못하므로, 너무 제한적일 수 있다. 따라서, 단거리 루프는 자신은 간섭을 고려치 않고 고 주파수 대역으로 전송할 수 있어야 한다.
이러한 관찰이 다중 참조길이방법(multiple reference length method)으로 이르게 하였으며, 상기 다중 참조길이방법에서는 각 상향스트림 주파수대역에 다른 참조길이를 설정한다. 전술한 모든 방법들은 단거리 루프의 PSD 레벨을 몇몇 장거리 참조루프의 PSD 레벨과 균등하게 한다. 이러한 방법들이 몇몇 경우에서는 구현하기 용이할 수 있으나, 대신 간섭레벨 자체가 균등화되면, 좀 더 우수한 성능을 얻을 수 있다. 그러한 접근법의 예로서, 단거리 루프에 의한 원단 크로스토크(FEXT) 방출이 장거리 참조루프로부터의 원단 크로스토크와 같도록 하는 균등화된 원단 크로스토크 방법, 및 원단 크로스토크 방출이 좀 더 일반적인 참조 잡음과 같도록 하는 참조잡음 방법이 있다. 현재 단일 방법으로 일치되지는 않지 만, 스펙트럼 성형을 허용하는 참조잡음 등의 신축적인 방법이 좀 더 좋은 성능을 제공할 수 있다는 것은 분명하다.
앞서 제안된 전력 백-오프 방법은 단거리 루프의 전력 또는 잡음 스펙트럼이 참조루프 또는 참조잡음에 따를 것을 요구한다. 이러한 접근법들은 각 루프가 자신의 전력 스펙트럼을 참조에 따라 조절하기만 하면 되고, 망 토폴로지에 대해 알고 있을 것을 요구하지 않기 때문에 실행이 간단하다. 그러나, 망내의 루프 및 커플링 특성이 루프 자체 또는 중앙집중형의 제3의 그룹 어느 쪽에라도 알려지면, 전력 스펙트럼 레벨의 적응화된 조절이 실행될 수 있어, 더 양호한 시스템 성능을 허용한다.
그러나, 관련한 최적화 문제는 다수의 변수로 인해 복잡하며, 문제의 비볼록한(non-convex) 성질상 많은 지역 최소값이 존재한다. 이 문제를 해결하려는 초기의 시도는 종종 모든 송신기 전력 스펙트럼 밀도를 동일하게 하거나, 모든 PSD를 어떤 의미에서 대칭이 되도록 하는 등의 제약조건을 추가하는 것에 의존하였다. 전역적인 진정한 최적조건을 찾으려는 첫번째 시도는 양자 어닐링(quantum annealing)에 기초하여 각 사용자의 제약조건을 조건으로 총 에너지를 최소화하는 것이다.
당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 전술한 좀 더 초기의 방법들은 다양한 단점들을 갖는다. 이러한 방법중 몇몇은 구현이 간단하였지만, 간략화를 위해 활용가능한 성능을 상실하였다. 반면, 더 좋은 성능레벨을 실현하려는 방법은 너무 복잡하여 실용적이지 못했다. 시스템 성능을 실질적으로 개선할 수 있는 다소 간단한 방법과 시스템이 당해 기술분야의 중요한 진보를 나타낼 것이다.
전술한 바와 같이, 전화가입자 라인상으로 고속 데이터를 신뢰성 있게 전달할 수 있는 광대역 액세스(access) 기술과 함께 DSL 시스템이 빠르게 대중성을 얻고 있다. 비대칭가입자회선(ADSL) 시스템의 성공적인 전개(deployment)는 이 기술분야의 잠재성을 보이는데 일조하였다. 현행의 노력들은 20MHz 급의 대역폭 사용을 허용하는 VDSL에 초점을 맞춘다. ADSL은 6Mbps의 하향스트림 속도에 도달할 수 있는 반면, VDSL은 52Mbps까지의 하향스트림 속도를 갖는 비대칭 서비스 및 13Mbps까지의 대칭 서비스 제공을 목적으로 한다. 그러나, DSL 통신은 잠재성을 완전히 발휘하기에는 여전히 모자라며, 라인의 점차적인 "단선화"는 개선된 속도와 성능을 얻을 수 있는 진보된 방법을 개발할 기회를 제공한다.
진보된 DSL 서비스에서는, 네트워크 종단(NT 또는 "사용자 옥내측") 뿐만 아니라 라인 종단(LT 또는 "중앙국측")의 위치가 변경될 수 있다. 즉, 모든 LT 모뎀들이 동일한 물리적 위치에 있는 것이 아니다. 때로는 ONU 또는 캐비넷(cabinet)에 위치되며, 이는 CLEC의 장착과 위치설정이 물리적으로 불가능하지 않다면 기술적으로 어려울 수도 있다. CLEC 화이버의 ONU로의 액세스가 제한되거나 및/또는 ONU가 새로운 CLEC 각각에 대한 셀프/랙(shelf/rack)을 수용할 만큼 충분히 크지 않을 수 있기 때문에 애로사항이 생긴다. 그러한 암동선(dark copper)을 위한 CLEC 장비의 설치는, 중앙국에 있는 경우, "병치(collocation)"라고 종종 불리운다. 암동선의 언번들링을 위한 그러한 중앙국 병치에 대한 공간과 시설확보가 어떠한 경우에는 법에 의해 강제될 수도 있는 반면, ILEC는 LT 터미널에서의 본질적 인 패킷 언번들링(즉, 물리계층이 아닌 프로토콜 레벨의 2 또는 3계층에서 대여되는 서비스 대역폭)만을 제공할 수도 있다. 이는 많은 스펙트럼 연구들에서 예상되는 아키텍쳐(architecture)의 변화를 나타낸다.
단일의 서비스 제공자에 의한 모든 물리계층 신호들의 제어는, DSL 서비스의 성능에 이로울 수 있는 방법으로 전송되는 신호들의 조정(coordination)이 이루어지도록 한다. 라인 자체의 직접적인 물리계층의 대여 보다는 디지털 대역폭이 연선에서 사용가능하도록 하는 패킷 언번들링은 DSL 서비스의 발전에서 일보 진전된 것으로 보여진다.
개발중인 DSL 시스템 토폴로지가 도 6에 도시되었다. 몇몇 연선(616)들이 CO(610)로부터 나와서 사용자 옥내(614)에 도달한다. (CO(610)와 하나 이상의 CPE(614) 사이의 지점에) ONU(612)를 장착함으로써, 루프 길이(618)를 줄여, DSL 서비스의 성능과 도달거리가 개선된다. 일반적으로, ONU(612)는 화이버 링크(622)를 통해 CO(610)에 접속된다. 페어(616 및 618)가 동일한 바인더(620)를 점유할 수 있다.
크로스토크의 커플링현상은 바인더 그룹내의 연선들 사이에서 가장 강하다. 따라서, 바인더 그룹내의 자기(self) 원단 크로스토크를 제거하거나 완화하는 것은 매우 큰 성능상의 장점을 갖는다. 다른 서비스 제공자들의 "언번들링"된 라인들은 바인더 그룹을 공유할 수 있고, 이는 CO 송수신기 장비의 병치를 없게 되는 결과를 가져올 수 있다. 그러나, ONU의 배치는, 다른 서비스 제공자들이 ONU로의- 상기 ONU로부터 개별 사용자 라인들이 나오고 또한 수렴하게 된다 - 화이버 링크(예컨 대, 도 6의 622)를 공유해야 할 수도 있기 때문에, 몇몇 유형의 벡터화된 전송이 필요로 되는 아키텍쳐에 이르게 되는 것으로 보인다. 더욱 자세하게는, 라인 언번들링은 각 서비스 제공자가 각자의 개별 화이버를 사용하여 ONU로 전용의 연결을 제공하며, ONU가 각 서비스 사용자에 대하여 셀프(shelf) 또는 랙(rack)을 수용할 수 있도록 충분히 커야함을 의미하기 때문에, 현재의 "라인 번들링" 아키텍쳐는 ONU의 장착으로 비실용적이 된다. 때로는, 이는 실용적이지 못하거나 불가능한 것이다. 이러한 애로사항들은 물리계층 대신 트랜스포트 계층에서 서비스 대역폭이 대여되는 "패킷 언번들링"의 발전을 가져온다. 이러한 경우, 벡터화된 송신이, 실질적인 성능개선과 강화된 제어를 제공할 수 있으므로, 더욱 더 호소력을 갖는다.
몇몇 단점들에 앞서 크로스토크 문제가 알려졌었다. 예컨대, 몇몇 시스템에서는 MMO 최소평균자승오차(MMSE; minimum mean square error) 선형등화기(linear equalizer)가 도입되었다. 또 다른 종래 방법에서는 송신기와 수신기가 병치되어 있음을 가정하여 크로스토크를 소거할 수 있는 특이값 분해(singular value decomposition)를 채용하였다. 다른 초기의 방법들로서, "나이키스트(Nyquist) 한계" 송신기와 비교되는 성능상의 장점을 제공하는 것으로 나타났던 "광범위 나이키스트(wider than Nyquist)" 송신기 방법, 및 더 높은 SNR 값을 가져오는 것으로 나타났던 오버샘플링(oversampling)을 겸비한 크로스토크 주기 안정성(cyclo-stationarity) 방법을 포함한다.
초기의 방법들 또는 시스템들 가운데 어느 것도 유선통신시스템에서 비교적 간단하고 효과적인 크로스토크 간섭 감소방법을 제공하지 못했다. 그러나, 벡터화 된 송신(본 발명에 정의된 바와 같은)은 불합리한 복잡함이 없이 높은 정도의 크로스토크 감소를 달성할 수 있다. 더우기, 벡터화된 송신은 종래 시스템 및 방법의 단점을 극복할 수 있는 동적시스템 관리의 기회를 제공함은 물론 DSL 서비스에서 도래할 아키텍처상의 다가오는 변화를 수용할 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 DSL 시스템과 같은 디지털 통신시스템을 동적으로 제어하기 위한 방법, 장치, 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 라인들중 몇몇 또는 모두의 성능을 향상시키기 위하여, 이웃하는 통신라인들 및/또는 통신 환경에 관한 어느 정도 레벨의 정보를 활용한다(예컨대, 시스템내의 일군의 통신 라인들중 하나 이상에서의 라인 및 신호 특성들을 결정함). 일반적으로, 본 발명에서는, 통신환경에 관하여 획득된 정보에 기초하여 물리계층 통신 파라미터를 결정하고, 다음 해당 링크들에 관련되는 최적화 기준을 평가하는 방법들을 포함한다. 통신 파라미터 최적화는 일회(예컨대, 모뎀 초기화중), 주기적으로, 또는 심지어 계속적으로 발생할 수 있다. 이러한 통합적인 적응화을 수행하는 목적은, 채널 특성과 링크의 요구사항 및 제약조건들에 관한 정보를 활용하는 것으로서, 이는 서비스 준비단계의 개선을 가져올 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 모든 링크에 대하여 정보가 수집되지만, 통합 적응화는 상기 링크들의 부분집합(단일링크도 포함)에만 적용하는 방법을 포함한다.
라인 특성 및 모든 링크들의 시그널링 특성에 관한 정보는 공유되거나, 몇몇 실시예에서는 독립개체로 제공될 수 있다. 라인특성은 루프 토폴로지, 전달함수, 및 크로스토크 커플링 함수 등의 특성을 포함할 수 있다. 예컨대, 크로스토크 커플링에 관해 알고 있음으로써, 하나 이상의 이웃하는 링크들상의 송신으로 인한 신호의 감쇠량이 적절히 추정될 수 있으므로, 성능개선을 허용할 수 있다. 그 결과, 시스템 작동의 변화(예컨대, 전송전력의 증가)가 이웃하는 링크들을 저하시키지 않고도 성능을 개선시킬 수 있도록 결정될 수 있다.
