（信号与信息处理专业论文）数字用户线中频谱管理技术研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文 摘要 因为数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，d s l ) 充分利用现有的电话线 资源，让人们享受各种宽带接入业务，所以日益成为宽带接入的主流技术。d s l 系统包括很多技术，例如h d s l ，a d s l ，v d s l 等。 通常，一条电话电缆中有多条双绞线，同时在多条双绞线上传输信号，就会 造成彼此之间的串音干扰，影响传输性能。当然，影响传输性能的噪声还有背景 噪声，脉冲噪声等，但对双绞线上传输信号的性能影响最大的是串音干扰。对 d s l 系统来说，也是如此。早期的d s l 技术往往只考虑到在一条电话电缆中传输 相同的d s l 信号的情况，虽然较好地降低了相同d s l 信号之间的串音干扰，但是 当一条电缆同时存在不同的d s l 信号时，d s l 系统的传输性能就会因为串音干扰 受到很大的影响。 为了解决这个问题，a n s i ( a m e r i c a dn a t i o n a ls t a n d a r di n s t i t u t e ) 提出 了一种谱管理( s p e c t r u mm a n a g e m e n t ，s m ) 标准t 1 4 1 7 。本文的主要内容就是 研究d s l 中的谱管理技术。本文首先研究了d 盯调制原理，双绞线信道模型，然 后重点研究了谱管理技术标准，从多用户信息论的角度出发，引出了动态谱管理 的概念。再根据基本的迭代注水原理，提出了双向迭代注水算法，并提出了双向 迭代注水的功率控制算法，最后作了性能仿真分析。 关键词：接入网，串音干扰，频谱管理，动态频谱管理，迭代注水算法 南京邮电学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n et e c h n o l o g yh a sw i t n e s s e d ar a p i dg r o w t h ，f r o mt h ei s d nt ot h ea d s l ，t h e nt ot h ev d s lt h a ti sb e i n g d e s i g n e d ，a n dt h eg o a lo fi n v o l v e m e n t i st h es a m e ：t oi m p r o v et h es y s t e m c a p a c i t ya n dp r o m o t e t h eq u a l i t yo fs e r v i c e d i f f e r e n td i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s ( d s l s ) t r a n s m i t t i n go v e rl o o p si n t h es a m et e l e p h o n ec a b l eg e n e r a t ec r o s s t a l ki n t oe a c ho t h e r t h e r ea r e o t h e ri m p a i r m e n t st od s lt r a n s m i s s i o nb e s i d e sc r o s s t a l k ：i m p u l s en o i s e ， r a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ( r f i ) ，e t c h o w e v e r ，t h e s ea r ea l m o s t t o t a l l yi n d e p e n d e n to ft h eg e n e r a l l yd o m i n a n tc r o s s t a l ki m p e d i m e n t t w o d i f f e r e n td s l sa r es p e c t r a l l yc o m p a t i b i ei ft h e yc a nb o t hu s et h e s a m e c a b l ew i t hl o wp r o b a b i l i t yo fs i g n i f i c a n td e g r a d a t i o n f r o mc r o s s t a l k s p e c t r u mm a n a g e m e n ti st h ep r o c e s s o fe n s u r i n gs p e c t r a lc o m p a t i b i l i t y w h i l e o p t i m i z i n g t h e l o o pp l a n t t h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e ss p e