基于XDSL串擾噪聲的應對技術分析研究

王世峰+張宇馳

收稿日期：2013-07-02

作者簡介：王世峰（1971—），男，湖南常德人，講師，碩士，研究方向：電子與通信工程。

通訊聯系人，E-mail：hngy-wsf@qq.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0073-06

摘 要：在DSL運行環境中，由于電纜內部線對間的非屏蔽而存在電磁耦合導致的串擾。串擾噪聲造成XDSL速率下降甚至重訓練，影響業務質量。本文對串擾導致的性能損失和導致重訓練的原因進行分析并且就解決串擾導致穩定性問題的方法進行探討。

關鍵詞：噪聲容限；串擾；自適應速率調整；虛擬噪聲；人工噪聲

中圖分類號：TN913.8 文獻標識碼：A

Analysis of Crosstalk Noise Response Technology Based on XDSL

WANG Shi-feng1，2，ZHANG Yu-chi2

（1. Huazhong University of Science & Technology，School of Optical and Electronic Information，Wuhan， Hubei 430074，China；

2.Hunan Industry Polytechnic，Department of Electrical Engineering，Changsha， Hunan 410208，China）

Abstract：In the DSL environment，Because the cable internal line of unshielded and crosstalk caused by electromagnetic coupling，Crosstalk noise caused by XDSL rate decreased very repetitive training and effect of service quality. In this paper， analyses the causes of the crosstalk performance loss caused by the training and discusses the method to solve the stability problem of crosstalk.

Key words：noise margin；crosstalk；adaptive rate adjustment；virtual noise；crosstalk

1 前 言

XDSL是利用傳統電話業務所用的雙絞線的電話線以上的高頻部分，提供高速接入帶寬，將接入網絡從窄帶帶入了寬帶時代。XDSL技術著眼于提供更高的頻，語音和數據三重播放（3-play）的需求。為了滿足語音，圖像和數據3-play的需求，ADSL2+使用2.2MHz的頻譜，最大下行速率可達28Mbps，而XDSL則使用頻帶高達30MHz，最高速率達到上下行對稱100Mbps[2]。除了帶寬之外，由于三種業務的特點而對信道的要求各不相同，語音業務要求整個鏈路的時延小于250ms；HDTV要求誤碼率低于10-10，但是對時延的敏感程度不高；而數據業務，尤其是采用TCP協議傳輸的數據業務，因為需要確認以及出錯重傳，因而時延或者是誤碼都會顯著降低實際可用的帶寬[1]。

由于XDSL所用的雙絞線各線對之間是非屏蔽的，因而線對之間存在相互的串擾，此外由于外部干擾而導致的脈沖噪聲以及環境參數（比如溫度、濕度）變化而導致的信道參數變化，構成了XDSL信道的主要噪聲，這些噪聲會影響造成傳輸無碼影響XDSL的性能和穩定性[4]。

2 串擾問題的影響

XDSL的串擾主要有兩種，近端串擾和遠端串擾，如圖1所示。

由于VDSL2的傳輸距離較短，其主要應用模式為FTTx+XDSL的方式，比如中國電信的FTTB+VDSL2，此時VDSL2和來自于局端的ADSL DSLAM共用電纜而形成了下圖所示的所謂遠近場景[5]。這種情況下RT DSLAM對于局端DSLAM的串擾的影響有可能導致業務無法開展。

2.1 近串（NEXT）的影響

近端串擾的計算公式如下：

NEXT[f，n]=S（f）·XN·n0.6·f3/2·（1-|H（f，L）|4）（1）

這里XN=8.536×10-15， n=串擾源的個數， f是頻率，單位Hz， L為近串耦合長度，|H（f，L）| 是長度為L的線路表現出來的插入損耗的幅度值，S（f）為串擾源在耦合起點處的信號功率譜密度。從上式可以看出，近端串擾大致是與頻率的二分之三次冪成正比的，也就是說，頻率越高，串擾越嚴重。

由于XDSL使用FDM方式，一般而言近端串擾屬于帶外干擾，使用濾波器可以消除這種串擾對接收通道的影響。但是特別大的近端串擾會導致接收通道模擬部分過載飽和或者降低接收信道的信號接收靈敏度。比如長短線的情況下，近端串擾很大，而信號經過很長的線路衰減后變得很弱，此時接收通道的動態范圍大部分被串擾信號所占據，從而信號的靈敏度降低因而信噪比下降。

