CN101083553A - xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，包括以下步骤：步骤a，生成xDSL线路所有子信道的所有可行的上下行方向组合；步骤b，确定组合中的频谱均衡最优的组合；以及步骤c：按照最优组合来调整xDSL线路的传输方向和发送功率。本发明还提供了一种xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置。

Description

xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体而言，涉及一种用于动态管理xDSL上下行共用频率的动态频谱管理方法和装置。

背景技术

xDSL(Digital Subscriber Line，数字用户线，缩写为DSL，xDSL是指各种数字用户线)是一种在电话双绞线(无屏蔽双绞线，Unshielded Twist Pair，UTP)上的高速数据传输技术。经过多年的发展，已经从第一代的ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line，非对称数字用户线)发展到现在的第二代的ADSL2、ADSL2+以及更新的VDSL(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line，甚高速数字用户线)和VDSL2。ADSL和VDSL是一种多载波***，它采用离散多音频调制(Discrete Multi-TONE Modulation，缩写为DMT)方式，将频域分为多个互不重叠的子信道，每个子信道指定为上行或下行传输。每个子信道对应不同频率的载波，在不同的载波上分别进行QAM调制。对频域的这种划分大大方便了DSL的设计。

图1示出了相关技术的xDSL***100的参考模型。

如图1所示，DSLAM 120包括用户端收发单元122和分离/整合器124，在上行方向，用户端收发单元122接收来自计算机110的DSL信号并对所收到的信号进行放大处理，将处理后的DSL信号发送至分离/整合器124；分离/整合器124将来自局端收发单元122的DSL信号和电话终端130的POTS信号进行整合处理；整合后的信号通过多路的UTP 140的传输，由对端的DSLAM 150中的分离/整合器152接收；分离/整合器152将所接收的信号进行分离，将其中的POTS信号发送至公用电话交换网(Public SwitchedTelephone Network，缩写为PSTN)160，将其中的DSL信号发送至DSLAM 150的收发单元154，收发单元154再将所收到的信号进行放大处理后发送至网络管理***(Network ManagementSystem，缩写为NMS)170。在信号的下行方向，则信号按照与上述相反的顺序进行传输。

图2示出了相关技术的VDSL2的三种主要频谱划分。

xDSL技术将整个频域划分为上行(用户到交换局)部分和下行(交换局到用户)部分，上、下行频带间互不重叠，互相独立。ADSL(ADSL2)使用1.1MHz以下频谱，25kHz～138kHz为上行，138kHz～1.1MHz为下行，可提供上行最大800kbps(1.5Mbps)、下行最大8Mbps(16Mbps)的速率，ADSL2+将下行频谱带宽扩展到2.2MHz，能够提供最大25Mbps下行速率和最大3Mbps上行速率，VDSL采用最大12MHz的频率，能提供最大52Mbps下行速率和最大26Mbps上行速率，而VDSL2甚至使用高达30MHz的频谱，能够提供最高上下行对称100Mbps的速率。G.993.2中给出了VDSL2在0～12MHz之间以及12MHz～30MHz之间的上、下行频域划分。如图2所示，目前12MHz以下的频谱划分主要有三种。

图3示出了相关技术中的远端串扰和近端串扰示意图。

用户电缆基本上都包含多对(25对或以上)双绞线，在各个双绞线上可能运行了多种不同的业务，各种类型的xDSL同时工作的时候互相之间会产生串扰，其中某些线路会因为这个原因性能急剧下降；当线路比较长时，某些线路根本不能开通任何形式的DSL业务。串扰是当前DSL modem(调制解调器)(如ADSL，VDSL)***中影响用户速率的主要因素，可分为远端串扰(FEXT)和近端串扰(NEXT)，如图3所示。通常NEXT的影响要比FEXT大，但在ADSL/VDSL中，由于采用了上、下行频域分隔和频分复用技术，FEXT的影响要远大于NEXT，特别是在CO/RT混合使用环境中更是如此。

如图3所示，由于xDSL上下行信道采用频分复用，所以近端串扰(NEXT)对***的性能不产生太大的危害；但远端串扰(FEXT)会严重影响线路的传输性能。当一捆电缆内有多路用户都要求开通xDSL业务时，会因为远端串扰(FEXT)使一些线路速率低、性能不稳定、甚至不能开通等，最终导致DSLAM的出线率比较低。