시그널링 특성은 전송전력 스펙트럼 밀도, 사용되는 대역폭, 변조유형 및 비트 할당치를 포함할 수 있다. 본 발명과 관련하여 이러한 정보를 사용함으로써 활용가능한 전력의 주파수 분포가 이웃하는 링크들 사이의 충격이 최소화되도록 허용될 수 있다.
라인 및 시그널링 특성에 관한 정보의 공유에 더하여, 전송되는 비트스트림의 정보를 활용하여 통합 신호처리방법이 채용될 수 있다. 이러한 조정레벨은 크로스토크가 본질적으로 제거되는 "벡터화된" 전송의 개념에 직접적으로 관계된다. 또한, 이는 다른 부류의 적응화기법을 허용하여, 원하는 요구사항을 달성할 수 있도록 모든 링크들의 전력 및 주파수 자원들이 최적으로 할당될 수 있다.
더욱 자세하게는, 본 발명의 일실시예에서는, 시스템내의 디지털 통신라인들에 관한 정보를 수집하고, 디지털 통신라인의 라인 및 신호 특성을 동적으로 결정함으로써 디지털 통신시스템이 제어된다. 결정된 특성 및 요구되는 성능 파라미터에 기초하여, 복수의 디지털 통신라인들의 동작이 디지털 통신시스템의 성능을 개선 또는 제어하도록 조절된다. 정보의 수집 및 처리는 시스템의 한 사용자가 아닌 그룹에 의해 수행될 수 있다. 이러한 독립적인 그룹은 또한 시스템의 동작 특성 및 파라미터를 제어할 수도 있다. 몇몇 실시예에서는, DSL 시스템과 같은 시스템내의 통신라인들의 그룹들로 도입될 수 있는 크로스토크와 같은 신호간섭을 제거 또는 감소시키는데 본 발명이 사용된다.
다른 실시예에서는, 디지털 통신시스템이 다수의 통신라인들을 포함하며, 각 라인들은 한 사용자에 의해 사용되며, 한 사용자가 시스탬내에서 사용할 수 있는 총전력은 전력 제약조건에 의해 제한된다. 시스템 동작을 제어하는 방법은 각 사용자에 대한 총전력 제약조건을 초기값으로 지정한 후, 각 사용자에 대한 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 결정하는 단계를 포함한다. 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도는, 각 사용자가 자신의 전력 할당치를 반복적으로 최적화하도록 하여, 그 결과 사용자의 총 전력 제약조건내의 전력 할당치를 결정함으로써 명백하게 된다. 한 사용자에 대한 경쟁적으로 최적화된 데이터속도는 그 사용자에 도달되는 전력 할당치에 기초하며, 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도와 사용자의 목표속도를 비교함으로써 평가된다. 경쟁적으로 최적화된 데이터속도와 사용자의 목표속도의 비교에 따라, 사용자의 전력 제약조건에 대한 변경이 이루어질 수 있다. 사용자의 전력 제약조건은, 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 사용자에 대한 목표속도보다 작은 경우 증가되고; 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터속도가 적어도 소정의 분산치만큼 사용자에 대한 목표속도를 초과하는 경우 감소되며; 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터속도가 사용자에 대한 목표속도와 동일한 경우 또는 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 소정의 분산치 보다 작게 사용자에 대 한 목표속도를 초과하는 경우, 동일하게 유지된다. 이러한 실시예는 라인 언번들링 환경에서 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 디지털 통신시스템이 신호들이 송신 및 수신되는 복수의 통신라인들을 포함하며, 상기 신호는 전송중 간섭에 의해 영향을 받는다. 각 통신라인들은 사용자에 의해 사용되며, 적어도 하나의 송신기 및 적어도 하나의 수신기를 구비한다. 시스템 제어방법에서는, 통신라인들의 라인, 신호 및 간섭 특성에 관한 정보를 수집하고, 그러한 통신 라인들의 라인, 신호 및 간섭 특성의 모델을 생성하는 것을 포함한다. 송신기와 수신기 간의 신호 전송은 모델을 사용한 신호처리가 신호들로부터의 간섭을 제거하도록 동기화 된다. 이러한 실시예는 패킷 언번들링 환경에서 사용될 수 있다.
본 발명의 세부사항 및 장점들이 이하의 상세한 설명 및 관련 도면에 제공된다.
본 발명은 첨부도면과 연계한 이하 상세한 설명에 의해 용이하게 이해될 것이며, 이하 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다:
도 1은 총 정보 스트림의 전송에 사용되는 연선 전화라인 세트의 개략도.
도 2는 기존 전화루프시설을 활용하는 DSL 시스템의 개략도.
도 3은 개개의 라인별로 라인 및 신호 특성정보 및 링크 요구사항과 제약조건을 사용한 통신시스템의 개략도.
도 4는 바인더 내의 전송라인의 하나의 번들을 나타낸 DSL 시스템의 개략도.
도 5는 원단 크로스토크(FEXT)에서 발생되는 원근문제를 나타낸 개략도.
도 6은 바인더 내의 전송라인의 하나의 번들을 나타낸 DSL 시스템의 개략도로서, 몇몇 라인들이 CO와 ONU와의 사이에 화이버 또는 기타 링크를 공유한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 개략도로서, 다수의 DSL 라인으로부터의 라인 및 신호 특성에 대한 정보가 통합 통신 적응화 형상에서 공유 및 사용된다.
도 8은 DSL 라인사이의 크로스토크 간섭을 나타낸 간섭채널모델.
도 9는 CO/ONU에서의 블록 전송 및 수신의 동기를 나타낸 타이밍도.
도 10은 1640 피트의 길이를 갖는 루프에 대한 원단 크로스토크(FEXT) 커플링 측정을 나타낸다.
도 11은 이산 다중톤 시스템에서 단일 톤에 해당하는 본 발명의 일실시예에 따른 상쇄기 블록을 나타낸다.
도 12는 모든 톤들의 상쇄기 블록을 겸비한 상향스트림 전송용 벡터화 DMT 시스템을 나타낸다.
도 13은 이산 다중톤 시스템에서 단일 톤에 해당하는 본 발명의 MIMO 프리코더를 나타낸다.
도 14는 DMT 송신기 및 수신기를 포함하며, 모든 톤에 대하여 본 발명에 따른 프리코더를 겸비한 하향스트림 전송용의 벡터 DMT 시스템을 나타낸다.
도 15는 2개의 가능한 순서의 QR 분해를 나타낸다.
도 16은 루프길이의 작용으로 인한 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 속도차를 나타낸 도해적 표현.
이하 본 발명에 따른 상세한 설명에서는 하나 이상의 본 발명의 실시예를 참조하며, 이에 제한되는 것은 아니다. 상세한 설명은 도해를 목적으로 한 것이다. 당업자라면 도면에 대한 이하 기술된 상세한 설명은 본 발명이 이러한 제한된 실시예를 확장하도록 설명을 목적으로 제공된다. 예컨대, 본 발명은 DSL 시스템과 연계하여 몇몇 보기에서 설명된다. 그러나, 본 발명은 본 발명에 의해 제공되는 개선된 성능으로부터 이익을 얻을 기타 시스템과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 DSL 시스템에만 제한되지 않는다. 더우기 본 발명은 주로 크로스토크 간섭의 감소와 연계하여 이하 설명된다. 그러나, 또한 본 발명은 기타 바람직하지 않는 신호간섭을 제거 또는 감소하는데 또는 그 외에 본 발명이 사용되는 시스템이 성능을 개선하는데 사용될 수 있다.
시스템의 성능은 사용자에 대한 데이터 속도를 최대화함으로써 측정될 수 있다. 그러나, 어떠한 경우, 운영자가 사용자에게 다양한 서비스를 제공하고자 할 수 있다. 예컨대, 운영자가 번들에 대한 활용가능한 속도 모두를 알고 있다면, 운영자는 특정 사용자에게 "프리미엄" 서비스로서 또는 특정 용도(의료기관 또는 긴급구호 제공자)를 위해, 보다 더 높은 데이터 속도를 제공할 수 있을 것이다. 전술한 바에서 알 수 있는 바와 같이, "최선(optimal)" 및 "최적화(optimization)"와 같은 용어는 따라서 주관적으로 정의될 수 있으며, 반드시 그 자체로 빠른 데이터 속도를 의미하는 것이 아닐 수 있다.
"정적인 스펙트럼 관리(static spectrum management)"에서는 다양한 디지털 통신시스템과 연계하여, 고정적이고 불변하는 제약조건, 제한사항 및 요구사항을 사용한다. 이와 대조하여, 스펙트럼 적응화 결정(adaptive determination) 시스템을 이하 "동적 스펙트럼 관리"라 한다. 물론, 정적 스펙트럼 관리는 동적 스펙트럼 관리의 특별한 경우이므로, 정적 스펙트럼 관리는 동적 스펙트럼 관리를 능가할 수는 없다. 사실상 동적 스펙트럼 관리에 의해 실질적인 개선이 제공될 수 있다. 본 발명에서는 루프특성, 크로스토크 커플링 작용, 데이터 속도 및 제공되는 대칭성 등에 따라 개선정도가 변하지만, 현저할 수도 있음을 나타낸다. 상대적인 개선정도는, 현행의 DSL의 발전에서와 같이, 루프길이가 짧아질수록, 데이터 속도가 더욱 더 대칭적이 될수록 증가한다. 중요하게는, 본 발명에 따른 동적 스펙트럼 관리는 동일한 바인더에서 고성능의 대칭성 및 비대칭성 서비스의 더 큰 혼합비를 제공한다.
본 발명이 디지털 통신시스템에 대하여 일반적으로 설명될 것이다. 그러나, 동적 스펙트럼 관리의 범위내에서, 특별한 예를 들어 설명될 통신서비스의 언번들링에 관한 두가지 상황이 존재한다 -- DSL 서비스용 라인 언번들링 및 패킷 언번들링. "라인 언번들링(line unbundling)"은 다른 서비스 제공자들이 전화선내의 동선상에 전기적인 물리계층 신호를 배속시킬 때 발생하는데, 이는 중앙국에서 라인이 종단되는 경우 현행 관행이다. 이하에서 본 발명의 특정예의 도면(스펙트럼 밸런싱(balancing))이 제공될 것이며, 라인 언번들링 환경에서 적용될 수 있다. "패킷 언번들링"은, 서비스 제공자들이 그 대신 전화선상의 모든 신호를 관리하는 단일의 공통 케리어로부터 비트 스트림을 대여하는 경우에 발생하는데, 이는 다른 서 비스 제공자들이 동일한 전화선을 활용하고 있음을 의미한다. 이는 예컨대 중앙국을 ONU- 상기 ONU로부터 다른 서비스 제공자들의 연선들이 교대로 나온다 -로 접속시키는데 화이버가 사용되는 경우 발생할 수 있다. 이하에서 본 발명(벡터화된 전송)의 도해예가 설명될 것이며, 패킷 언번들링 환경에 적용가능하다.
일반사항
몇몇 실시예에 있어서, 모든 페어의 성능을 개선하기 위하여, 본 발명은 이웃하는 시스템 및 전송 환경에 관한 정보의 레벨을 사용하는 방법을 사용한다. 간단한 예로서, 라인간의 크로스토크 커플링이 미약한 경우, 다양한 전송 제한사항이 실질적인 충격없이 완화될 수 있다. 나아가, 이웃하는 페어상의 시스템들이 자신들의 전력 스펙트럼 밀도를 성형하여, 상호간에 유도되는 크로스토크가 최소화되고, 자신들의 성능목표에 도달하게 된다.