c t r u m m a n a g e m e n t i nd s l f i r s t l y ，t h i sp a p e rs t u d i e sd m ta n dt h em o d e lo fd s l s y s t e m t h e n ，s p e c t r u mm a n a g e m e n ts t a n d a r dt 1 4 1 7 i si s t u d i e d t h e n ，w e i n t r o d u c et h e c o n c e p t i o n o f d y n a m i cs p e c t r u mm a n a g e m e n t ，p r o p o s e b i d i r e c t i o n a li t e r a t i r ew a t e r f i l l i n gb a s e do ni t e r a t i v ew a t e r f i l l i n g ， a n dt h es i m u l a t i o ns h o w si ti m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a c c e s sn e t w o r k ，c r o s s t a l k ，s p e c t r u mm a n a g e m e n t ，d y n a m i cs p e c t r u m m a n a g e m e n t ，i t e r a t i v ew a t e r f i i i i n g 南京邮电学院学位论文独创性声明 丫6 2 8 8 7 1 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 近年来，以i n t e r n e t 为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信运营 概念和传输手段。随着经济发展和社会进步，人们对通信业务和通信手段提出了 更高层次的要求，如视频点播( v o d ) 、电子商务、高速因特网接入等，同时用户 对带宽的需求正以几倍几十倍的速度在不断的增长。这就使得传统电话网不可避 免地要过渡到以数据业务，特别是以i p 业务为核心的宽带通信网。当前通信网 的骨干网带宽、路由器速度和服务器处理能力都已得到极大的提高，而用户端的 带宽却一直难以很好的解决，为了解决这通常所讲的“最后一公里”问题，对宽 带接入网的建设已经成为当前电信网发展的热点之一。 目前运营商采用的宽带接入技术一般有两种：即以太网接入方式和x d s l 接 入方式。以太网接入需要光纤到楼，五类线入户等都是通过重新布线来解决宽带 接入问题。重新布线霈要投入大量人力和物力，投入运营后，运营商还可能遇到 山于丌通率不足而导致的资金回收困难等问题。而d s l 技术，是英文“数字用户 线”( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 的缩写，它是在电话线上实现高速数据传输 的技术。根据所采用的技术和性能指标的不同，d s l 技术分为许多类型，如h d s l ， s d s i 。，a d s i 和v d s 。等，统称为x d s l 。其中，x 表示第一个字母是可变的，这些 技术中尤其以a d s l 和v d s l 技术应用最为普遍。 1 1 数字用户线的发展历程 在p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 中，通常在交换机的双绞线 接入点使用了4 k h z 低通滤波器。根据采样定理，调制解调器在理想状况下能达 到的5 6 k 的速率 1 ，因此真正限制调制解调器速率的原因并不是传输介质 双绞线，而是由于电话网络。 但实际上，双绞线这种传输介质本身的带宽是远大于4 k h z 的。一般认为双 绞线的带宽在2 0 m h z 3 0 m h z 左右，因此如果在局端把话音信号和数据信号分离 开来，使得话音信号经过p s t n 网络，而数据信号通过高速专用网络，就能够避 开p s t n 网络的影响，实现在电话线上远大于5 6 k 的数据速率，这是所有d s l 技 南京邮电学院硕士研究生学位论文 术的理论基础。 综合业务数字网i s d n 和宽带i s d n ( b i s d n ) 3 一般认为i s d n 是最早的d s l 技术，它采用2 8 1 q 的线编码方式，相比于原始 t 1 传输中所使用的a m i ( 交替传号反转) 编码方式来说，提高了了传输速率。但 是由于i s d n 价格昂贵，速率增加不多，其设计目的也只是为了满足电话业务和 低速数据传输的要求，并不适合于当前i n t e r n e t 对高速数据传输的要求，这结 果成为这种产品的致命弱点。为解决这一问题，又出现了宽带i s d n ( b - i s d n ) 的概念，希望通过异步传输模( a t m ) 来满足告诉数据传输的要求。但是从目前 来看，由于a d s l 和v d s l 的出现，其速率完全可以满足高速传输的要求，b - i s d n 能否得到广泛应用还值得怀疑。 