图4示出了相关技术的CO/RT混合用户场景示意图。

xDSL技术通过调整各个频带的发射功率来消除或减弱噪声，以达到提高数据速率的目的。传统的调整功率的方法为静态频谱管理方法，其中包括平坦功率回馈方法(Flat Power Back-Off)，参考PSD方法(Reference PSD Method)和参考噪声法(Reference NoiseMethod)等。动态频谱管理方法(Dynamic SpectrumManagement-DSM)是近几年提出的能更加有效地管理分配功率的方法，它克服了静态频谱管理方法的缺陷，动态地调整功率来达到消除或减弱各用户之间串扰影响的目的，能大大地提高速率。特别是在CO/RT混合使用的情况下短线对长线的串扰影响较大。如图4所示，线路2对线路1的影响要远远大于线路1对线路2的影响。通过动态频谱管理方法可以大大降低串扰的影响从而提高速率。

DSM技术还没有商用，图5示出了相关技术的DSM参考模型示意图。目前DSM第一层面的主流架构如图5所示，有一个控制器SMC(Spectrum Maintenance Center)和三个控制接口，分别为DSM-S、DSM-C、DSM-D。SMC通过DSM-D接口从DSL-LT读取DSL线路的工作状态等参数，通过DSM-S接口与其相关联的SMC进行信息交互，当SMC掌握足够的信息，作一系列的优化算法，最后通过DSM-C向DSL-LT下发控制参数，使线路工作在最佳的状态。

具体地，DSM就是自动调整网络中各个调制解调器上的传输功率来达到消除串扰的目的。特别是在CO/RT混合应用的情况下短线对长线的串扰影响较大。如图4所示，线路3对线路1的影响要远远大于线路1对线路32的影响。DSM的目标就是通过调整发射功率使每个调制解调器在达到自身速率最大化和减少对其它调制解调器的串扰影响之间达到一个平衡。

在现有的xDSL标准里，使用BIT表项和GAIN表项来表明每个子载波所能承载的比特数和发射功率。Bit swapping技术主要是通过调整这两个表项来达到目的。

BIT表项(bit table，比特表)如下表1所示：

表1：比特表

TONE1	TONE2	TONE3	TONE4	…	TONE NSC-1
						b1	b2	b3	b4	…	bNSC-1

其中，每个比特表项b表示xDSL线路上对应的子频段TONE所能承载的比特数目，标准规定每项不能超过15。该比特数目的大小决定了对应子频段的线路速率，调整比特表项的大小，即可改变该子频段的线路速率。

实际过程中，一个BIT表项确定一个唯一的线路速率，反之线路速率可以通过多个不同的BIT表项获得，其中就某种前提条件来说，存在唯一一个最优的BIT表项。

GAIN表项(gain table，增益表)如下表2所示：

表2：增益表

TONE1	TONE2	TONE3	TONE4	…	TONENSC-1
						g1	g2	g3	g4	…	g NSC-1

其中，每个增益表项g表示xDSL线路上对应的子频段TONE的数据发送功率。该功率的大小决定了对应子频段承载的数据量，调整增益表项的大小，即可改变该子频段的数据发送功率。

尽管DSM方法可以通过调整功率大大降低串扰的影响，但随着用户对速率需求的不断提升以及用户需求的多样化发展趋势，用户对上、下行速率的要求是随着实际应用需求动态变化的。现有的xDSL技术采用固定的频域规划，即每个TONE被事先指定为上行或下行传输，其传输方向不发生改变。然而，在实际应用中，用户对上下行速率的要求会随着用户的实际应用而有所区别，这一约束使得线路无法满足用户多样化的需求。简言之，现有的xDSL技术采用固定的上下行频域划分和固定的上下行速率已远远不能满足用户多样化的需求。

因此，人们需要一种动态频谱管理方案，能够根据用户需求动态地调整各用户线的速率，以解决上述的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种xDSL技术中上、下行共用频率的动态频谱管理方法和装置，通过将频域规划(Bandplan Design)和频谱均衡(Spectrum Coordination)结合起来，使线路的传输方向和发送功率根据用户实际需求进行动态调整，以达到用户对上、下行速率的动态变化的需求，从而有效地克服了现有xDSL技术固定用户上、下行频域所带来的缺陷。