나아가, 본 발명은, 전체 통신환경(모든 이웃하는 연선들의 집합)에 관해 얻어진 정보에 기초하여 물리계층 통신 파라미터들을 결정하고 제어하는 방법 및 장치를 포함하도록 정의되며, 여기서 최적화 기준은 모든 해당 링크에 관한 것일 수 있다. 통신 파라미터들은 또한 페어상에서 전송이 허용되는 주기를 나타낼 수도 있으며, 이는 시분할 다중액세스와 유사한 방식을 의미한다. 통신 파라미터 적응화(adaptation)가 일회(예컨대, 모뎀 초기화중), 주기적으로, 또는 계속적으로 발생할 수 있다.
통합 적응화(joint adaptation)는 채널특성과 링크 요구사항 및 제약조건에 관한 정보를 활용하며, 이는 개선된 서비스 체제를 갖추는 결과를 가져온다. 몇몇 실시예에서는, 모든 링크에 대한 정보를 수집하지만, 통합 적응화에서는 그러한 링크의 단일 부분집합(single subset)에만 적용한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 모든 링크에 대하여 정보가 수집되지만, 통합 적응화가 그러한 링크의 부분집합들에 독립적으로 적용된다. 또 다른 실시예에서는, 통합 적응화가 모든 링크 또는 부분집합에 적용되면서, 링크의 부분집합에 대해서만 정보가 수집될 수 있다.
본 발명의 일 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 초기의 시스템에서와 같이, 디지털 통신시스템(700)은 연선(712)으로 연결된 모뎀(710, 711) 페어를 사용한다. 보편적인 요구사항 및 제약조건(예컨대, 총 시스템 전력 및 각 라인의 전력 제약조건)들이 모듈(714)에 의해 시스템의 모든 링크들로 적용될 수 있다. 또한, 각 라인(712)의 라인특성 및 신호특성이 획득되어져 통신 적응화 모듈(715)로 제공될 수 있다. 모듈(715)의 운영자는 단일의 서비스 제공자, 일군의 서비스 이용자, 또는 시스템 데이터를 수집 및 평가하고, 사용자들에게 명령을 제공하거나, 경우에 따라 바람직한 운영특성을 달성하도록 시스템 파라미터들을 제어할 수 있는 독립 개체(716) 일 수 있다. 도 7에서, 모든 라인들 (또는 라인들의 부분집합)에 대하여 라인특성 및 신호특성이 획득될 수 있으며, 조정(coordinate)되거나, 그렇지 않으면 통합방식으로 간주될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서는, 모든 링크의 라인 특성에 대하여 정보가 공유된다. 일례를 미국특허 제 09/788,267호에서 찾아볼 수 있는데, 이하 참조로 포함된다. 라인 특성은, 이에 제한되지는 않지만, 루프 토폴로지(topology), 전달함수, 및 크로스토크 커플링 함수를 포함할 수 있다. 예컨대, 크로스토크 커플링의 정보는, 이웃하는 링크상의 송신으로 인한 링크의 성능저하량이 정확하게 산정될 수 있고, 따라서 전송되는 전력의 증가가 이웃하는 링크들을 감쇠시키지 않고 성능을 개선시키도록 실현할 수 있을 것이므로, 성능 개선을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 시그널링(signaling) 특성에 관한 정보가 또한 (또는 그 대신) 공유된다. 시그널링 특성은, 이에 제한되지 않으나, 전송되는 전력 스펙트럼 밀도, 대역폭 활용범위 및 할당치, 변조유형, 및 비트 할당치를 포함할 수 있다. 이는, 활용가능한 전력의 주파수 분포를 포함하는 등의 새로운 부류의 방법과 장치를 활용하도록 할 수 있어서, 이웃하는 링크간의 충격을 최소화한다.
라인 및/또는 시그널링 특성에 관한 정보공유에 추가하여, 전송되는 비트 스트림의 정보를 활용하게 되는 통합 신호처리방법이 채용될 수 있다. 이러한 조정 레벨은 "벡터화"된 전송의 개념과 직접 연관되며, 크로스토크가 본질적으로 제거된다. 또한, 이는, 원하는 요구사항을 달성하기 위하여 모든 링크들의 전력 및 주파수 자원들이 최적화되어 할당 될 수 있는, 다른 분류의 적응화 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 두가지 특정 구현예가 제공된다. 첫번째는 VDSL 시스템에 적용된 바와 같이 일례로 제공되는, 적응화 다중사용자 전력제어 방법론을 사용한다. 그러한 시스템은, 다른 서비스 제공자들이 바인더의 다른 라인들로 액세스 할 수도 있는 라인 언번들링 환경, 및/또는 서로 부정적으로 영향을 끼칠 수 있는 다른 서비스들이 바인더의 라인들로 제공되는 라인 언번들링 환경에 있어서 유용하다.
적응화 전력제어 방법
디지털 가입자 회선(DSL) 환경은 다중사용자 환경으로 볼 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 상호간섭의 존재하에서 다중 DSL 모뎀에 대하여 최대로 획득가능한 데이터 속도를 식별하도록 전력 할당치를 최적화하고자 한다. 다음의 설명에서는 일례로 VDSL을 사용하며, 진보된 전력 할당 방식을 갖는 다중사용자 시스템 설계가 다중 사용자 측면을 고려치 않는 단일 사용자 설계와 비교했을 경우 실질적인 성능개선을 시스템에 제공할 수 있음을 보여준다. 이러한 진보된 전력 할당 방법은 중앙집중형 방식 또는 분산형 방식 어느 것으로도 구현될 수 있다. 중앙집중형 접근법에서는, 채널 및 크로스토크 커플링함수의 정보를 획득하고, 원하는 시그널링 특성 및 각 사용자에 대한 파라미터를 결정하며, 최종적으로 각 사용자에게 이러한 전송특성 및 파라미터들을 채용하도록 명령하는 개체의 존재를 가정한다.
다른 실시예에서는, 크로스토크 커플링함수의 정보를 요구하지는 않는다. 본 실시예에서는, 각 사용자의 모뎀들이, 타 사용자에게 유도하게 되는 크로스토크를 최소화하면서, 각 사용자가 개별적으로 자신의 바람직한 성능레벨에 도달하기 위해 자신의 시그널링 특성을 조절하는 단계로 진입한다. 본 실시예에서는, 중앙집중화 개체가 여전히 존재할 수 있으나 그 역할은 각 사용자의 목표 성능레벨을 설정하는 것으로 제한될 수 있다.
다음의 설명에서는 다중사용자 검출이 일어나지 않는 송신기법을 평가할 것이며, 망내의 각 사용자에 대한 진보된 전력 할당치만을 집중 조명할 것이다. 도 8에 간섭채널모델(800)이 도시되었다. 망(800)내에는 N개의 송신기(810-1 내지 810-N) 및 N개의 수신기(820-1 내지 820-N)가 있다. 사용자 i로부터 사용자 j까지의 채널이 ISI 채널로 모델링 되고, 그 주파수 영역에서의 전달함수가 Hij(f)로 주어진다(여기서,
Figure 112007016952183-pct00001
이며, Ts는 샘플링 속도). 간섭잡음에 더하여 각 수신기는 또한 전력 스펙트림밀도가 σi(f)로 주어지는 배경잡음을 갖는다. 각 송신기에 대한 전력 할당은 Pi(f)로 주어지며, 아래의 전력 제약조건을 만족해야 한다:
Figure 112007016952183-pct00002
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모든 간섭을 잡음으로 간주하면, 각 사용자에 대하여 획득가능한 데이터 속도는 아래의 수학식으로 주어진다:
Figure 112007016952183-pct00003
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여기서, Γ는 오류확률, 변조기법, 및 적용된 부호화에 의존하는 SNR 갭(gap)을 나타낸다. 이론적인 정보용량에 근접하는 부호화 및 변조기법에서는 Γ=0dB를 갖는다.
시스템 설계의 목적은 수학식 (1)의 전력 제약조건을 조건으로 속도 집합 {R1, ..., RN}을 최대화하는 것이다. 각 송신기에 있어서, 자신의 전력을 소정의 주파수대역으로 증가시키는 것은 자신의 데이터 속도를 증가시키게 된다는 것은 당업자에게 자명하다. 하지만, 그러한 증가는 또한 타 사용자에 대한 간섭을 증가시키게 되므로, 타 사용자의 송신에 대하여 해로운 것이 된다. 따라서, 최적화 또는 기타 진보된 설계에서는 모든 사용자의 데이터 속도들간의 상충점(trade-off)을 고려해야 한다.
실제적인 DSL 배치에 있어서는, 때로 다중의 서비스 속도가 모든 사용자들에 대하여 지원될 것을 요구하며, 각 사용자의 요구되는 서비스 레벨은 임의적일 수 있다. 따라서, 단일의 성능지수가 빈번하게 시스템 성능을 나타내기에는 적당치 못하다. 또한, 전술한 바와 같이, 시스템 내에서 사용자들에 대한 모든 획득가능한 데이터 속도 조합을 알고자 할 수 있다. 예컨대, 합속도(sum rate)를 최대화하는 것이 목적이라면, 어느 한 사용자에 대한 최소의 데이터 속도는 보장되지 않는다.
사용자들간의 상충점과 그들에게 활용가능한 데이터 속도를 최대로 특성화하는 간편한 방법은, 이하와 같이 정의 되는 속도 영역을 관념하는 것이다:
Figure 112007016952183-pct00004
수학식 (1) 및 (2)를 만족함.
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속도 영역은 모든 사용자들간에 가능한 모든 데이터 속도 조합을 특성화한다. 이론적으로 속도 영역은 모든 가능한 전력 할당치를 과도 검색(exhaustive search)을 실시함으로써, 또는 데이터 속도의 가중치 합을 포함하는 일련의 최적화에 의해 구해질 수 있으나, 이러한 접근법의 계산상의 복잡성은 일반적으로 엄두도 못낼 만큼 높다. 이는 속도 공식이 전력 할당의 비볼록(non-convex) 함수이기 때문이다. 따라서, 통상적인 수치 알고리즘으로는 전역 최대값이 아닌 지역 최대값만을 찾을 수 있다. 본 발명에서는 경쟁적 최적화라는 다른 개념을 정의함으로써 이러한 복잡성을 방지한다. 본 발명의 본 실시예의 방법론에서는 상기 정의된 속도 영역의 모든 포인트(point)들을 획득하지는 않지만, 현재의 DSL 시스템 보다는 훨씬 양호하게 수행한다.
전역 최대값을 찾는 대신, 본 발명은 경쟁적 최적화를 사용한다- 상기 경쟁적 최적화는 모든 사용자들이 이동해 가고자 하는 지역 최적해를 제공하는 장점을 갖는다. 이러한 경쟁적으로 최적화된 포인트들은 특성화하기 용이하며, 이전 방법들과 비교하여 다수의 장점을 제공하는 전력제어방법을 가져온다. 첫번째, 간섭 방출레벨에만 기초하여 각 VDSL 송신기에 대한 PSD 레벨을 설정하는 이전 방법들과는 달리, 본 발명의 신규한 전력 할당방법에서는 각 사용자 자신의 데이터 속도를 최대화하는 것과 그 간섭방출을 최소화하는 것 사이에 균형을 계산한다. 특히, 채널의 주파수 선택적 특성은 명시적으로 취급된다. 둘째, 모든 루프 전달함수들과 상호 커플링(cross-coupling)들을 (중앙집중형 제어개체를 사용하는 실시예에서는 직접적으로, 분산형 방법을 사용하는 실시예에서는 암묵적으로) 고려함으로써, 본 발명의 방법은 루프들이 서로간의 전력과 주파수의 최적의 사용을 결정할 수 있는 기회를 제공한다. 셋째, 간섭제어를 목적으로 배치되는 통상적인 PSD 제약조건은 더 이상 필요로 되지 않는다. 총 전력(total power) 제약조건만이 적용된다. 넷째, 실제 서비스 요구사항과는 무관하게 각 루프에 대한 데이터 속도를 고정시킨, 이전 방법들과는 달리, 신규한 방법에서는 다른 루프들에서의 다중의 서비스 요구사항을 자연적으로 지원한다. 다섯째, 제안된 방법에서는, 참조 잡음 또는 참조 길이에 대한 임의적 결정을 포함하지 않는다. 마지막으로, 시스템내의 서비스 및/또는 속도의 선택성과 최대 데이터 속도 측면에서 모두 휠씬 양호한 성능이 달성될 수 있다.