二高速数字用户环路( h d s l s h d s l ) 技术 3 h d s l 是一种对称的数字用户线，上下行通道通过传统的铜线可以实现2 m b i t s 的数字信号传输。使用1 或2 对双绞线，在国内普遍应用的0 4 r a m 线径上传送距 离可达3 s k m 。h d s l 系统线路编码方法有多种，如2 8 1 q 、2 8 2 t 、4 8 3 t 、q a m 和 c a p d 等，目前常用的有两种，即2 8 1 q 编码和c a p 编码。 s t t d s l 由于采用了t c p a m 的编码方式，传输距离比h d s l 技术的传输距离要提 高1 0 左右。可以采用1 对或2 对双绞线传输，有很强的频谱兼容性和抗干扰性 能，并具有速率自适应等传输特性。 h d s l s t l d s l 满足了运营商和高端企业用户的对称性业务需求，适合于电信运营 商和企业宽带接入。从业务应用的角度来看，由于h d s l s h d s l 的对称速率传输 的特性，其更适合企业p b x 的接入、专线、视频会议、移动基站的互连。 三不对称数字用户线技术a d s l 2 3 1 9 8 9 年，b e l l c o r e 公司的j w l e c h l e i d e r 提出了a d s l 的概念，并于1 9 9 0 年开始在s t a n f o r d 大学j o h nj i i c i o f f 课题组和a t t b e l ll a b 同时展开研究。 所谓a d s l ，即不对称数字用户线( a s y m m e t r i cd s l ) ，其最初的目的是希望 实现1 5 m 的下行速率和1 6 0 k 的上行速率，以传输m p e g 一1 的图像信号。到1 9 9 3 年，为了传输更高的m p e g 一2 的信号，a d s l 下行速率提高到6 m ，而上行速率提 高到6 4 0 k 。 2 南京邮电学院硕士研究生学位论义 a d s l 之所以采用不对称传输，一方面是从应用上考虑，即对于i n t e r n e t 这 的应用来说，下行下载的数据量通常要远远大于上行传输的数据量。另一方面就 是从技术上考虑，采用这种不对称的传输技术可以大大减小近端串音。 除了速率更高和上、下行速率不对称外，a d s l 相对于以往的d s l 技术的另 一项重要突破在于它可以在一对双绞线中传输数据的同时提供传统的电话业务， 这样不仅便于用户使用，而且省掉了另外铺设线路的成本。 a d s i 。的主要技术特点是： 数据信号用4 k h z 以上的频带传输。为了分离数据信号和话音信号，在a d s l 中使用不同的频带传输数据信号和话音信号，其中数据信号使用3 0 k h z 以上的频 带，而电话信号使用4 k h z 以下的频带。由于话音和数据在不同的频带，为了保 证a d s l 与话音传输的兼容性，在a d s l 中采用分离器( s p l i t t e r ) 技术。所谓分 离器，实际上是一个高通低通滤波器组。其中的低通部分用于通过话音信号和 抑止数据传输；而s p l i t t e r 的高通部分则用于通过数据传输和抑止语音信号。 经过这个分离器的话音和数据信号，分别在各自的p s t n 和专用数据网络中传输。 使用离散多音频( d m t ：d i s c r e t em u l t i t o n e ) 调制编码技术。1 9 9 0 年， 美国s t a n f o r d 大学提出了离散多音频调制，并采用实用的办法解决了这项技术 中的多个实践问题。因此，这种技术迅速成为美国及世界的标准。高性能的离散 多音频调制编码技术提高了频谱利用率，可以在有限频带内传输更高速率的信 号。 h d s i 中使用的2 8 1 q 调制编码技术是p a m 调制的一种，它的一个数据符号只 能代表2 比特的信息。而a d s l 中的d m t 技术，则是将整个信道划分为最多2 5 6 个子载波，然后在每个离散的子载波中，根据各自的信噪比的大小，进行星座编 码，每个子载波中的一个符号最多可以表示1 5 比特的信息。所以d m t 的频谱利 用率很高，可以使a d s l 实现更高的传输速率； 使用频分复用和回声抵消技术。这两种技术可实现a d s l 系统的全双工和 非对称通信。频分复用和回声对消是实现双工通信的两种技术。前者将整个信道 从频域上划分为独立的2 个或多个部分，分别用于上行和下行传输，彼此之间不 会有干扰。后者则用于上、下行传输频段相同的通信系统，通过使用自适应滤波 技术将本地发送信号在本地接收端的泄漏抵消得很小。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 四甚高速数字用户线技术v d s l 2 3 随着宽带数据传输技术的不断发展，h d s l 和a d s l 面临着越来越强的竞争， 例如电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 带来的竞争。c a b l em o d e m 是在有线电视 网上实现每秒几十兆的高速数据传输技术。