根据本发明的一个方面，提供了一种xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，包括以下步骤：步骤a，生成xDSL线路所有子信道的所有可行的上下行方向组合；步骤b，确定组合中的频谱均衡最优的组合；以及步骤c：按照最优组合来调整xDSL线路的传输方向和发送功率。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法中，步骤a包括以下步骤：对所有用户n＝1，2，...，N和所有子信道k＝1，2，...，K的上下行传输方向组合进行遍历，找到其中所有满足 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 且 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 的组合作为所有可行的上下行方向组合，其中，δ_k，n ^up表示第n个用户第k个子信道上是否为上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=0$ 表示非上行传输；δ_k，n ^down表示第n个用户第k个子信道上是否为下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=0$ 表示非下行传输。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法中，步骤b包括以下步骤：步骤b1，寻找每一种组合中的最优功率分配方案；以及步骤b2，将所有最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有最优的最优功率分配方案的组合为最优组合。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法中，步骤b1包括以下步骤：第一步骤，构造数学模型 $J_k=w_1{b}_k^{1,\mathrm{up}}+w_2{b}_k^{1,\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{b}_k^{n,\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{b}_k^{n,\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n,$ 其中，s_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个子信道的发送功率；w₁和w₂为给定常数，λ_n ^up，λ_n ^down和μ_n分别为拉格朗日算子；b_k ^n，up和b_k ^n，down分别表示在第n条用户线第k个子信道上行和下行各自所能承载的比特数；以及第二步骤，对所有可行的上下行方向组合，以子信道为循环单位，从1到K，以δ为最小间隔遍历所有s_k ⁿ，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N，通过迭代的方式找出使J_k最大同时满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束的功率分配方案，作为最优功率分配方案。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法中，第二步骤包括以下步骤：当所有子信道都遍历完毕后，依下列各式动态调整各权重系数：

${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{up}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{up}})]}^{+},n=2,...,N$ ${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{down}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{down}})]}^{+},n=2,...,N$

${\mathrm{\μ}}_n={[{\mathrm{\μ}}_n+\mathrm{\ϵ}(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k^n-P_n)]}^{+},n=1,...,N,$ 直到满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束并到达稳定态为止，由此得到的功率分配方案是使J_k最大的功率分配方案。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法中，第一步骤包括以下步骤：计算J_k时，获取第k个子信道的噪声σ_k ⁿ及信道衰减函数h_k ^n，n，噪声σ_k ⁿ包括xDSL线路的本底噪声和其他xDSL线路的串扰噪声，加载比特速率根据 $b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ 进行计算。

根据本发明的另一方面，提供了一种xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，包括：频域规划模块，用于生成xDSL线路所有子信道的所有可行的上下行方向组合；最优组合确定模块，用于确定组合中的频谱均衡最优的组合；以及调整模块，用于按照最优组合来调整xDSL线路的传输方向和发送功率。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置中，频域规划模块对所有用户n＝1，2，...，N和所有子信道k＝1，2，...，K的上下行传输方向组合进行遍历，找到其中所有满足 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 且 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 的组合作为所有可行的上下行方向组合，其中，δ_k，n ^up表示第n个用户第k个子信道上是否为上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=0$ 表示非上行传输；δ_k，n ^down表示第n个用户第k个子信道上是否为下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=0$ 表示非下行传输。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置中，最优组合确定模块包括：频谱均衡模块，用于寻找每一种组合中的最优功率分配方案；以及比较模块，用于将所有最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有最优的最优功率分配方案的传输方向组合为最优组合。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置中，频谱均衡模块包括：建模模块，用于构造数学模型 $J_k=w_1{b}_k^{1,\mathrm{up}}+w_2{b}_k^{1,\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{b}_k^{n,\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{b}_k^{n,\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n,$ 其中，s_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个子信道的发送功率；w₁和w₂为给定常数，λ_n ^up，λ_n ^down和μn分别为拉格朗日算子；b_k ^n，up和b_k ^n，down：分别表示在第n条用户线第k个子信道上行和下行各自所能承载的比特数；以及遍历模块，用于对所有可行的上下行方向组合，以子信道为循环单位，从1到K，以δ为最小间隔遍历所有s_k ⁿ，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N，通过迭代的方式找出使J_k最大同时满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束的功率分配方案，作为最优功率分配方案。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置中，遍历模块还用于当所有子信道都遍历完毕后，依下列各式动态调整各权重系数：