경쟁적 최적화
간섭채널의 전통적인 정보이론적 측면에서는, 다른 송신기들이 독립적인 데이터 스트림을 보내면서도, 수신기들에서 간섭상쇄가 발생할 수 있도록 각자의 부호화 방법에서는 협력적이 되도록 한다. 그러한 협력이 가정될 수 없다면, 간섭채널은 비협력적 게임으로 더 잘 모델링 될 수 있다. 이러한 관점하에서, 각 사용자는, 다른 모든 사용자들과는 무관하게 자신의 성능을 최대화할 목적만으로 데이터 속도에 대한 경쟁을 벌인다. 이러한 시나리오는 동일한 바인더의 다른 루프들이 다른 서비스 제공자들에게 속할 수 있는 현재의 언번들링 환경에서는 특히 현실적이며, 실제로 지역 액세스 마켓(local access market)에서 경쟁한다. 이제, 각 모뎀은 고정된 전력 버짓(budget)을 가지므로, 각 사용자는 다른 모든 간섭을 잡음으로 간주하면서 자신의 데이터 속도를 최대화하도록 자신의 전력 할당을 조절해야 한다.
그러한 전력조절이 동시에 모든 사용자에 대하여 계속적으로 수행된다면, 결국 평형상태에 도달할 것이다. 그러한 평형상태에서 각 사용자는 자신의 지역최대값에 도달해 있을 것이고, 누구도 그 전력 할당치로부터 멀리 옮겨가려 하지 않기 때문에, 그러한 평형상태는 원하는 시스템 동작 포인트일 것이다. 게임 이론의 관점에서 보면, 이러한 평형상태점은 내쉬 평형상태(Nash equilibrium)라고 불리운다.
내쉬 평형상태는, 각 참자가의 전략이 다른 참가자의 서로의 전략에 대한 최적의 응답이 되는 전략 프로파일로 정의된다. 다음 설명에서는 내쉬 평형상태를 가우스 간섭채널 게임내로 특성화하며, 현실 채널들에서의 존재성과 유일성을 결정한다.
두 사용자 간섭채널은 다음의 간략화 모델을 제공한다:
Figure 112007016952183-pct00005
Figure 112007016952183-pct00006
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여기서, 채널 전달함수는 1(unity)로 정규화된다. 간섭 전달함수
Figure 112007016952183-pct00007
및
Figure 112007016952183-pct00008
의 자승크기는 각각
Figure 112007016952183-pct00009
및
Figure 112007016952183-pct00010
로 나타낸다.
Figure 112007016952183-pct00011
및
Figure 112007016952183-pct00012
는 잡음 전력 스펙트럼 밀도를 나타낸다. 2 명의 송신자는 게임에서의 2명의 참가자로 간주된다. 게임의 구조(즉, 간섭커플링함수 및 잡음전력)는 양측 참가자에 대하여 공통되는 정보라고 가정한다. 각 참가자의 전략은, 여기서의 결과적 또는 순수한 전략만을 고려하여, 전력 제약조건
Figure 112007016952183-pct00013
및
Figure 112007016952183-pct00014
을 조건으로 하는 송신전력 스펙트럼 P1(f) 및 P2(f) 이다. 각 사용자에 대한 수익은 각자의 데이터 속도이다. 간섭강도와는 무관하게, 간섭이 감소되지 않는다는 가정을 간략화하면, 데이터 속도는 이하와 같이 된다:
Figure 112007016952183-pct00015
Figure 112007016952183-pct00016
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상기 표현을 수학식 (2)와 비교하면, 이하를 확인할 수 있다:
Figure 112007016952183-pct00017
Figure 112007016952183-pct00018
Figure 112007016952183-pct00019
Figure 112007016952183-pct00020
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따라서, 간략화 모델은 보편성의 손실을 초래하지 않는다.
본 발명에서 설명되는 데이터 속도 게임은 제로섬(zero-sum) 게임이다. 즉, 한 참가자의 손실은 타 사용자의 이득과 동일한 것은 아니다. 내쉬 평형상태에서 각 사용자의 전략은 타 사용자의 전략에 대한 최적의 응답이며, 사용자 서로에 대하여 다른 참가자의 전력레벨로 주어진 최적의 전력 할당치가 조합된 잡음 및 간섭에 대한 전력의 워터필링(water-filling)이므로, 워터필링이 모든 사용자에 대하여 동시에 달성된다면, 내쉬 평형상태에 도달된다.
간섭채널에서 동시 워터필링 포인트의 완전한 특성화는 행해지기 어려울 수 있으나, 두 사용자의 경우의 내쉬 평형상태의 존재성과 유일성에 대해서 몇가지 충분조건이 있다. 모두에 대하여,
Figure 112007016952183-pct00021
라면, 가우스 간섭게임에서 적어도 하나의 순수 전략 내쉬 평형상태가 존재한다. 나아가, 만약 이하의 조건이라면:
Figure 112007016952183-pct00022
Figure 112007016952183-pct00023
Figure 112007016952183-pct00024
Figure 112007016952183-pct00025
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그리고,
Figure 112007016952183-pct00026
또는
Figure 112007016952183-pct00027
또는
Figure 112007016952183-pct00028
, 어느 하나라도 만족함.
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내쉬 평형상태는 유일성을 가지며, 안정하다.
반복적 워터필링 프로세스(iterative water-filling process)의 수렴은 내쉬 함수가 유일성을 가짐을 나타낸다. 이는 시작점이 임의적이어서, 유일하지 않다면, 또 다른 내쉬 평형상태가 될 수 있기 때문이다. 그러나, 각 내쉬 평형상태는 자신의 고정 포인트이다. 따라서, 이는 발생할 수 없다. 내쉬 평형상태의 안정성 또한 반복 절차의 수렴성의 당연한 결과이다.
더우기, 내쉬 평형상태의 존재성과 유일성의 조건이 만족된다면, 반복적 워터필링 알고리즘- 상기 알고리즘에서는 모든 간섭을 잡음으로 간주하고 각 단계에서 각 모뎀은 자신의 전력 스펙트럼 밀도를 업데이트 한다 -은 수렴하며, 어느 시작점으로부터도 유일한 내쉬 평형상태로 수렴하게 된다.
적응화 전력제어
DSL 채널과 DSL 크로스토크 커플링의 주파수 선택적 성질로 인하여, DSL 환경에서의 전력제어 알고리즘은 다른 사용자들 간에 전력을 할당할 것을 요구할 뿐만 아니라, 또한 주파수 영역에서 전력을 할당할 것을 요구한다. 이러한 요구는 많은 잉여 변수를 생기게 하며, DSL에 대한 진보된 전력제어의 설계를 어렵게 만든다. 그러나, 경쟁적으로 최적화된 전력 할당에 집중하고, 내쉬 평형상태에 대한 총 전력 제약조건하에서 존재성 및 유일성 조건이 만족된다고 가정함으로써, 총전력만으로 모든 경쟁적 전력 할당치를 나타내기에 충분하다. 따라서, 전력제어는 주파수 선택성에도 불구하고 총 전력에만 기초할 수 있다. 이는 프로세스를 획기적으로 간략화한다. 경쟁적으로 최적화된 해가 일반적으로 전역적으로 최적화되지 않더라도, 기존 전력 백-오프 알고리즘과 비교할 때 여전히 놀라운 개선이 실현될 수 있다.
목적은 각 사용자에 대한 특정 목표속도를 얻는 것이다. 적응화 프로세스는 두 단계로 진행된다. 내부 단계에서는 입력으로 각 사용자에 대한 주어진 전력 제약조건을 사용하며, 출력으로 경쟁적으로 최적화된 전력 할당치 및 데이터 속도를 유도한다. 이는 반복적인 워터필링 절차로 수행된다. 각 사용자에 대하여 총전력의 제약조건을 고정시키고, 첫번째 사용자는 모든 다른 사용자의 크로스토크를 잡음으로 간주하고, 자신의 채널의 워터필링 스펙트럼으로 자신의 전력 할당치를 업데이트한다. 다음, 워터필링이 제2, 제3, 제4 사용자의 순으로 연속적으로 적용되며, 다음, 각 사용자의 전력 할당치가 수렴할 때까지 다시 제1, 제2 사용자 등의 순으로 적용된다. 모든 사용자들이 자신의 해당 과정에서 서비스 된다면, 대체의 (또는 랜덤한) 순서 또한 가능하다.
외부단계는 각 사용자에 대한 최적화된 총전력 제약조건을 찾는다. 외부 절차에서는 내부의 반복적인 워터필링의 결과에 기초하여 각 사용자의 전력 제약조건을 조절한다. 사용자의 데이터속도가 사용자의 목표속도 이하인 경우, 사용자의 전력 제약조건이 증가되고, 이미 모뎀 전력제한에 있다면, 이 경우 자신의 전력은 동일하게 유지된다. 사용자의 데이터 속도가 자신의 목표속도에서 소정의 양만큼 이상인 경우, 자신의 전력이 증가된다. 데이터 속도가 목표 속도 보다 약간 위에 있는 경우(상기 소정의 양 보다 적게), 자신의 전력은 변하지 않는다. 외부 절차는 목표속도의 집합이 달성되는 때에 수렴한다.
전술한 방법이 분산형에 적용한다 - 여기서 각 사용자는, 외부 관리자 또는 개체에 의해 사용자에게 자신의 목표 데이터속도가 부과되었던 사실과는 분리하여, 독립적으로 행동한다. 중앙집중형을 유도하기는 용이하다- 여기서, 중앙 개체가 내부 및 외부 반복단계들을 수행한 후, 전력 할당값을 결정하고, 사용자가 채택하도록 명령한다. 중앙집중형은 개체가 라인 및/또는 신호 특성중 몇몇 또는 모두의 정보를 획득하였음을 의미한다.
K 사용자 시스템에서, P를 모뎀 전력제한, Ti를 사용자 i의 목표속도로 사용한다면, 이하와 같이 바람직한 프로세스가 요약될 수 있다.
Figure 112003045870539-pct00029
Figure 112003045870539-pct00030
본 프로세스는 파라미터 σ=3dB 및 ε은 목표속도의 10%라 하면 잘 적용된다. 외부의 반복과정은 목표속도의 집합이 획득가능할 때만 수렴한다. 그러나, 어느 목표속도 집합이 획득가능한지는 선험적으로 알 수 없다. 하지만, 모든 채널과 간섭 전달함수에 대한 정보를 알고 있는 중앙집중형 관리자는, 가능한 총전력 제약조건을 모두 평가해봄으로써 어느 목표속도 집합이 DSL 번들에 배치될 수 있는지 결정할 수 있다. 실제에 있어, 전력 할당 문제는 두 부분으로 분리되었었다. 중앙집중형 관리자가 번들내의 각 루프에 대한 전력 제약조건과 목표 속도를 결정할 수도 있다. 다음, 루프 자체가 반복적 워터필링 절차를 수행하여 중앙집중형 관리자의 필요없이 원하는 속도에 도달할 수 있다. 각 루프로 중앙제어국에 의해 통과되어야할 정보량은 작다.
본 발명을 종래의 전력제어 방법과 비교하면, 본 발명의 신규한 방법은 두 개의 주요한 장점을 제공한다. 첫째로, 간섭이 체계적으로 제어되므로, 전력 스펙트럼 밀도 제약조건이 필요치 않고, 따라서 모든 사용자에 의해 총 전력이 좀 더 효과적으로 사용되도록 한다. 두번째로, 각 단계에서 단일 사용자 워터필링이 수행되어, 모든 다른 사용자들을 잡음으로 간주하고 각 사용자의 데이터 속도를 최적화하기 때문에, 반복적 워터필링 알고리즘이 바인더의 다른 루프들에 대해여 주파수 사용을 타진해볼 기회를 제공한다. 따라서, 각 루프는 간섭이 강한 주파수 대역으로부터 멀리 이동하려고 의욕하게 되며, 가장 효과적으로 활용할 수 있는 주파수 대역에 집중하게 된다.