相应地，作为d s l 技术的主要支持者， 电信公司也必须推出更高速的话音、视频和数据接入业务，这样才能满足用户日 益对更高速率的需求。因此到了1 9 9 4 年下半年，v d s l 的概念开始出现，这是对 a d s i 。概念的扩展，希望能够实现最大为5 2 m 的下行速率，并且传输速率、传输 距离可变。此外，既可以对称传输，又可以不对称传输，能支持a d s l 所不能支 持的业务，因而成为d s l 技术发展的一个亮点。 v d s l 也是一种非对称的数字用户环路，能够实现更高速率的接入。下行速 率可达5 5 2 m b i t s ，但传输距离较短，一般为0 3 1 5 k m 。由于v d s l 的传输距 离比较短，因此特别适合于光纤接入网中与用户相连接的最后”一公罩”，并且要 求光网络单元( o n u ) 尽量与用户接近，其系统配置图与a d s l 类似，存在于用户 与本地o n u 之间。v d s i 。可同时传送多种宽带业务，如高清晰度电视( h d t v ) 、清 晰度图像通信以及可视化计算等，其国际标准还正在制定。 与a d s l 相比，v d s l 在双绞线上使用到更高的频带，它使用的频带在电话网 和i s d n 的频带之上。因此它不仅可以兼容现有的话音业务，还可以兼容i s d n 业务。同时v d s l 也是用信号分离技术来兼容话音和i s d n 传输的，其基本原理与 a d s l 中的类似。 五其他x d s l 技术 1 h d s l 2 3 h d s l 2 是a n s i 发布的一项d s l 标准，属于第一代标准化的业务，类似于h d s l ， 但解决了h d s l 的问题。为了增加传输距离并允许话音传输，h d s l 2 可使用c a p 编码方式。它采用o p t i s 调制技术，线路码是p a m2 8 1 q ，串话干扰性能低于5 分贝，适宜在最坏的环境中使用。 h d s l 2 的缺点是，由于此标准是a n s i 提出并正向全球推广，所以大多数电 信服务商目前还不提供h d s l 2 服务，支持此标准的产品在中国市场比较少见。 2 ，m s d s l 4 m s d s l 源于s d s l ( 对称d s l ) ，使用一对线缆，以亚t 1 速度运行，为全 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 双工对称技术。早期s d s l 速度为7 6 8 k b p s ，现在短距离可达2 m b p s ，长距离速 度略低。多重速率的s d s l 不同丁h d s l ( 或h d s l 2 ) ，它可提供多种速率。m s d s l 使 用c a p 编码，一般都有和数字p b x 的接口。s d s l 服务只能在低于t 1 的速度”f 工作。m s d s l 与h d s l 是否可以并存尚不明朗。 3 t d d e d s l 4 我国在去年年初推出了一项新的d s l 与e t h e r n e t 技术相结合的i t 宽带接入 网的技术，命名为：基于时分双工的以太数字用户线系统( t d d e d s l ) ：可变长 度帧传送模式。t d d e d s l 是e t h e r n e td i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ( 以太数字用 户线) 的缩写。它的特点就是在接入网范畴内实现了i p 的直接传送。与传统d s l 技术比较，它克服了d s l 技术的许多局限，如对线路的挑选、串扰等，并且增大 了传输距离( 8 k m 以上) ，提高了传输效率，可应用于数字化城市和数字化社区 建设的设施，能够提供适合城市数字化、可持续发展的高性能的小区接入方式和 终端解决方案。这种技术主要应用于酒店、医院、普通用户、小企事业和专线。 由于技术较复杂，其成本是否有竞争力还有待市场检验。 1 2 各种宽带接入方法的比较 根据前面的介绍，d s l 实际上是一种宽带接入技术，主要是提高数据通信中 “最后一公里”接入段的传输速率。除d s l 之外，还有很多不同的接入方法，如 光纤到用户、无线接入、卫星通信和c a b l em o d e m 等等。在所有这些接入方法中， c a b l em o d e m 是d s l 的主要竞争对手。 2 5 1 2 1 光纤到用户 在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，“光纤到用户”的口号盛极一时。她是 希望为每一个家庭提供一个光纤接口，直接采用光纤实现宽带接入。起初，人们 曾经乐观地认为“光纤到用户”可以在几年之内实现，但是实践证明，埋设光纤， 后勤维护等工作量很大，光电接口的成本也很高。据美国人估计，要把目前一半 的铜线变为光纤至少需要1 5 年时间。因此，目前光纤主要还是用作商用骨干网， 离普通用户还有一段距离。“光纤到用户”在短时间内还难以实现。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 2 2 无线接入 现代通信系统最终的解决方案是希望一个移动的、宽带的、个人的通信系 统，即采用一个无线通信终端，就可以实现移动的多媒体通信，包括话音、数据 和视频图像等等。