${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{up}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{up}})]}^{+},n=2,...,N$ ${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{down}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{down}})]}^{+},n=2,...,N$

${\mathrm{\μ}}_n={[{\mathrm{\μ}}_n+\mathrm{\ϵ}(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k^n-P_n)]}^{+},n=1,...,N,$ 直到满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束并到达稳定态为止，由此得到的功率分配方案是使J_k最大的功率分配方案。

在上述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置中，建模模块在计算J_k时，获取第k个子信道的噪声σ_k ⁿ及信道衰减函数h_k ^n，n，噪声σ_k ⁿ包括xDSL线路的本底噪声和其他xDSL线路的串扰噪声，加载比特速率根据 $b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ 进行计算。

通过上述技术方案，本发明实现了如下技术效果：

本发明通过将频域规划(Bandplan Design)和频谱均衡(Spectrum Coordination)结合起来，使线路的传输方向和发送功率根据用户实际需求进行动态调整，以达到用户对上、下行速率的动态变化的需求。从而有效地克服了现有xDSL技术固定用户上、下行频域所带来的缺陷，可以满足用户对上下行速率不同需求的要求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了相关技术的xDSL***的参考模型；

图2示出了相关技术的VDSL2的三种主要频谱划分；

图3示出了相关技术中的远端串扰和近端串扰示意图；

图4示出了相关技术的CO/RT混合用户场景示意图；

图5示出了相关技术的DSM参考模型示意图；

图6示出了根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法；

图7示出了根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置；

图8示出了根据本发明的一个实施例的多用户场景；以及

图9示出了根据本发明的在图8所示的多用户场景中的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明。

本发明的思想是对频域和功率进行整体的设计和优化，来适应用户实际需求的变化，通过将频域规划和频谱均衡结合起来，使线路的传输方向和发送功率根据用户实际需求进行动态调整，以达到用户对上、下行速率的动态变化的需求。

原有技术没有考虑上行和下行同时使用的情况，本发明提出了考虑上行和下行同时使用的情况。下面将具体说明本发明为了解决上行和下行同时使用的问题，而提出的数学模型。

在进行功率分配和调整时，采用以下传输信道模型。在一个采用离散多音频调制(DMT)的N个用户，K个TONE(子信道)的通信模型中，各个TONE上信号传输可独立地表示为：

y_k＝H_kx_k+σ_k              (1)

x_k为第k个TONE上的输入向量，y_k为第k个TONE上的输出向量，x_k和y_k均为N维向量。H_k是第k个TONE上的N*N的传输矩阵，若第m个用户和第n个用户在第k个TONE上的传输方向相同，则h_k ^n，m为远端串扰函数；若传输方向相反，则h_k ^n，m为近端串扰函数。假设每个modem将其它modem对它的干扰当成噪声，则第n个用户在第k个TONE上可达到的数据速率可用香农信道容量公式计算：

$b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ (2)

动态频谱管理问题可描述如下：各个用户线上总发射功率要满足一定的约束；单个TONE上的发射功率要满足功率谱密度约束；约定第2到第N个用户的上、下行速率要达到一定的数值。目标为优化第1个用户线上下行方向的加权速率。约束和目标可根据实际需求的变化进行相应的调整。动态频谱管理问题即通过调整各个用户线在各个TONE上的传输方向和发射功率，使其在满足上述约束的前提下使目标函数值最大。

用σ_k，n ^up和σ_k，n ^down表示第n个用户在第k个TONE上的上行传输和下行传输，其取值为0或1。 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输，二者满足 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ ，即一个TONE同一时刻只能上行传输或下行传输；s_k ⁿ表示第n个用户在第k个TONE上的功率分配，其取值要满足PSD mask约束。其中 $h_k^{n,m}=\left\{\begin{array}{c}{h}_{k,\mathrm{FEXT}}^{n,m},\mathrm{if}({\mathrm{\δ}}_{k,m}^{\mathrm{up}}={\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}});\\ h_{k,\mathrm{NEXT}}^{n,m},\mathrm{if}({\mathrm{\δ}}_{k,m}^{\mathrm{up}}\≠{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}).\end{array}\right.,$ 即若第m个用户和第n个用户在第k个TONE上的传输方向相同，则h_k ^n，m为远端串扰函数；若传输方向相反，则h_k ^n，m为近端串扰函数。该函数可通过线路的物理特性和拓扑结构获得。