2.2 遠串（NEXT）的影響

遠串計算公式如下：

FEXT[f，n，l]=S（f）·|H（f）|2·XF·n0.6·l·f2（2）

其中|H（f）| 是線路插入損耗，體現為線路對于信號源的衰減，一般用對數表示。XF=7.74×10-21，l是耦合長度（單位是英尺），其他參數與近串含義相同。

FEXT具有頻率選擇性特征。考慮到對于串擾和被串擾系統的位置相同的情況，信道插入損耗|H（f）|與線路長度成正比（長度越大，插損越大），因此遠串與長度成反比，也就是說線路越長，線路對串擾信號的衰減也越大[3]。此外|H（f）|還與f1/2成正比，因此串擾隨f增大而增大，這就是為什么XDSL受的串擾影響大于ADSL的原因，一方面線路長度較ADSL短（一般l小于1.5km），另一方面XDSL頻率遠高于ADSL。

XDSL的之間的FEXT串擾一般都與接收通道處于同一頻帶，無法用濾波器濾去。FEXT除了導致信噪比下降而降低線路連接速率外，更大的問題是串擾并不是一個穩定的噪聲。因為作為串擾源的用戶并不總是在線上的。如果訓練時串擾源不存在，則用戶因為噪聲較低得到較高的速率。這樣showtime后才出現的串擾噪聲會導致噪聲容限不足。由于這種噪聲往往是隨著用戶上線而突然出現的，輕則造成誤碼，重則造成重訓練而中斷業務，如圖3所示。

3 應對串擾的噪聲容限（Noise margin）

技術

為了避免噪聲變化引起誤碼，一般采用noise margin的方法。因此根據串擾的變化預留更多的margin也可以避免噪聲突變引起誤碼。比如說，在沒有串擾時的margin一般用6dB，假設所有用戶都上線帶來的串擾導致噪聲增大（最大值）為a dB，這樣只要將訓練時的目標噪聲容限設置為a+6dB就可以避免串擾突然增加帶來的誤碼。

但是noise margin是一個平坦的值，而根據公式（2），在一定的長度時串擾是頻率的函數，因此使用平坦的margin會不分青紅皂白的將所有子載波的承載比特數降低，性能犧牲太大。圖4說明了這個觀點。

這種方法還有一個問題就是在設置參數時無法事先估計噪聲的大小。假設訓練時已經是最大串擾情況，此時再增加dB是沒有必要的，而且會嚴重地降低線路速率。

為了避免這個問題，可以根據串擾的形狀為每一個子載波預留必要的margin，但是標準中只定義了一個針對所有子載波的margin。為每一個子載波設置margin將極大的增加網管的工作量，因此難以實施。

4 應對串擾的動態在線重配置技術

（OLR，On Line Reconfiguration）

為了應對環境參數緩慢變化帶來的影響，目前的標準都定義了一些在線重配置的動態特性，根據信道變化而動態改變運行參數，以保證margin處于目標范圍。到目前為止主要應用的OLR有bit swap和SRA（Seamless Rate Adaptation）。

Bit swap的原理是，接收器監視每一個子載波的信噪比，如果某個或幾個子載波的信噪比不足以承載原來承載的比特（比如因為窄帶噪聲的影響），接收器將請求發送器增加這個子載波的發送功率（如果還有空間的話）或者是請求將這個比特轉移到另外一個比較好的子載波上，這樣就能解決少數子載波的信噪比變化帶來誤碼的問題。

Bit Swap并不改變總的速率，而SRA則通過動態的改變線路速率來維持margin的范圍。下面的圖5說明了SRA的原理：

1）接收端監測通道的SNR，并且決定當通道環境改變時是否需要調整速率。

2）當margin超過預定的upshift noise margin和downshift noise margin并且持續時間超過預定的時間間隔 time interval時，接收端向發送端發送消息，要求開始調整速率，此消息包含進行速率調整所需所有參數，包括每個子信道調制的比特數、發送功率等。

3）發送端向接收端發送一個同步標記，表示確切調整速率的時間。

4）接收端檢測到同步標記，于是兩端同時開始新速率傳遞。

這種方式不需要中斷業務，因而能實時動態調整線路的運行參數。這里的時間間隔是為了避免持續時間很短的噪聲導致不必要的調整。

動態調整一個子載波或者所有子載波的功率有可能導致串擾環境的改變，因而影響其他用戶的運行，因此這里面實際上存在一些風險。此外由于SRA需要交換bi&gi表，這個消息很長，在margin很低時有可能出錯而導致SRA失敗。正如前面所說，串擾往往是突變的，因此需要長時間SRA相對于對于解決這個問題串擾是力不從心的。