但是从目前来看，要实现这一目标还需要时间。目前的无线通 信网络，还是一个窄带的系统，通常为每个用户提供8 k b p s 的传输能力。未来第 三代无线通信网络可以提供2 m b p s 的传输速率，但是必须解决天线铺设，带宽拥 挤，可靠性等诸多问题。 因此，无线接入方案是未来的发展方向，但是目前仍然存在速率不高，不 可靠，不保密等问题，因此目前主要还是在话音通信中广泛应用。 1 2 3 卫星通信 卫星通信可以覆盖广阔的地域范围，近年来发展很快，很可能成为这个世纪 广播电视的主流技术。但是卫星通信系统基本上是一个单向的广播通信系统，没 有上行信道，这就限制了卫星通信在高速数据传输中的应用。此外，卫星的制造 和发射费用昂贵，这也限制了其应用的问题之一。 为解决卫星通信中上行传输的问题，当前普遍利用话带m o d e m ，把用户的上 行信息集中后，再与卫星通信。在这样的系统中，d s l 技术也有用武之地，它可 以替代话带m o d e m 实现上行信息的更高速率传输。 1 2 4c a b l em o d e m ( 1 ) c a b l em o d e m 与c a t v 系统 c a b l em o d e m 利用有线电视网络实现宽带通信，它是d s l 的主要竞争对手。 在目前的有线电视网络中，普遍采用光纤电缆混合( h f c ：h y b e rf i b e r c o a x ) 传输方案，即利用光纤作为骨干网，而采用同轴电缆作为末端的接入。与利用电 话线传输的d s l 技术相比，有线电视( c a t v ：c a b l et v ) 系统的特点是：广播 式传输；频带宽，从5 0 m h z 到1 0 0 0 m h z ：多频道，在5 0 m h z 到1 0 0 0 m h z 之间， 每8 m h z 带宽为1 个频道，因此可以有1 0 0 2 0 0 个频道。 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文 在这样的系统中，c a b l em o d e m 通常利用某一个电视频道进行高速数据传 输。 ( 2 ) c a b l em o d e m 的优缺点分析 由于c a b l em o d e m 系统是在h f c 网络中传输，而同轴电缆的电气特性( 如 电磁辐射、电磁屏蔽等) 一般优于双绞线，因此c a b l em o d e m 的传输环境要优于 以双绞线为基础的d s l 系统。此外，每一个电视频道的传输带宽都可以达到8 m h z ， 这使c a b l em o d e m 的传输带宽也不成问题。因此，在c a b l em o d e m 中，就不需要 采用如d m t 这样复杂的线编码技术，而只要采用比较常规的q p s k 和q a m 编码调 制即可。良好的介质环境、大的传输带宽以及相对简单的线编码技术，这些都是 c a b l em o d e m 的主要优点。 c a b l em o d e m 的主要问题来源于c a t v 系统的设计用途。由于是广播系统， 有线电视网络的接入段是由多个用户共享的，因此当用户量增加时，每个用户的 传输速率都会下降。而且，对于这种共享的系统，不同用户的安全也难以保证， 例如网上购物时输入的信用卡号码，就有可能被黑客共享。用户多时传输速率下 降，隐私难以保证，这是c a b l em o d e m 的主要问题 ( 3 ) d s l 与c a b l em o d e m 的比较 与c a b l em o d e m 相比，d s l 的主要优点是：线路现成，不用重新铺设电缆， 不用大动基础建设：有上、下行双向传输能力；单线传输，传输速率、隐私有保 汪。 其主要缺点是：双绞线的电气特性比同轴电缆差，因此不同传输线之间的 相互干扰，即串音干扰( c r o s s t a l k ) 比较大，这是d s l 最主要的问题。 3 6 1 3 频谱管理的重要性和现况 从接入市场的目前情况来看，多种技术是互相依存、互相补充，共存共生的 关系。任何一种接入技术都无法完全替代其他接入技术，只能在资源最优配置的 情况下作为种最合适的选择而存在。如光纤接入充分利用了光纤资源，大容量、 高密度传输，信号质量稳定，是在光纤可达地区的首选，但又受到成本高、工期 7 南京邮电学院硕士研究生学位论文 长和地理环境的制约；h f c 利用了有线电视网络资源，但又面临网络改造和标准 成熟度的限制；无线接入从3 5 g h z 、5 8 g h z 到l m d s 近来在市场上有较大呼声， 具有投资小、见效快，但又有信号质量难以保证、受气象条件影响较大等问题： l a n 接入利用了流行的i p 技术，在解决数据接入上有独到之处，但对话音的兼 顾还做的不够，其发展也面临着投资较大的压力。 而x d s l 则依托于现有的电话网络，无须重新布线，只需在用户端和局端添 加相应的设备即可运行。这种方式对个人用户和企业用户来说，无疑是一种最为 经济可行、简单有效的接入手段。 