因此，本发明提出，DSM问题的数学形式可描述如下：

$\underset{s_1,...,s_N}{\max }{w}_1{R}_1^{\mathrm{up}}+w_2{R}_1^{\mathrm{down}}$

$s.t.R_n^{\mathrm{up}}\≥R_{n,\mathrm{up}}^{t\arg \mathrm{et}},$ $R_n^{\mathrm{down}}\≥R_{n,\mathrm{down}}^{t\arg \mathrm{et}},$ n＝2，3，...，N

$s.t.\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k^n\≤P_n,n=\mathrm{1,2},...,N$ (3)

$s.t.0\≤s_k^n\≤s_{\max },$ k＝1，...，K；n＝1，...，N

$s.t.{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1,$ ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\{0,1\},$ k＝1，2，...K；n＝1，2，...N

其中，

$R_n^{\mathrm{up}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},$ $R_n^{\mathrm{down}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k^n{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}};$

R_n，up ^target，R_n，down ^target ，P_n，w₁，w₂和s_max均为给定常数。

本发明中，对于DSM，任一个TONE的上、下行传输方向在初始化阶段可根据用户的实际应用动态调整来确定，不再如图1中那样固定每个TONE的上、下行传输方向。所以优化变量包括δ_k，n ^up，δ_k，n ^down和s_k ⁿ(k＝1，2，...，K；n＝1，2，...，N)。该模型可理解为允许上下行共用频率情况下的DSM。求解此问题可以采用对偶方法，引入拉格朗日权系数λ_n ^up，λ_n ^down，n＝2，...，N和μn，n＝1，...，N。式(3)可转化为：

$\underset{s_1,...,s_N}{\max }{w}_1{R}_1^{\mathrm{up}}+w_2{R}_1^{\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{R}_n^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{R}_n^{\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n$

$s.t.0\≤s_k^n\≤s_{\max },$ k＝1，...，K；n＝1，...，N

$s.t.{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1,$ ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\{0,1\},$ k＝1，2，...K；n＝1，2，...N    (4)

其中，

s_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；

σ_k ⁿ：表示第n个用户在第k个TONE上接收到的噪声信号；以及

w₁和w₂：给定常数，

λ_n ^up，λ_n ^down和μ_n：分别表示为拉格朗日算子；

b_k ^n，up和b_k ^n，down：分别表示在第n条用户线第k个TONE上行和下行各自所能承载的比特数

δ_k，n ^up：表示第n个用户第k个子信道上是否为上行传输，仅当 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输；

δ_k，n ^down：表示第n个用户第k个子信道上是否为下行传输，仅当 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输。

R_n ^target：表示线路的目标速率。

式(4)又可分解为K个TONE上独立的目标函数来求解，用J_k来表示式(4)中第k个TONE上的函数：

$J_k=w_1{b}_k^{1,\mathrm{up}}+w_2{b}_k^{1,\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{b}_k^{n,\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{b}_k^{n,\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n$ (5)

其中，

s_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；

w₁和w₂：给定常数，

λ_n ^up，λ_n ^down和μ_n：分别表示为拉格朗日算子；

b_k ^n，up和b_k ^n，down：分别表示在第n条用户线第k个TONE上行和下行各自所能承载的比特数

δ_k，n ^up：表示第n个用户第k个子信道上是否为上行传输，仅当 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输；

δ_k，n ^down：表示第n个用户第k个子信道上是否为下行传输，仅当 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输。

因此，可以通过列举各个TONE的传输方向和发射功率来求得(5)式的最大值，然后动态调整各个权系数的值。不断重复这一过程直到各约束满足且计算收敛为止。

从以上的分析中可以看到，本发明在从3式到5式的推导过程中使用了对偶方法(参见R.Cendrillon，W.Yu，M.Moonen，J.Verlinden，and T.Bostoen，“Optimal multi-user spectrum managementfor digital subscriber lines，”accepted by IEEE Transactions onCommunications，2005.)，但是，本发明提出了一种新的数学模型，与现有技术不同之处在于，现有技术只考虑在固定频谱规划下的功率分配，而完全没有考虑上下行共用频率。因此，本发明的数学模型3式和现有技术中的数学模型完全不同。