시뮬레이션(simulation)은 본 발명의 경쟁적으로 최적화된 전력 할당방법이 성능에 있어 놀라운 개선을 제공함을 나타낸다. 신규한 전력제어 방법론에서는 바인더의 모든 루프들을 전체로 간주하여, 모든 상호작용을 고려하고 각 사용자에게 전역적으로 전력을 할당하므로, 이러한 개선이 가능하다. 경쟁적으로 최적화된 동작점이 반드시 전역적으로 최적화 될 필요는 없으나, 본 발명에서는 각 루프 자체만을 고려하는 현행의 전력 백-오프 방법에 대하여 실질적인 개선을 제공한다. 이러한 경쟁적으로 최적화된 포인트들은 반복적 워터필링이 매우 빠르게 수렴하므로 찾기가 쉽다.
개시된 워터필링 방법(예컨대, 이산 적재(discrete loading) 방법) 대신에 다른 "송신 최적화"기법 및 방법들이 사용될 수 있음을 주목하여야 한다. 또한, 속도 최대화 기준(criterion)은, 목표 데이터 속도가 각 사용자에 대해 고정되는 마진(margin) 최대화 기준으로 교체될 수 있다.
벡터화된 전송
다음의 예에서, DSL 시스템의 벡터화된 전송이 설명된다. 본 발명의 이러한 구현은 단일 라인이 다중 사용자들에 의해 사용되는 패킷 언번들링 환경(예컨대, 단일의 운영자에 의해 대여되는 경우 또는 화이버 접속선이 ONU에서 끝나고, 다중 서비스 제공자로부터 다중 사용자에게 서비스를 제공하는 경우)에서 유용하다.
채널 모델 및 DMT 전송
이하, 도 4의 아키텍쳐에 대한 DSL 채널 모델을 설명한다. L명의 사용자(420-1 내지 420-L)가 바인더(410)내의 한 그룹의 연선의 부분집합에 해당한다고 가정된다. 상향스트림 또는 하향스트림 전송을 위한 특정사용자의 샘플링된 출력은 의도된 사용자 및 기타 크로스토크를 일으키는 사용자들 모두의 현재 및 과거의 입력심볼들에 의존한다. 사용자 i에 대한 N개의 출력 샘플들의 블록은 다음을 만족한다.
Figure 112007016952183-pct00031
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여기서,
Figure 112003045870539-pct00032
는 채널 임펄스응답 행렬로부터 유도된 콘볼루션 행렬이며, yi는 수신자 i의 N개의 출력 샘플들의 벡터이며,
Figure 112003045870539-pct00033
는 사용자 k의 N+ν 입력심볼들의 벡터이며, ni는 수신자 i의 N개 잡음 샘플들의 벡터이다. ν는 샘플들의 수로 표현된 전달 커플링함수 및 크로스토크 커플링함수의 최대 메모리를 나타낸다. 잡음 샘플들은 이웃하는 DSL 시스템, 라디오 주파수 칩임(ingress) 및 임펄스 잡음과 같은 몇몇 잡음원들의 중첩을 나타낸다. 이하에서, ni는 백색잡음 및 가우시안 잡음으로서, 보편성의 손실없이 단위 분산을 가진다고 간주된다.
바람직한 실시예의 본 설명과 관련하여, 2개의 기초적인 가정들이 사용된다. 첫번째로, 모든 사용자들은 적어도 길이 ν의 순환 접두부호(cyclic prefix, 이하 CP)를 갖는 블록전송을 채용한다. 또한, CO/ONU에서의 블록 송신 및 수신은 도 9의 타이밍도에 도시된 바와 같이 동기된다.
주어진 CO/ONU에 대한 병치(co-location) 가정에서, 동기화 블록송신이 비교적 구현이 수월하다. 그러나, 동기화 블록의 수신은, 다양한 방법과 형태가 당업자에게 자명하더라도, 추가의 고려사항을 필요로 한다. 상향스트림 송신의 블록경계는 모든 사용자들의 블록이 CO/ONU에 동시에 도달하도록 정렬된다. 이러한 블록 레벨의 동기화가 초기화 시에 수행될 수 있으며, 무선환경에서 동기화된 상향회선 송신의 문제와 유사하다.
CO/ONU에서의 동기화는 "지퍼(zipper)" FDD가 사용되는 경우 자동적으로 성취된다. 본 기술에 따르면, 채널 전파지연 보다 큰 순환 접미부호(cyclic suffix, 이하 CS)가 CP에 더하여 포함된다. 이러한 "지퍼링(zippering)"은 상향/하향 스트림 대역 가장자리에 가까운 주파수에서의 "스펙트럼 누설(spectral leakage)"로 기안한 근접 에코(near echo) 및 잔여 원단 크로스토크(NEXT)를 제거하는 장점을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 본 개시에 있어서, 잔여 근단 크로스토크(NEXT) 및 근접 에코는 당업계에 공지된 송신기의 펄스 성형 및 수신기의 윈도잉(windowing)에 의해 완화된다는 이해로부터, 전술한 설득력이 좀 떨어지는 가정들이 사용될 것이다.
상기 사항을 고려하면, 수학식 (19)는 이하와 같이 된다.
Figure 112007016952183-pct00034
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여기서, xk는 사용자 k의 N개 입력심볼들의 벡터이며,
Figure 112007016952183-pct00035
는 순환행렬이다. L명의 사용자를 조합하면, 수학식 (20)은 다음과 같이 된다.
Figure 112007016952183-pct00036
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여기서,
Figure 112003045870539-pct00037
이며, H는 (i, j) 블록이 Hi,j인 행렬이다. 잡음 공분산 행렬은 Rnn=I 로 가정된다.
당업계에 공지된 이산 퓨리어변환(이하, DFT) 변조를 적용하면, (CP를 추가하기 전에) 각 송신 데이터 블록에 대하여 이산 역퓨리어변환(이하, IDFT) 연산이 수행되고, (CP를 폐기한 후) 각 수신 데이터 블록에 대하여 DFT 연산이 수행되어, 채널 구분(channel description)이 이루어지도록 하여, 사용자에 해당하는 그룹내에 샘플들이 축적되고, 각 그룹들은 톤에 해당하는 샘플들을 포함하게 된다. 이러한 샘플들을 톤들에 해당하는 그룹에 축적시킴으로써 후속 처리를 위해 재구성하여, 각 그룹이 다른 사용자들에 해당하는 샘플들을 포함하게 하도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서, NL 행과 NL 열을 갖는 순열행렬(P)이 정의된다- 상기 행렬은 NxN 개의 블록(Pi,j)으로 구성된다(여기서, i,j = 1, ..., L). 블록 Pi,j 는 (j, i)위치 하나만을 제외하고 모두 제로(0)를 포함한다. 행렬 P가 크기 NL의 벡터로 우측승산(wright-multiplied)되는 경우, P의 구성요소들이 N개 성분의 L개 그룹으로부터 L개 성분의 N개 그룹으로 재정렬된다. 또한,
Figure 112007016952183-pct00038
이다. 이러한 재정렬 연산을 송신기 및 수신기 샘플들에 모두 적용하면, 이하와 같이 주어진다:
Figure 112007016952183-pct00039
삭제
따라서, Zi, Ui, 및 Ni는 톤 i에 해당하는 모든 사용자들의 수신된 샘플들, 송신된 심볼들, 및 잡음 샘플들을 포함하며, Ti 는 톤 i 내의 MIMO 송신을 충분히 특성화한다. 이하에 있어서, Ti,up 및 Ti,down의 표기를 채용함으로써, 상향스트림과 하향스트림 사이의 구별이 이루어질 것이다.
수학식 (22)는 각 톤에서 크로스토크 상쇄가 독립적으로 수행될 수 있음을 나타낸다. 따라서, 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 상쇄블록의 어레이가 CO/ONU에서 채용되어 상향스트림 통신을 위한 각 톤내의 크로스토크를 제거할 수 있다. 유사하게는, CO/ONU에 프리코더(precoder) 블록들이 사용되어, CPE에서 수신되는 신호들이 크로스토크에 견디도록 각 톤내의 전송되는 신호들을 사전왜곡(pre-distort)시킬 수 있다. 상쇄기/프리코더 블록들의 파라미터 결정은, CO/ONU에서의 채널행렬 및 잡음 공분산 행렬의 완전한 인식여부에 의존한다. 연선의 채널들은 정상(stationary)이므로, 이러한 가정은 DSL에 있어 타당하며, 시스템은 초기화 중에 채널식별을 트레이닝에 기초하여(training-based) 할 수 있다.
CP가 전달함수 및 크로스토크 커플링함수 양측의 메모리 보다 더 길어야 한다는 추가 요구사항은 과도한 손실을 경험하지 않고도 만족될 수 있다. 도 10은 1640feet의 길이를 갖는 루프에 대하여 원단 크로스토크(FEXT) 커플링을 측정한 것을 나타낸다. 크기 데이터만이 제공되므로, 임펄스 응답을 유도하기 위하여 선형 위상이 가정된다. 신호 에너지의 99.9%가 9㎲내에 포함됨이 발견되었다. 4096 샘플의 DMT 블록크기와 17.664MHz의 샘플링 속도내에서, 이는 159 샘플에 해당한다. 따라서, 320 샘플의 CP 길이(7.8% 손실에 해당)가 더 적당하다.
일반적인 연선의 평균지연은 약 1.5㎲/kft이다. VDSL 루프가 주로 6000ft 이하의 길이를 가지며, 상기 DMT 가정들이 주어진다면, 전파지연은 160 샘플보다 더 소수에 해당한다. 따라서, "지퍼링"이 사용되더라도, CP 와 CS 를 더한 길이는 제안된 320 샘플을 넘지 않는다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 채널이 비정상적 으로 긴 메모리를 갖는 경우, 메모리를 "단축화(shortening)"하기 위한 다양한 기술들이 활용가능하다. 예컨대, MIMO 시간영역 등화기가 CO/ONU 에서 사용될 수 있으며, 적절한 프리코더의 MIMO 연장선이 하향스트림 통신을 위해 활용될 수도 있다.
QR 분해를 통한 크로스토크 상쇄
수학식 (22)를 시작하면서, 각 톤내의 상쇄를 제거하기 위한 방법이 먼저 상향스트림 통신에 대하여 다음 하향스트림 통신에 대하여 설명된다. 이하에서는, 행렬 Ti,up 및 Ti,down 이 비특이적(non-singular)이라고 가정된다(본 가정의 정당성과 잘못된 조건설정의 결과는 이하 설명된다).