在各种d s l 技术中，i s d n 和h d s l 技术由于不适应当前网络对传输速率等的 要求，其产品在市场上的份额不大，而h d s l 2 、m s d s l 等技术，没有兼容语音业 务，一般只用于专线接入。e d s l 由于成本比较高，其应用前景本文并不看好。 由于a d s l 和v d s i 。成本相对比较低，且传输速率比较高，又兼容语音业务，因此 本文看好a d s l 和v d s l 的应用前景。 因为电话电缆中有1 2 、2 5 或5 0 条双绞线，如果在一条电话电缆中的几条双 绞线，卜 传输d s l 业务，会受到各种干扰，如背景噪声、无线电电磁干扰、射频干 扰和串音干扰等。其中的串音干扰为干扰d s l 性能的主要因素，串音干扰的强度 跟干扰源的传输功率谱密度的强度有关。如何克服串音干扰的影响，使得d s l 的传输性能不致于受到太大的影响呢? 谱管理( s p e c t r u mm a n a g e m e n t ) 技术f 是为了解决各种d s l 之间的串音干扰问题而诞生的 6 。所谓谱管理，主要是对 每种d s l 的技术参数，如传输功率谱密度、总功率限制和线路长度等参数，进行 管理，把d s l 受到的串扰控制在一个相对比较低的水平上，使得d s l 的传输性能 不致受到大的影响。目前，a n s i 已经提出了环路技术的谱管理标准t 1 4 1 7 ，其 内容主要就是对d s l 的参数进行规定和限制。但是这种谱管理技术是静态的，即 对各种d s l 的参数的规定是固定的，使得各种满足谱管理标准的d s l 技术能够在 各种环路拓扑结构情况下共存。这样就限制了d s l 性能的提高，动态谱管理技术 正是对静态谱管理技术的发展，它动态地对环路拓扑结构中的各种d s l 业务的参 数进行管理，使其既能克服彼此之间串扰的影响，又能使得各自的传输速率达到 很高的水平。目前，动态谱管理还在理论研究阶段，没有形成标准。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 4 本文的主要内容和框架 论文的内容安排如下： 第二章：d m t 技术概述。简要介绍d m t 调制原理，并给出了论文性能仿真中 a d s l 和v d s l 所用d m t 的技术参数。 第三章：数字用户线系统建模。本章首先介绍了双绞线的物理特性和相应的 数学模型，接着分析了数字用户线系统所受干扰的主要来源，着重分析了串音干 扰的原因和串音的类型，给出了后面仿真中所用的串音模型和串音公式。最后叙 述了仿真的大致过程。 第四章：静态谱管理方案t 1 4 1 7 。本章注重研究了静态谱管理方案 第五章：动态谱管理的关键技术研究。本章首先对静态谱管理和动态谱管 理技术进行了比较，然后从多用户信息理论出发，根据迭代注水算法提出了双向 迭代注水算法和基于双向迭代的功率控制算法，最后进行了性能仿真分析。 9 南京邮电学院硕上研究生学位论文 第二章离散多音调制技术概述 目前，a d s l 技术正在中国得到广泛应用，v d s l 技术的应用也是方兴未艾。 a d s l 和v d s l 根据线编码技术的不同都分为两个体系：一种是以无载波调幅调相 技术( c a p ) 为主要调制方式的单载波调制体系( s i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o n ： s c m ) ，另一种是以离散多音调制技术( d m t ) 为主要调制方式的多载波调制 ( m u l t i p l ec a r r i e rm o d u l a r i o n ：m c m ) 。 2 1 c a p 调制和d m t 调制的比较 c a p 与d m t 相比，二者各有优缺点。 c a p 的主要优点是：调制比较简单，频带分频也较简单，因此管理也简单； c a p 对模拟前端要求不搞，因而芯片的体积较小。c a p 的主要缺点是：调制 载波固定，因此抗干扰能力较弱；c a p 调制使用模拟双工，信道之间需要保护 带隔离，频带利用率低。 d m t 技术的主要优点在于性能方面 好的灵活性和更高的频谱利用率：首先 它将信道划分为多个子信道，提供了更 可根据各个子信道的信噪比自适应地分 配比特数，对于射频干扰( r f i ) 等频率选择性干扰，d m t 可以关闭相应子信道， 避开干扰的影响。其次，d m t 可以在多个子信道上有效的进行功率控制。最后， 由于使用正交调制，所以d m t 不需要保护带，可以提高频带利用率。d m t 的主要 缺点是使用多个子信道，增大了管理的难度和系统的复杂性，也使模拟前端的实 现更加复杂。 在a d s l 的发展中曾出现过两种调制方式的激烈竞争，但最终确定的标准是 d m t 调制。目前，a n s i 和i e e e 已经将d m t 作为v d s l 的标准，i t u 也坚持一种标 准化方式，本文也认为d m t 必将成为v d s l 的主要调制方式。而且d m tv d s l 成为 标准也可以推动a d s l 芯片与v d s l 芯片的合二为一，在同一芯片上可以由用户选 择使用a d s l 或v d s l 。 