根据上述的分析，提出了本发明。下面将参照图6和图7来详细说明根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法和装置。

图6示出了根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法；图7示出了根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置100。

如图6所示，根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法包括以下步骤：

步骤S102，生成所有TONE的所有可行的上下行方向组合；

步骤S105，确定所有可行的上下行方向组合中的最优组合；以及

步骤S108：按照该最优组合来调整线路的传输方向和发送功率。

可选地，步骤S105包括以下步骤：

步骤S104，寻找每一种组合中的最优功率分配方案，其中，可选地，构造数学模型 $J_k=w_1{b}_k^{1,\mathrm{up}}+w_2{b}_k^{1,\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{b}_k^{n,\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{b}_k^{n,\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n,$ 其中，s_k ⁿ：表示在第n条用户线路上第k个TONE的发送功率；w₁和w₂为给定常数，λ_n ^up，λ_n ^down和μ_n分别为拉格朗日算子；b_k ^n，up和b_k ^n，down：分别表示在第n条用户线第k个TONE上行和下行各自所能承载的比特数。，利用该数学模型来找到每一种组合中的最优功率分配方案；以及

步骤S106，将所有最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有该最优的最优功率分配方案的组合为最优组合。

从以上的方法中可以看到，步骤S102用于实现频域规划，步骤S104用于实现频谱均衡，通过步骤S102至步骤S106实现了将频域规划和频谱均衡结合起来，从而实现了使线路的传输方向和发送功率根据用户实际需求进行动态调整，以达到用户对上、下行速率的动态变化的需求。

如图7所示，根据本发明的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置100包括：

频域规划模块102，用于生成所有TONE的所有可行的上下行方向组合；

最优组合确定模块105，用于确定所有可行的上下行方向组合中的最优组合；以及

调整模块108，用于按照该最优组合来调整线路的传输方向和发送功率。

可选地，最优组合确定模块105包括：

频谱均衡模块104，用于寻找每一种组合中的最优功率分配方案；以及

比较模块106，用于将所有最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有该最优的最优功率分配方案的组合为最优组合。

下面将结合图8和图9来详细描述根据本发明的一个实施例的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法。

图8示出了根据本发明的一个实施例的多用户场景；图9示出了根据本发明的在图8所示的多用户场景中的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法。

在如图8所示的多用户场景中，假设所有的连接都在正常工作，每一对收发器都有一个已经确定的比特分配表项(B)和每一个TONE上分配的发送功率谱密度值(PSD)。在这里，考虑最大化图5中第一条线路的上下行加权传输速率。那么如图9所示，根据本发明的在图8所示的多用户场景中的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法包括以下步骤：

步骤S202：设置以下参数的初始化系数：

λ_n ^up，λ_n ^down，μ_n、ε、功率调整间隔δ、R_n，up ^target，R_n，down ^target，P_n，w₁，w₂和s_max

步骤S204：生成所有TONE的所有可行的上下行方向组合：

首先最外层循环对各个TONE的所有上下行组合进行遍历。即对所有k＝1，2，...，K和n＝1，2，...，N，遍历所有满足 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 且 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\{0,1\}$ 的组合；

步骤S206：遍历步骤S204中每一种组合，寻找每一种组合中的最优功率分配方案：

步骤S10：对于步骤S204中每一种上下行方向组合，以TONE为循环单位(从1到K)，以δ为最小间隔遍历所有s_k ⁿ(k＝1，2，...，K；n＝1，2，...，N)，即s_k ⁿ可取值为(0，δ，2δ，...，s_max)，共有|s_max/δ+1|种取法。找出使公式(5)中使J_k最大的功率分配方案。计算J_k时，可根据G.997.1标准规定获取第k个TONE的噪声(σ_k ⁿ)及信道衰减函数h_k ^n，n，噪声σ_k ⁿ包括线路的本底噪声和其他线路的串扰噪声。加载比特速率可根据公式(2)进行计算。

步骤S20：当所有TONE都遍历完毕后，依下式动态调整各权重系数： ${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{up}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{up}})]}^{+},$ n＝2，...，N ${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{down}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{down}})]}^{+},$ n＝2，...，N ${\mathrm{\μ}}_n={[{\mathrm{\μ}}_n+\mathrm{\ϵ}(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k^n-P_n)]}^{+},n=1,...,N,$ 。重复步骤S206，直到满足各约束条件并到达稳定态为止。步骤S20步骤更新的各权重系数的值不发生变化时，表明整个频谱的分配达到一个稳定值。这个时候可认为功率分配到达平衡点。