상향스트림
상향스트림 송신에 있어서, CO/ONU 송수신 장비를 병치시킴으로써 수신된 샘플들을 통합신호처리할 수 있는 기회를 제공한다. 행렬 Ti,up의 QR 분해의 연산은 다음과 같다:
Figure 112007016952183-pct00040
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여기서, Qi는 단위행렬이며, Ri는 상위 삼각(upper triangular)행렬이다. 수신된 샘플들이
Figure 112007016952183-pct00041
에 의해 "회전/반사"된다면 수학식 (22)는 다음과 같이 된다:
Figure 112007016952183-pct00042
Figure 112007016952183-pct00043
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여기서,
Figure 112007016952183-pct00044
는 항등 공분산(identity covariance) 행렬을 갖는다. Ri가 상위 삼각행렬이며
Figure 112007016952183-pct00045
는 상호상관 되지 않는 성분이므로, 입력 Ui는 심볼별(symbol-by-symbol) 검출법과 후진대입법(back-substitution)을 조합시킴으로써 복원될 수 있다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이,
Figure 112007016952183-pct00046
를 사용한 피드포워드 (feedforward) 행렬모듈(1110)과 I-R을 사용한 피드백 행렬모듈(1120)로 결정피드백 구조(decision feedback structure, 1100)가 형성된다. Ui의 k번째 요소의 검출은 다음과 같이 표현된다:
Figure 112007016952183-pct00047
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여기서,
Figure 112003045870539-pct00048
는 Ri의 (k,j) 구성요소이다. 상기 결정이 옳다고 가정하면, 크로스토크는 완전히 상쇄되며, 각 톤내에는 L개의 "평행한(parallel)" 채널들이 형성된다. 전술한 연산은 단일 톤에 해당하는 바람직한 상쇄기(canceller) 블록을 정의하는데 사용될 수 있으며, 이는 도 11에 나타내었다. 모든 톤의 상쇄기 블록을 조합하고, DMT의 송신을 고려하여, 벡터화된 상향스트림 DMT 송신을 위한 시스템(1200)이 도 12에 도시된다. 송신기(1210-1 내지 1210-L)는 채널(1220)로부터 신호들을 수신하고, 바람직한 실시예에서 도 11의 블록과 유사한 상쇄기 블록(1240-1 내지 1240-L)을 사용하여 수신된 신호들을 처리한다.
하향스트림
바람직한 실시예의 하향스트림 송신에 있어서는, 송신되는 심볼들의 통합신호처리가 사용된다.
Figure 112007016952183-pct00049
의 QR 분해는 다음의 결과를 가져온다:
Figure 112007016952183-pct00050
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여기서, Qi는 단위행렬이며, Ri는 상위 삼각행렬이다. 송신되기 전에, 심볼들이
Figure 112007016952183-pct00051
에 의해 "회전/반사(rotated/reflected)"된다고 가정하면:
Figure 112007016952183-pct00052
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따라서, 다음과 같이 선택하면:
Figure 112007016952183-pct00053
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크로스토크가 방지되는 수신이 성취된다- 여기서 톤 i에서 송신된 심볼들은
Figure 112007016952183-pct00054
의 요소들이다. 수신기에서 다음의 연산이 수행된다:
Figure 112007016952183-pct00055
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여기서
Figure 112007016952183-pct00056
는 다음과 같이 정의되며:
Figure 112007016952183-pct00057
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Mi,k는 톤 i상의 사용자 k의 배열(contellation) 크기인 반면, d는 배열점 간격(constellatioin point spacing)이다(x가 복소수이면,
Figure 112007016952183-pct00058
). 이러한 연산의 결과로,
Figure 112007016952183-pct00059
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이 되며, 이는 크로스토크가 방지되는 수신을 의미한다. 전술한 바람직한 MIMO 프리코더는 단일 톤에 해당하며, 도 13에 도시되어 있다. 모든 톤의 프리코더를 조합하고, DMT 송신기와 수신기들을 포함한다면, 하향스트림 송신용의 벡터화된 DMT 시스템은 도 14와 같이 된다. 이 시스템은, 신호들이 시스템 송신기(1410-1 내지 1410-L)에 의해 각각 송신되기 전에 프리코더(1420-1 내지 1420L)로 "전처리"된다는 점을 제외하고는 도 12의 시스템과 유사하다.
CO/ONU 와 CPE에서의 송신 및 수신 필터링은 동일하다고 가정하고, 톤 내의 잡음은 모든 사용자에 대하여 동일한 통계를 갖는다고 가정하면, 연선 송신에 대한 상반성(reciprocity property)은
Figure 112007016952183-pct00060
을 의미하게 된다. 그러한 경우, 수학식 (23) 및 (27)은 동일한 행렬의 QR 분해를 제공한다.
상향스트림 채널에 있어서, 루프 토폴로지와는 무관하게, Ti열의 대각선 성 분은 크기에 있어 동일한 열의 대각선 외의 성분보다 크다. 이는 상향스트림 송신에 있어 특정의 송신기로부터 나오는 크로스토크 커플링된 신호는 동일한 수신기의 "직접적으로" 수신되는 신호를 절대로 초과할 수 없고, 일반적으로 크기 차이는 20dB 이상이기 때문에 발생한다. 신호의 삽입손실은, 이웃하는 연선으로 전파하는 경우 겪게 되는 커플링 손실보다 항상 작다.
벡터공간에서 Ti 열을 시각화하면, 열들이 서로서로 거의 직교한다는 것이 보여지는데, 이는 Qi가 거의 항등행렬에 가깝다는 것을 의미한다. 따라서, Ri의 대각선 성분들의 크기는 Ti의 대각선 성분의 크기와 크게 다르지 않으며, 이는 완벽한 크로스토크 제거 뿐만 아니라 QR 상쇄가 거의 양호하게 수행된다는 것을 의미한다. 이는 도 15에 두 사용자의 경우로 도시되어 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 양측 모두는 가능한 검출 순서(ordering)를 유지한다.
상향스트림 송신에 관한 앞서서의 논의는, 특정 수신기에서 크로스토크 신호들이 "직접적으로" 수신된 신호의 크기를 절대 초과할 수 없다는 것을 우선 관찰함으로써 용이하게 하향스트림 송신으로 확장될 수 있다. 대체예로서, 상향스트림과 하향스트림의 채널행렬 사이의 전치관계(transpose relationship)를 사용하면 동일한 결론에 도달할 수 있다.
QR 상쇄로 초래되는 수치계산상의 비용(cost)은 QR 분해에 대한 것과 신호처리에 대한 것으로 나누어진다. DSL 채널들은 정상(stationary)이므로, QR 분해는 드물게 행해질 필요가 있다(바람직하게는 초기화시에). 일반적으로, 톤(tone)당 부동소수점 연산의 횟수(예컨대, 하우스홀더(Householder) 변환을 사용한)는 크로스토크 환경의 특성을 이용함으로써 상당히 감소될 수 있다. 하나의 페어의 크로스토크 잡음 대부분은 3개 또는 4개의 이웃하는 페어로부터 발생되는 것으로 알려져 있으며, 이는 일반적인 Ti 행렬이 대부분 행(row)당 3개 또는 4개의 비교적 큰 비대각선 성분으로 산재되어 있음(sparse)을 의미한다. 따라서, Ti를 스파스 행렬로 근사화하면, 감소된 부동소수점 연산 횟수로 Ti를 삼각화하는데 지븐스(Givens) 회전법이 채용될 수 있다. 반면, 상쇄기와 프리코더 블록에 기인한 실시간 계산에 대한 부담은 줄어들 수 없다. 간단한 구현에 있어서, 총 비용을 지배하는 연산은 수학식 (24)와 (28)이다.
완전히 채널행렬을 알고 있다는 가정이 주어진 환경에서 타당하다 할지라도, 여전히 채널 추정오차의 효과를 간단하게 고려해 볼 가치가 있다. 주어진 톤에 대한 상향스트림 채널행렬이, 채널 추정오차를 포함하여 추정될 수 있다. 다음, 상반성 추정과 함께 QR 분해가 수행되어 QR 인자 추정치(factor estimates)를 얻을 수 있다. 수학식 (24)로부터 시작하여, 상향스트림 통신의 효과가 산정될 수 있다. 이를 행함에 있어, 검출과정에 "바이어스(bias)"를 도입하고, 또한 잔류 크로스토크를 허용함으로써 추정오차가 송신에 충격을 준다는 것을 알 수 있다. 동일한 분석이 하향스트림 통신에 적용될 수 있으나, 모듈로(modulo) 연산이 표현식을 복잡하게 한다. 모듈로 연산을 무시하면, 추정오차의 효과는 검출 바이어스 항과 잔류 크로스토크 항으로 분리될 수 있다.
이러한 분석의 결과에서,
Figure 112003045870539-pct00061
의 대각선 성분들중 어느 것이라도 작은 경우, 채널 추정오차의 충격이 악화된다는 것이 나타났다. DSL 환경에서 채널행렬의 특이성(singularity)은 거의 불가능할지라도, 좋지 못한 상태의 채널(작은 대각선 성분을 의미함)이 배제될 수는 없으므로, 채널 추정오차의 충격을 증가시키고, 몇몇 계산상의 문제를 내포한다. 그러한 경우는 고주파수에서(예컨대, 과도한 루프길이차를 갖는 루프 토폴로지에서) 또는 브리지 분기선(bridged tap)이 있는 경우 발생한다. 그럼에도 불구하고, 이하 논의되는 에너지 할당 알고리즘에서는, Ri의 대각선 성분이 작은 주파수에서 통신을 허용하지 않음으로써, 그러한 현상의 발생을 방지한다.
이상에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템의 신호들에서 크로스토크를 제거하는 것은 실질적으로 시스템의 성능을 개선시킬 것이다. 시스템의 에너지 할당을 최적화하는 것은, 크로스토크 제거와 연관하여 볼 때, 마찬가지로 시스템 성능을 개선시킨다. 또한, 전술한 바와 같이, 적절한 에너지 할당은, 좋지 못한 환경의 채널들에서 추정오차의 충격에 기인한 문제를 피해갈 수 있도록 도움을 줄 수 있다.
송신 최적화
다음의 예에서 사용되는 바와 같이 "송신 최적화"는 데이터 속도의 가중치 합의 최대화를 지칭할 것이다. 그러나, 본 발명의 최광의적 의미에서, "최적화"라는 용어는 제한되지 않는다. 최적화는 또한 활용가능한 최대속도를 결정하는 것과 디지털 통신시스템내의 활용가능한 자원(각종 사용자에 대한 데이터 속도를 포함함)들을 할당 또는 준비하는 것을 의미할 수도 있다.
이하의 논의에서 개시된 방법들은 일반적인 주파수내의 에너지 할당치, 유도되는 크로스토크에 대한 제약조건들을 관찰하면서 주파수내의 에너지 할당, 및 상향/하향 스트림 주파수선택과 조합된 에너지 할당에 관한 것이다.
일반적인 에너지 할당
최적화의 목적식은 모든 사용자들의 데이터 속도의 가중치 합의 최대값이다:
Figure 112007016952183-pct00062
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여기서,
Figure 112007016952183-pct00063
는 k번째 사용자에게 할당된 가중치이며, Rk는 k번째 사용자의 획득가능한 데이터속도로서, 상향스트림 또는 하향스트림 방향을 지칭할 수 있다. 데이터 속도를 계산하기 위하여, 적절한 공지된 갭 근사법(gap approximation)이 채용된다. 벡터화는 실질적으로 채널을 "대각선화(diagonalize)"한다는 것을 고려하면(그리고, 상향스트림 방향에서 오류전파는 없다고 가정하면), 상향스트림 및 하향스트림의 획득가능한 속도는 다음과 같이 얻어진다:
Figure 112007016952183-pct00064
Figure 112007016952183-pct00065
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여기서, Γ는 송신 갭으로 정의되며, 오류확률 요구사항, 부호화 이득 및 요구되는 마진에 의존한다. 또한, Nup 및 Ndown은 각각 상향스트림 및 하향스트림의 톤 인덱스(tone index)의 집합들로서, FFD 방법에 의존한다. DSL 시스템은 매우 작은 오류확률에서 동작하므로, 오류전파효과는 일반적으로 제한된다.
최적화가 일어나는데 대한 파라미터들은 상향스트림 송신에서
Figure 112007016952183-pct00066
이고, 하향스트림 송신에서
Figure 112007016952183-pct00067
이다. 이러한 파라미터들은 전송되는 에너지상의 제한의 의해 제약을 받는다. 상향스트림 송신에 있어서, 총 전송에너지는 다음과 같이 제약된다:
Figure 112007016952183-pct00068
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여기서,
Figure 112007016952183-pct00069
는 수학식 (25)에서
Figure 112007016952183-pct00070
의 에너지이며,
Figure 112007016952183-pct00071
는 사용자 k의 최대허용 상향스트림 전송 에너지이다.