3 7 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文 2 2 离散多音调制的基本概念 所谓多音调制，就是把整个通信信道在频域上划分为很多子信道。在每一个 子信道上，仍然采用q a m 或类似的带通信号进行传输，其中q a m 的通带中心应该 与相应子信道的中心频率一致。因此，这种调制方法是在同一个通信信道上，采 用两个或更多的并行带通信号( 如o a m 或类似的信号) 来承载一个单一的比特流。 而在接收机中，不同的带通信号分别独立的进行解调，再通过解复用恢复出原始 的传输比特流。 离散多音调制的本质是把同一个通信信道划分为很多很窄的子信道。如果每 一个子信道的带宽足够窄，则基本上可以认为这个子信道内的频率响应是“平 坦”的。如果一个子信道内的频率响应是“平坦”的，则它周期延拓后的频率将 是全通的。因此，根据n y q uj a t 定律，在每个子信道中是没有i s i 。多音调制的 关键是要把整个子信道划分为足够多的子信道，以使每个子信道内的频率响应特 性是“平坦”的。 根据傅立时变换的对偶性，子信道上很窄的传输带宽意味着很长的符号周 期。实际上，每个子信道中传输的符号周期t 远远大于整个信道的脉冲响应长度。 因此，整个信道的脉冲响应长度与子信道中的符号周期t 相比几乎可以不计，例 如对于a d s l 所用d m t 情况，符号周期为信道脉冲响应的5 1 2 倍。这相当于信道 的脉冲响应可以看做是一个冲激函数，因此没有i s i 。这就从时域角度说明，多 音调制可以消除i s i 。 3 7 2 3d m t 的实现框图 d m t 的实现过程如图2 1 所示。在d m t 的工作过程中，首先是子信道的训练， 即通过发送一个接受端已知的训练序列计算每个子信道的信噪比。随后，根据每 个子信道的信噪比，利用“注水算法”计算每个子信道可以分配的比特数。把待 传输的信息比特流，根据注水算法分析的结果，分别注入相应的子信道( 图2 1 中发射机中的第一个模块) 。分别对n 个子信道中的比特块作q a m 映射，再对这 n 个复数进行共轭偶对称扩展，然后再作2 n 点i f f t ，进行并串转换之后，再加 上y 长的循环前缀，通过d a c 和滤波器发送到信道。 南京邮电学院硕上研究生学位论文 在接受端作发端的逆运算，先通过a d c ，然后去循环前缀之后作串并转换 再作2 n 点的f f t 运算。最后恢复出n 个子信道信息。 嚣芰撷点分配 n - 加复接轭 州 2 k 点 2 h 井串行 卜 与编码 一_ 后缀3 冉i f f t 七- 转换 2 n 点 生g 嘣加循环前纽一 墅缴掣i 。n 纛一2 nz 搪一i 2 n f f i 瓣整黼j 戮 一 与重排序 一j 复批轭- 年 鲁k 转换一一古a r 卟日u 5 h 。 图2 1d m t 实现框图 2 4d m t 中的比特加载问题 在本篇论文所用的仿真中，主要是从功率谱域考虑，并不关心d m t 技术在 时域的问题。因此我们主要的问题就是如何在各个子信道上分配比特数。那么 如何在各个不同的子信道中分配比特数的准则是什么? 应如何实现最优的分 配呢? 通常从概念上来说，应该是在具有较大信噪比的子信道内加载较多的比特 数，在小信噪比的子信道内加载比较少的比特数，而在信噪比特别差的予信道 不加载任何比特，这样的分配应该是最优的。 3 7 这就用到了注水算法，关于注水算法详细内容，本论文的5 3 节有详细论 述。 2 5a d s l 和v d s l 的d m t 参数配置 在本文后面所做的仿真实验中，a d s l 和v d s l 所用的d m t 参数配嚣见表2 1 。 表2 1a d s l 和v d s l 的d m t 参数配置 8 9 南京邮电学院硕士研 究生学位论文 信号裕量( s i g n a l m a r g i n ) o 0 串扰裕量( x t a l k m a r g i n ) 6 d b6 d b 参考噪声( r e f n o i s e ) 9 8 m w9 8 m w 编码增益( c o d i n gg a i n ) 3 5 d b 3 5 d b 频率间隔 4 3 1 2 5 k h z43 1 2 5 k h z 子载波数 2 5 64 0 9 6 上行所用子载波 7 3 0 6 9 9 11 7 81 6 3 8 2 7 8 2 r 行所用于载波 3 8 ：6 3 6 5 ：2 5 5 3 2 ：6 9 l 1 1 8 6 ：1 6 3 0 符号速率4 0 0 0 b 妇4 0 0 0 b 糯 编码星座 2 1 52 1 1 1 3 南京邮电学院硕土研究生学位论文 第三章d s l 系统性能分析 本章主要介绍d s l 系统性能分析的基本理论和操作方法。 d s l 系统的性能分析是通过建模和仿真的方法，确定d s l 传输的各项参数指 标，为d s l 系统的设计和实现提供理论依据。d s l 性能分析的常用方法是利用理 论分析和实际测量获得的数据，在计算机中模拟d s l 信号通过双绞线信道后的输 出，再加入各种传输干扰，从而得出d s l 信号在各种干扰背景下的传输性能。 因此，在d s l 的性能分析中，首先要仿真d s l 的信道环境及d s l 实际工作中 所受到的各种干扰。