步骤S208：寻找最优组合：

将步骤S206中得到的所有最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有该最优的最优功率分配方案的组合为最优组合，其中，最优方案即为使5式中目标函数w₁R₁ ^up+w₂R₁ ^down最大的方案。

步骤S210：按照该最优组合来调整线路的传输方向和发送功率，从而实现根据用户实际需求进行动态调整。

从上述的实施例中可以看出，本发明通过引入拉格朗日因子和采用对偶方法，保证了功率分配的最优性。对于用户数不太大的情形，本发明可有效地实施。还可以通过迭代的方式减化计算，如文献R.Cendrillon and M.Moonen，“Iterative spectrum balancing fordigital subscriber lines，”Proc.IEEE ICC，2005，文献W.Yu，G.Ginis，and J.Cioffi，“Distributed multiuser power control for digital subscriberlines，”IEEE Journal on Selected，Areas in Communication，vol.20，no.5，pp.1105-1115，June 2002和文献J.Huang，R.Cendrillon and M.Chiang.“Autonomous spectrum balancing(ASB)for frequencyselective interference channels”中的ISB，IWF和ASB方法。对于本领域的技术人员而言，本发明可简单地推广到以上三种方法中。

在上述的实施例中认为所有的子信道都可以动态调整传输方向来达到用户的速率要求，但实际中可以固定某些频段的传输方向，只允许一部分频段的传输方向进行动态变化。这样也可以达到满足用户需求的目的。数学模型和解决方案可以由该实施例描述的方案进行简单地推广，即事先固定某些TONE的传输方向。应该注意，上述的实施例只是本发明的一个特例，决不是用于限定本发明。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

本发明通过将频域规划(Bandplan Design)和频谱均衡(Spectrum Coordination)结合起来，使线路的传输方向和发送功率根据用户实际需求进行动态调整，以达到用户对上、下行速率的动态变化的需求。从而有效地克服了现有xDSL技术固定用户上、下行频域所带来的缺陷，可以满足用户对上下行速率不同需求的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤a，生成xDSL线路所有子信道的所有可行的上下行方向组合；

步骤b，确定所述组合中的频谱均衡最优的组合；以及

步骤c：按照所述最优组合来调整所述xDSL线路的传输方向和发送功率。

2.根据权利要求1所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，其特征在于，所述步骤a包括以下步骤：

对所有用户n＝1，2，...，N和所有子信道k＝1，2，...，K的上下行传输方向组合进行遍历，找到其中所有满足 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 且 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 的组合作为所述所有可行的上下行方向组合，其中，δ_k，n ^up表示第n个用户第k个子信道上是否为上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=0$ 表示非上行传输；δ_k，n ^down表示第n个用户第k个子信道上是否为下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=0$ 表示非下行传输。

3.根据权利要求2所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，其特征在于，所述步骤b包括以下步骤：

步骤b1，寻找每一种所述组合中的最优功率分配方案；以及

步骤b2，将所有所述最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有所述最优的最优功率分配方案的组合为所述最优组合。

4.根据权利要求3所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，其特征在于，所述步骤b1包括以下步骤：

第一步骤，构造数学模型 $J_k=w_1{b}_k^{1,\mathrm{up}}+w_2{b}_k^{1,\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{b}_k^{n,\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{b}_k^{n,\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n,$ 其中，s_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个子信道的发送功率；w₁和w₂为给定常数，λ_n ^up，λ_n ^down和μ_n分别为拉格朗日算子；b_k ^n，up和b_k ^n，down分别表示在第n条用户线第k个子信道上行和下行各自所能承载的比特数；以及

第二步骤，对所述所有可行的上下行方向组合，以子信道为循环单位，从1到K，以δ为最小间隔遍历所有s_k ⁿ，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N，通过迭代的方式找出使J_k最大同时满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束的功率分配方案，作为所述最优功率分配方案。

5.根据权利要求1所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，其特征在于，所述第二步骤包括以下步骤：

当所有所述子信道都遍历完毕后，依下列各式动态调整各权重系数：

${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{up}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{up}})]}^{+},n=2,...,N$