Figure 112007016952183-pct00072
이기 때문에, 다음과 같이 유도된다:
Figure 112007016952183-pct00073
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하향스트림 송신에 있어서, 총 전송에너지 제약조건은 다음과 같이 표현된다:
Figure 112007016952183-pct00074
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여기서,
Figure 112007016952183-pct00075
는 수학식 (21)에서
Figure 112007016952183-pct00076
의 에너지이며,
Figure 112007016952183-pct00077
는 사용자 k의 최대허용 하향스트림 전송에너지이다. 그러나, 이러한 제약조건은 비선형 프리코딩(non-linear precoding)으로 인하여
Figure 112007016952183-pct00078
에 대한 제약조건으로 직접 변형되지는 못한다.
그러나, 극단의 루프 토폴로지에 대한 시뮬레이션 결과는 전술한 바람직한 프리코더의 사용이 다른 사용자들의 전송신호들 사이의 상당한 상호상관을 가져오지는 않는 것을 나타낸다. 시뮬레이션된 루프들은 크로스토크 커플링에 대하여 최악의 경우의 상황에 해당하므로, 이러한 결과를 일반적으로 유지하는 것으로 가정하는 것이 타당하다.
따라서,
Figure 112007016952183-pct00079
로 근사화 되어, 하향스트림에 대한 수학식 (38)은 다음과 같이 된다:
Figure 112007016952183-pct00080
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이러한 것을 고려하면, 수학식 (33)의 에너지 할당문제는 각각의 사용자에 대하여 독립적이 되며, 따라서 ak 가중치는 본 시나리오에 있어 무관하다는 것을 알 수 있다. 각 송신방향에 대한 최적화문제는 다음과 같이 표현되는 k 개의 워터필링 문제로 해제된다:
Figure 112007016952183-pct00081
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수학식 (40)은 수학식 (41)을 조건으로 한다.
Figure 112007016952183-pct00082
,및
Figure 112007016952183-pct00083
삭제
삭제
삭제
수학식 (42)는 수학식 (43)을 조건으로 한다.
Figure 112007016952183-pct00084
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이 문제에 대한 해는 공지된 기법을 사용하여 유도될 수 있다. 결과의 송신스펙트럼은 벡터화된 DMT 범위에서 최적화된다.
전력 백-오프를 사용한 에너지 할당
전술한 바와 같이, 바람직한 벡터화된 송신에서 모든 사용자는 일군의 이웃하는 연선들에 해당한다. 이는 이웃하는 연선들에서 "이종의(alien)" 다른 DSL 시스템이 운영되는 것을 배제하지는 않는다- 상기 다른 DSL 시스템은 한편으로는 벡터화된 시스템으로 크로스토크를 일으키며, 다른 한편으로는 벡터화된 시스템으로부터의 크로스토크를 받게 된다. 이 문제를 취급하는 현행의 접근법은 전송 전력 스펙트럼 밀도(PSDs)에 대하여 제한을 가하여, 시스템의 성능이 크로스토크에 의해 과도하게 영향을 받지 않도록 하고자 한다.
또한, 도 5에 도시된 상황에서와 같이, VDSL 시스템은, 단거리 라인상의 상향스트림 신호들이 장거리 라인상의 상향스트림 성능에 불리하게 영향을 미친다는 사실을 겪게 된다(무선통신에서 원근 상황과 유사하게). 지나치게 제한적인 일반 PSD 마스크를 부과하는 것을 피하기 위하여, 전력 백-오프 방법이 제안되었으며, 이는 PSD 마스크가 효과적으로 특정 사용자의 루프 길이에만 의존하도록 한다. 이웃하는 DSL 시스템의 하향스트림 통신에서 심각하게 경험할 수 있는 유사한 시나리오가 도 16에 도시되어 있다. CO로의 연선 연결이 유지되는 반면, ONU가 몇몇 라인상에 장착되는 경우, 극대의 루프 길이차가 더욱 더 자주 발생할 것이다.
충분한 채널행렬 정보를 겸비한 벡터화는, 일반 PSD 마스크의 도입, 또는 전력 백-오프 방법의 사용에 의존함이 없이 벡터화된 시스템에 의해 유도되는 크로스토크를 제한하는데 있어 효과적임을 증명할 수 있다(반드시 행렬 채널 식별로 인한 크로스토크 커플링에 대한 정보를 고려하지는 않음).
수학식 (22)는 다음과 같이 이종의 수신 샘플들을 포함하도록 확대될 수 있다:
Figure 112007016952183-pct00085
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여기서, Zn, Un, 및 Nn은 각각 이종 시스템의 수신된 심볼들, 송신된 심볼들 및 잡음 샘플들의 벡터이다. 블록 행렬 C, Cn, 및 Tn은 채널과 이종 DSL 시스템의 특성 모두에 의존하며; T는 블록 대각선이지만, 이러한 성질은 일반적으로 타 행렬 에 대하여 해당하지 않는다.
Z 및 Zn이 다른 서비스 제공자에 속하는 시스템에 해당하는 때에는, 현재의 언번들링 구성이 제1 제공자가 Z 또는 Zn 어느 것으로 접근을 획득하도록 하지 않으며, 이는 제2 제공자에게도 마찬가지이기 때문에, 크로스토크 커플링 행렬(C 및 Cn)을 식별하는 것이 어려울 수도 있다. 그러나, 미국특허 제 09/788,267호에 개시된 유형의 "제3의 그룹(third party)"에서는, 프로세스한 제3의 그룹의 사이트(site) 또는 연산을 도입함으로써- 상기 제3의 그룹은 모든 송수신 데이터를 포착하여, 크로스토크 커플링 행렬의 추정치를 생성한다 -, 이러한 애로사항을 극복한다.
평균자승의 의미에서 원단 크로스토크(FEXT)를 제한하면 다음의 조건을 가져온다:
Figure 112007016952183-pct00086
Figure 112007016952183-pct00087
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여기서, M은 이웃하는 시스템들의 수, NN은 이웃하는 시스템 각각의 "차원(dimension)"의 수(예컨대, 톤(tone)의 수),
Figure 112003045870539-pct00088
는 상향스트림 및 하향스트림에서 이웃하는 시스템들의 샘플 j에서의 최대허용 크로스토크 에너지, 및 cj,l는 MNxLN 행렬 C의 (j,l)성분이다. 이러한 접근법은 원단 크로스토크(FEXT) 및 근단 크로스토크(NEXT) 양측 모두 제한되도록 일반화될 수 있다.
수학식 (45) 및 (46)에서 부등식의 집합과 해당하는 수학식 (37) 및 (39)의 부등식 집합이 조합되면, 선형부등식 제약조건의 집합을 형성한다. 수학식 (33)의 속도 최대화 목적식을 포함하면, 다음의 최적화 문제가 주어진다:
Figure 112007016952183-pct00089
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수학식 (47)은 수학식 (48)과 수학식 (49)를 조건으로 한다.
Figure 112007016952183-pct00090
Figure 112007016952183-pct00091
, 및
Figure 112007016952183-pct00092
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수학식 (50)은 수학식 (51)과 수학식 (52)를 조건으로 한다.
Figure 112007016952183-pct00093
Figure 112007016952183-pct00094
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목적함수들은 오목함수(concave function)이며(이들은 로그함수의 합이므로), 제약조건은 볼록집합(convex set)을 형성한다(이들은 선형부등식이므 로). 따라서, 공지된 프로그래밍 기법을 사용하여 해가 효과적으로 산출될 수 있다. 다른 제한사항(PSD 마스크 또는 비트 교집합(caps))들이, 선형부등식 제약조건의 도입만을 요구하기 때문에, 전술한 최적화 문제에 포함될 수 있으며, 이는 문제의 볼록한 성질(convexity)을 유지시킨다.
에너지 할당 및 상향스트림/하향스트림 주파수 선택
FDD를 채용하는 모든 기존의 DSL 시스템들이 고정된 상향스트림/하향스트림 주파수 듀플렉싱 대역방식를 갖고 있지만, 동적배열 대역방식(dynamically configured band plan)이 주요한 장점을 제공할 수도 있다. 그러한 방식은 모든 사용자들에게 공통되지만, 사용자 요구사항 뿐만 아니라 특정 송신환경에 따라 모뎀 초기화 중에 결정된다.
고정된 대역방식의 단점의 예는 브리지 분기선이 존재하는 경우 생기는데, 이 경우 일 방향의 송신이 불균형 감쇠(disproportionate degradation)를 겪게 되는 반면, 타 방향의 송신은 훼손되지 않고 남아 있을 수 있다. 그러한 경우 동적대역 방법론(dynamic band methodology)을 채용함으로써 상향스트림과 하향스트림의 활동 양측에 더 프로세스한 충격의 분포를 제공할 수 있다.
이제, 최적화 목적식은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112007016952183-pct00095
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여기서,
Figure 112007016952183-pct00096
는 사용자 k에 대하여 상향스트림과 하향스트림 송신에 할당된 가중치들이며, Rk,up 및 Rk,down은 사용자 k의 획득가능한 상향스트림 및 하향스트림 속도이다. 여기서, 최적화 파라미터는 할당된 에너지 뿐만 아니라, 상향스트림/하향스트림 톤의 선택도 포함한다. 그러나, 수학식 (34) 및 (35)가 사용된다면, 톤 집합의 Nup 및 Ndown 로의 분할은 바이너리 제약(binary constrained)문제이며, 그 해는 매우 높은 복잡성을 갖는다.
대신, 바이너리 제약조건(binary constraints)은 완화될 수 있어서, 계산을 크게 간략화한다. 이러한 개념은 심볼간 간섭이 존재하는 가우시안 다중액세스 채널의 FDMA 용량계산에 이미 사용되었었다. 더욱 자세하게는, 각 톤은 상향스트림과 하향스트림간에 시분할된다고 초기조건이 주어지므로, 다음과 같은 획득가능한 속도를 얻을 수 있다:
Figure 112007016952183-pct00097
Figure 112007016952183-pct00098
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여기서, ti,up, ti,down은 각각 상향스트림과 하향스트림에 대하여 사용되는 톤 i의 시분할치(fraction of time)를 나타내며,
Figure 112007016952183-pct00099
이다. 로그식 내부의 분모에 ti,up 및 ti,down 가 존재한다는 것은 몇몇 시분할치에서만 송신이 발생한 이후 할당된 에너지가 "부스팅(boosting)"된다는 것을 의미한다. 사용자 k에 대한 에너지 제약조건은 다음과 같다:
Figure 112007016952183-pct00100
Figure 112007016952183-pct00101
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따라서, 최적화 문제는 다음의 형태를 갖는다.
Figure 112007016952183-pct00102
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수학식 (58)은 이하를 조건으로 한다.
Figure 112007016952183-pct00103
Figure 112007016952183-pct00104
Figure 112007016952183-pct00105
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x,y≥0에서 오목하다고 알려진
Figure 112003045870539-pct00106
함수의 합 형태이므로, 목적함수는 오목함수이다. 제약조건 집합들은 선형 부등식으로 정의되어 있으므로, 분명히 볼록하다. 따라서, 문제는 볼록함수가 되며, 해를 효과적으로 유도하기 위한 다양한 방법들이 사용될 수 있다.
그러나, 그 해는 실제로 FDD와 시분할 듀플렉싱(이하, TDD) 구현 사이의 혼성(hybrid)으로 주어질 것이다. FDD의 구현이 요구되기 때문에, ti,up 및 ti,down을 평준화(rounding)함으로써 적절한 해가 얻어진다. 자연적으로, 이는 차선책이나, 톤의 수가 상당히 큰 경우에는 최적해에 적당히 가깝게 될 것이다. 시뮬레이션 결과는 이 주장을 증명한다. 앞서서의 세분화된 전력 백-오프 제약조건은 또한 해를 얻기 위한 애로점에 심각하게 영향을 끼치지 않고 문제 공식에 포함될 수 있다.