d s l 是在双绞线中传输的，因此信道环境的仿真过程，就是 双绞线信道的建模过程；而各种传输干扰，包括白噪声、色噪声、串扰、射频干 扰、脉冲干扰等等，也可利用各种理论分析或实际测量的结果进行建模。 本章的重点是介绍d s l 的信道模型和系统所受到的干扰模型。首先在3 1 节介绍了双绞线的概况。在3 2 介绍两种双绞线信道模型：r l c g 模型和a b c d 模 型。3 3 节介绍影响d s l 系统性能的各种干扰，包括背景噪声、串音干扰、无线 电干扰、无线电电磁干扰和脉冲噪声等等，以及对这些干扰进行建模计算的方法。 最后在3 4 节中，介绍了d s l 系统建模仿真的具体实现方法。 3 1 双绞线的概述 人们从1 8 7 7 年开始使用电话，当时用一根线传送话音，而用大地作为返回 线。这样做的好处是节省了第二根返回线的成本，但是当大地的电阻发生变化时， 单线传输的性能就会发生很大的变化，所以当时的用户为了保证话音通信的质量 甚至要向地面泼水。为了解决这一问题，人们想出了用两根相互平行间隔大约数 英寸的铜线来传送话音，这种办法解决了话音通信的可靠性问题，但是串音又成 了严重的问题。所谓串音，是当在一对电话线上通话时，由于电磁场的辐射，话 音会耦合到附近其他的电话线中。 为了解决串音问题，贝尔在1 8 8 1 年发明了双绞线( t p ：t w i s t e d p a i r w i r e ) ， 它是把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，根据电磁场的理论，每一根 导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消，这样就降低了串音的 南京邮电学院硕土研究生学位论文 程度。 双绞线是最常用的一种传输介质。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套 中便构成双绞线电缆。在双绞线电缆内，不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说 扭绞长度在3 8 1 c m 至1 4 c m 之问，按逆时针方向扭绞。与其他传输介质相比，双绞 线在传输距离、信道带宽和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低 廉。 目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线( u t p ：u n s h i i d e dt w i s t e dp a i r ) 和屏蔽双 绞线( s t p ：s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 两种。在美国，双绞线通常用“美国线规格” ( a w g ：a m e r i c a nw i r eg a u g e ) 来衡量，它包括1 9 ，2 2 ，2 4 ，2 6 和2 8 等规格， 规格的大小表示铜线的直径大小。此外，双绞线还可以用“类”( c a t e g o r y ) 来 衡量，不同的类表示不同的损失和串音性能，类别越高，性能越好。通常高速数 据传输都需要采用3 类以上的双绞线。 下面给出用户线的典型结构： 馈线配线引入线 图3 ，1 用户线结构图 图3 1 中的局端至交接箱的部分称为馈线段，由大对数市话电缆组成，长度 为几千米，它担负着信息传输的主干通道的任务；从交接箱至用户之间组成分配 网，它包括配线和引入线。馈线和配线通常以2 5 对、5 0 对或i 0 0 对双绞线构成 线束。在同一线束内，不同的电缆之间靠得很紧，且长度较长( 等于一个馈线或 配线线柬的长度) ，因此显然同一个线束内的双绞线之间的串音要远远大于线束 间双绞线之问的串音。 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文 3 2 双绞线模型 通常双绞线信道有两种数学模型：一种是r l c g 模型，另种是a b c d 模型。 利用这两个模型和传输线的有关理论，可以对取绞线信道建立数学模型，求出信 道的传递函数。 根据线路的类型和长度，首先可以用解析模型或数值模型求出每一段双绞线 的r l c g 参数：再利用a b c d 参数与r l c g 参数的关系，求出每一段双绞线的a b c d 参数。根据a b c d 参数的级联特性，把不同规格，不同长度的双绞线级联起来， 即可求出整个双绞线的传递函数，这就是双绞线建模的过程。 3 2 1r l c g 模型 双绞线是传输线的一种，任何传输线，都存在一些最基本的参数，如电阻( r ) 、 电感( l ) 、电容( c ) 、电导( g ) ，这些参数叫作r l c g 参数。所谓r l c g 模型，就是 利用双绞线的r l c g 参数，来表示双绞线的信道特性。这种模型又称为双绞线信 道的一次模型，因为它仅仅提供了双绞线信道的r l c g 参数，而没有提供双绞线 信道的传递函数。但是双绞线信道的传递函数可以根据r l c g 参数计算出来。 3 6 ( 1 ) 解析r l c g 模型 这种模型忽略电导的效应，并假定电感和电容是不随频率变化的常数，而电