${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{down}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{down}})]}^{+},n=2,...,N$ ${\mathrm{\μ}}_n={[{\mathrm{\μ}}_n+\mathrm{\ϵ}(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k^n-P_n)]}^{+},n=1,...,N$

，直到满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束并达到稳定态为止，由此得到的功率分配方案是所述使J_k最大的功率分配方案。

6.根据权利要求4所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理方法，其特征在于，所述第一步骤包括以下步骤：

计算J_k时，获取第k个子信道的噪声σ_k ⁿ及信道衰减函数h_k ^n，n，所述噪声σ_k ⁿ包括所述xDSL线路的本底噪声和其他xDSL线路的串扰噪声，加载比特速率根据 $b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ 进行计算。

7.一种xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，其特征在于，包括：

频域规划模块，用于生成xDSL线路所有子信道的所有可行的上下行方向组合；

最优组合确定模块，用于确定所述组合中的频谱均衡最优的组合；以及

调整模块，用于按照所述最优组合来调整所述xDSL线路的传输方向和发送功率。

8.根据权利要求7所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，其特征在于，所述频域规划模块对所有用户n＝1，2，...，N和所有子信道k＝1，2，...，K的上下行传输方向组合进行遍历，找到其中所有满足 ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}+{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 且， ${{\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}},\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 的组合作为所述所有可行的上下行方向组合，其中，δ_k，n ^up表示第n个用户第k个子信道上是否为上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=1$ 表示上行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{up}}=0$ 表示非上行传输；δ_k，n ^down表示第n个用户第k个子信道上是否为下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=1$ 表示下行传输， ${\mathrm{\δ}}_{k,n}^{\mathrm{down}}=0$ 表示非下行传输。

9.根据权利要求8所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，其特征在于，所述最优组合确定模块包括：

频谱均衡模块，用于寻找每一种所述组合中的最优功率分配方案；以及

比较模块，用于将所有所述最优功率分配方案进行比较，得到其中最优的最优功率分配方案，并确定具有所述最优的最优功率分配方案的传输方向组合为所述最优组合。

10.根据权利要求9所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，其特征在于，所述频谱均衡模块包括：

建模模块，用于构造数学模型 $J_k=w_1{b}_k^{1,\mathrm{up}}+w_2{b}_k^{1,\mathrm{down}}+{\mathrm{\Σ}}_{n=2}^N({\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}{b}_k^{n,\mathrm{up}}+{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}{b}_k^{n,\mathrm{down}})-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{\mathrm{\μ}}_n{s}_k^n,$ 其中，s_k ⁿ表示在第n条用户线路上第k个子信道的发送功率；w₁和w₂为给定常数，λ_n ^up，λ_n ^down和μ_n分别为拉格朗日算子；b_k ^n，up和b_k ^n，down分别表示在第n条用户线第k个子信道上行和下行各自所能承载的比特数；以及

遍历模块，用于对所述所有可行的上下行方向组合，以子信道为循环单位，从1到K，以δ为最小间隔遍历所有s_k ⁿ，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N，通过迭代的方式找出使J_k最大同时满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束的功率分配方案，作为所述最优功率分配方案。

11.根据权利要求7所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，其特征在于，所述遍历模块还用于当所有所述子信道都遍历完毕后，依下列各式动态调整各权重系数：

${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{up}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{up}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{up}})]}^{+},n=2,...,N$

${\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}={[{\mathrm{\λ}}_n^{\mathrm{down}}+\mathrm{\ϵ}(R_{n,\mathrm{down}}^{t\arg \mathrm{et}}-R_n^{\mathrm{down}})]}^{+},n=2,...,N$ ${\mathrm{\μ}}_n={[{\mathrm{\μ}}_n+\mathrm{\ϵ}(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k^n-P_n)]}^{+},n=1,...,N$

，直到满足各个用户线的总功率约束和各用户线的速率约束并到达稳定态为止，由此得到的功率分配方案是所述使J_k最大的功率分配方案。

12.根据权利要求10所述的xDSL上下行共用频率动态频谱管理装置，其特征在于，所述建模模块在计算J_k时，获取第k个子信道的噪声σ_k ⁿ及信道衰减函数h_k ^n，n，所述噪声σ_k ⁿ包括所述xDSL线路的本底噪声和其他xDSL线路的串扰噪声，加载比特速率根据 $b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ 进行计算。

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