상기의 논의에 있어서, 데이터 속도 가중치 합의 최대화가 목적이었다. 그러나, 당업계에서 자명한 바와 같이, 가중치를 조절함으로써, 벡터화된 송신으로 획득가능한 데이터 속도영역의 다른 표면점(surface point)들이 결정될 수 있으며, 따라서 전체 다중차원 표면이 또한 결정될 수 있다. 그러나, 가중치합이 3 항 이상 포함하는 경우 고유의 상충점을 시각화하는 것은 어렵게 된다. 서비스 제공자에게 주어질 수 있는 실제적인 문제중 하나는 주어진 벡터화 시스템이 일련의 속도 요구사항을 지원할 수 있을지이며, 만약 그렇다면, 요구사항을 성취하기 위해 어떤 에너지 할당법이 요구되는지이다. 이러한 문제는 실제로 데이터 속도 가중치합 문제와 쌍대성(duality) 관계를 가지며, 따라서 가중치 합 문제는 "타당성(feasibility)" 문제를 해결하기 위한 대안을 제공한다.
전력 백-오프 또는 주파수 계획없이 벡터화하는 것은 몇가지 점에 있어서 성능을 상당히 개선시킬 수 있다. 주어진 루프 길이에 있어서, VDMT는 훨씬 높은 데 이터 속도의 달성을 허용한다. 이러한 속도증가는 3500-4500feet 이하의 범위의 길이에서 상당하다. 단거리 루프에서 이득은 더 클 수 있는데, 원단 크로스토크(FEXT)에 의해 분명하게 송신이 제한된다. 또한, 벡터화된 DMT는 데이터 속도 요구사항에 주어진 최대 루프길이를 연장할 수 있다. 예컨대, 50Mbps의 하향스트림 속도 요구사항은 일반적으로 표준 DMT시스템을 1150feet 이내의 루프길이로 제한한다. 본 발명의 사용으로 2650feet 단위의 도달길이를 더욱 길게 연장할 수 있다.
몇몇 "이종" DSL시스템이 벡터화된 시스템으로부터의 크로스토크에 대하여 보호되어야 한다는 요구사항에 의해 에너지 할당이 더 제약되는 경우, 서비스 제공자는 전력 백-오프 "선택적"방법으로 수행할 수 있어서, 서비스 우선순위에 따라 성능충격이 분산될 수 있다. 상향스트림/하향스트림 듀플렉싱 주파수 방법이 각 벡터화된 번들에서 루프 특성 및 서비스 요구사항에 따라 변화하도록 되는 때에 더 개선이 나타날 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 실시예는 하나 이상의 컴퓨터 시스템 및 모뎀들을 통하여 이송되는 데이터를 포함하는 다양한 프로세스들을 채용한다. 본 발명의 실시예는 또한 이러한 연산을 수행하는 하드웨어 장치 또는 기타 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 요구되는 목적들을 위해 특별하게 구축될 수도 있으며, 또는 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램 및/또는 데이터 구조에 의해 재구성 또는 선택적으로 활성화되는 범용 컴퓨터 일 수 있다. 여기 제공되는 프로세스들은 성질상 어느 특정 컴퓨터 또는 기타 장치와 관련된다. 특히, 다양한 범용 기계들이 본 발명에 따 라 작성된 프로그램에 사용되거나, 요구되는 방법절차를 수행하기 위해 좀 더 특성화된 장치를 구축하는 것도 더 편할 수 있다. 이러한 다양한 기계들의 특정구조는 본 발명의 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 본 발명의 실시예는, 다양한 컴퓨터 구현 동작들을 수행하기 위한 프로그램 명령 및/또는 데이터(데이터 구조를 포함함)를 포함하는 컴퓨터 기록가능 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예는, 이에 제한되지 않지만, 하드디스크, 플로피 디스크, 및 자성테이프와 같은 자성 매체; CD-ROM 디스크와 같은 광학매체; 자성-광학 매체; 반도체 메모리 장치, 및 ROM 및 RAM 과 같은 프로그램 명령을 저장 및 수행하도록 특별히 만들어진 하드웨어 장치를 포함한다. 본 발명의 데이터 및 프로그램 명령들은 또한 반송파 또는 기타 트랜스포트 매체 상에 구체화될 수도 있다. 프로그램 명령의 예는 컴파일러에 의해 생성되는 것과 같은 머신코드, 및 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 보다 높은 레벨의 코드를 포함하는 파일을 포함한다.
기술된 설명들로부터 본 발명의 특징 및 장점들이 자명하므로, 첨부된 청구항들은 그러한 모든 특징과 장점들을 포함하도록 의도한 것이다. 나아가, 다수의 개조와 변경이 당업자에게 용이하게 일어날 것이므로, 본 발명은 설명 및 기술된 바와 같이 특정의 구조와 동작에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 모든 가능한 개조예 및 균등물은 본 발명의 범주에 포함된다고 하겠다.

Claims (23)

  1. 전송중 간섭에 의해 영향을 받는 신호를 송수신하는 복수의 통신 라인 - 상기 통신 라인 각각은 사용자에 의해 이용됨 - 을 구비한 디지털 통신시스템의 제어 방법으로서,
    초기화 시에, 통신 라인의 라인, 신호 및 간섭 특성의 모델을 다른 통신 라인에 의해 전송되는 신호에 기초하여 생성하는 단계; 및
    초기화 후에, 상기 통신 라인에 전송되는 신호를 코딩하는 것에 의해 상기 다른 통신 라인에 전송되는 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 상기 통신 라인에 전송되는 신호를 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 디지털 통신 시스템은 이산 멀티톤 전송(discrete multitone transmission)을 사용하고, 상기 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 신호를 처리하는 단계는 톤별로(tone by tone basis) 행해지는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 통신시스템은 DSL 시스템인 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 통신시스템의 초기화 시에, 블록 송수신을 이용하여 신호의 전송을 동기하는 단계를 더 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    신호의 전송에 영향을 주는 상기 간섭은 상기 통신 라인 중 인접한 것으로부터의 크로스토크를 포함하고,
    상기 신호를 처리하는 단계는 처리된 신호의 에너지를 바운딩(bounding)하는 비선형 프리 코딩(nonlinear pre-coding) 동작을 사용하지 않고 수행되는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 신호를 처리하는 단계는 행렬 분해에 의해 신호의 크로스토크 간섭을 상쇄하는 단계를 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 사용자들중 한 명의 위치와는 다른 위치에서 통신 라인의 라인, 신호 및 간섭 특성에 관한 정보를 수집하는 단계를 더 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    각 사용자는 데이터 속도를 이용하여 신호를 송수신하도록 허가되며, 상기 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 신호를 처리하는 단계는 상기 사용자들의 데이터 속도의 가중 합을 최대화하는 단계를 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 사용자들의 데이터 속도의 가중 합을 최대화하는 단계는 신호 전송을 위해 각 사용자에게 에너지를 할당하는 단계를 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 신호는 복수의 주파수를 이용하여 전송되며, 상기 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 신호를 처리하는 단계는 상기 신호를 전송하는데 이용되는 주파수를 동적으로 조절하는 단계를 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  13. 사용자에 의해 각기 이용되는 복수의 통신 라인을 구비한 디지털 통신시스템 - 상기 시스템에서의 사용자의 총 가용 전력은 전력 제약 조건에 의해 제한됨 - 의 제어 방법으로서,
    각 사용자에 대해 총 전력 제약 조건을 초기값으로 지정하는 단계;
    각 사용자에 대해 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 결정하는 단계 - 상기 결정 단계는, 각 사용자가 반복적으로 자신의 전력 할당치를 최적화하도록 함으로써 각 사용자의 총 전력 제약 조건 내의 전력 할당치를 결정하는 단계, 및 상기 사용자에 대해 결정된 전력 할당치에 기초하여 각 사용자에 대하여 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 결정하는 단계를 포함함 -; 및
    각 사용자에 대해 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 평가하는 단계를 포함하며,
    상기 평가 단계는, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 상기 사용자에 대한 목표 속도와 비교하는 단계, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도보다 작은 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 증가시키는 단계, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도를 적어도 소정의 분산치만큼 초과하는 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 감소시키는 단계, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도와 같은 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 유지하는 단계, 및 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도를 상기 소정의 분산치보다 작게 초과하는 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 유지하는 단계를 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각 사용자에 대해 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 결정하는 단계 및 상기 각 사용자에 대해 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 평가하는 단계는, 전력 제약 조건이 증가되지 않거나 감소되지 않을 때까지 반복되는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 디지털 통신시스템은 DSL 시스템인 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 각 사용자에게 허용되는 총 전력은 복수의 주파수 사이에서 할당되는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 단계들은 단일 개체에 의해 수행되는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 단계들은 사용자에 의해 분산 방식으로 수행되는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 사용자의 전력 할당치를 결정하는 단계에서 크로스토크 간섭이 사용자에 의해 고려되며, 상기 크로스토크 간섭은 다른 사용자의 라인 중 적어도 하나에 의해 사용자의 통신 라인으로 도입되는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    각 사용자는 전력 제한치를 갖는 모뎀을 이용하며, 상기 사용자의 전력 제약 조건은 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도와 무관하게 상기 모뎀의 전력 제한치보다 큰 레벨로는 증가되지 않는 디지털 통신시스템의 제어 방법.
  21. 전송중 간섭에 의해 영향을 받는 신호를 송수신하는 복수의 통신 라인 - 상기 통신 라인 각각은 사용자에 의해 이용됨 - 을 구비한 디지털 통신시스템에서의 통신을 제어하는 장치로서,
    초기화 시에, 통신 라인의 라인, 신호 및 간섭 특성의 모델을 다른 통신 라인에 의해 전송되는 신호에 기초하여 생성하기 위한 수단; 및
    초기화 후에, 상기 통신 라인에 전송되는 신호를 코딩하는 것에 의해 상기 다른 통신 라인에 전송되는 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 상기 통신 라인에 전송되는 신호를 처리하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 디지털 통신 시스템은 이산 멀티톤 전송을 사용하고, 상기 신호로부터의 간섭을 제거하기 위하여 상기 모델을 이용하여 신호를 처리하는 단계는 톤별로 행해지는 디지털 통신시스템에서의 통신 제어 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 디지털 통신시스템은 DSL 시스템인 디지털 통신시스템에서의 통신 제어 장치.
  23. 사용자에 의해 각기 이용되는 복수의 통신 라인을 구비한 디지털 통신시스템 - 상기 시스템에서의 사용자의 총 가용 전력은 전력 제약 조건에 의해 제한됨 - 의 제어 장치로서,
    각 사용자에 대해 총 전력 제약 조건을 초기값으로 지정하는 수단;
    각 사용자에 대해 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 결정하는 수단 - 상기 결정은, 각 사용자가 반복적으로 자신의 전력 할당치를 최적화하도록 함으로써 각 사용자의 총 전력 제약 조건 내의 전력 할당치를 결정하고, 상기 사용자에 대해 결정된 전력 할당치에 기초하여 각 사용자에 대하여 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 결정하는 것을 포함함 -; 및
    각 사용자에 대해 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 평가하는 수단을 포함하며,
    상기 평가는, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도를 상기 사용자에 대한 목표 속도와 비교하고, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도보다 작은 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 증가시키고, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도를 적어도 소정의 분산치만큼 초과하는 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 감소시키고, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도와 같은 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 유지하며, 상기 사용자의 경쟁적으로 최적화된 데이터 속도가 상기 사용자에 대한 목표 속도를 상기 소정의 분산치보다 작게 초과하는 경우 상기 사용자에 대한 전력 제약 조건을 유지하는 것을 포함하는 디지털 통신시스템의 제어 장치.
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