5 應對串擾的虛擬噪聲virtual noise技術

采用預設模擬串擾的虛擬噪聲來實現預留margin的要求。首先根據線路參數計算最大串擾情況下的噪聲PSD，這個噪聲PSD作為預設的一個實際并不存在的噪聲用于接收機在XDSL的信道分析階段計算信噪比。在訓練和showtime期間計算信噪比時，接收器還測量實際噪聲RN并且和虛擬噪聲VN進行比較，取其中較大者作為噪聲去除信號功率得到信噪比。由于虛擬噪聲一般設置得比實際噪聲大，因此計算信噪比時更多用的是虛擬噪聲。這樣得到的用于承載bit的信噪比要低于實際值，因此實現了預留margin目的，這樣盡管收發器訓練時鄰居用戶沒有上線，也會按照所有用戶上線的情況計算訓練的速率，因此會得到一個比實際情況要低的速率。如下式所示：

SNR（i）=P（i）×H（i）2Max[|VN（i）|，|FEXT（i）+σ2|]（3）

SNR（i）=P（i）AN（i）×H（i）2|FEXT（i）+σ2|=

P（i）×H（i）2AN（i）+|FEXT（i）+σ2|

式中P（i）為發送信號功率，H（i）是信道的傳遞函數，VN（i）為虛擬噪聲，FEXT（i）為串擾噪聲，σ2為白噪聲。由于VN（i）并不是真實存在的噪聲，而是僅用于計算信噪比引入的虛假的噪聲，所以被稱為虛擬噪聲。

考慮到串擾的幅度還與長度有關，而在設置虛擬噪聲時一般不知道長度。為了便于實施，采用直接設置在發送側的參考噪聲的方法，接收器根據這個參考噪聲和線路的傳遞函數來計算出虛擬噪聲：

Received_Virtual_Noise_PSD=H（f）2×TXREFVN（4）

這里的TXREFVN是指發送端的虛擬噪聲參考值，H（f）2是接收器測得的線路衰減：

H（f）2=Actual_Received_Signal_PSDActual_Transmit_Signal_PSD（5）

除此之外，還可以在接收端使用MIB PSD類似的方式直接配置VN的PSD 斷點值，DSL收發器會根據標準的定義自動插值得到整個VN PSD的值。

Virtual noise盡管能提高穩定性，避免串擾增大導致的誤碼或者重訓練，但是為了達到這一目的，virtual noise通常采用最壞情況下估計值，也就是說這是一種在所有時間都采用最大噪聲，因而犧牲了連接速率來換取穩定性和低誤碼率的。此外虛擬噪聲需要發送和接收端配合，對于已經布放的設備來說，升級成本導致VN在這種場景下實際上很難使用。

6 人工噪聲

為了解決VN需要發送和接收端配合帶來的用戶端設備升級的問題，可以將在發送端的信號中加擾，加擾的信號就是假設接收端的串擾噪聲是從發送端發送的經過線路衰減的信號，從而根據接收端的串擾噪聲和線路衰減反推得到的發送端串擾信號。這就是所謂的人工噪聲（Artifical Noise）技術。與VN只是用來計算信噪比時假設的一個實際上并不存在的噪聲不同，而AN則是一個根據上述規則人工生成并且混在發送信號中和有用信號一并發送到線路的真實噪聲。假設人工噪聲為AN（i），這樣實際的發送信號就變成了P（i）和AN（i）的時域疊加的信號，其信噪比如下：

SNR（i）=P（i）AN（i）×|H（i）|2|FEXT（i）+σ2|

=P（i）×|H（i）|2AN（i）+|FEXT（i）+σ2|（6）

當分母中的AN（i）遠大于串擾和白噪聲之和時，信噪比將只取決于AN（i）。人工噪聲的具體實施方法是在收發器初始化的信道分析階段，發送正常的信號和人工噪聲的時域合成信號，這樣接收端在計算信噪比時將人工噪聲計算在內。而進入showtime后則關閉人工噪聲，這樣接收端的信噪比提高實現了噪聲容限的預留。

人工噪聲避免了需要收發器配合的問題，但是因為是在發送信號中混入真實的噪聲，這樣當一根電纜中的所有用戶都在線上的時候，用于計算信噪比的噪聲將比最壞情況還要大3dB，導致過保護以及速率受到進一步的損失。此外人工噪聲在showtime時關閉，接收信噪比提高，如果此時打開了bit swapping，則bit swapping會通過調整bit分配或者功率分配將噪聲容限拉平使得AN的作用被擦掉。而若是打開了SRA功能，OLR將會通過調整bit分配，調整速率或者調整功率分配將預留的噪聲容限消掉。因此是必要將這些功能關閉才能保留AN的作用。而bit swapping是為應對窄頻噪聲而設置的，關掉它會影響相應的抗窄頻干擾的能力。

7 緊急速率降低避免重訓練（SOS）

虛擬噪聲的方案實質上是通過設置一個很大的虛擬噪聲，使得XDSL始終運行在最壞情況（不管實際上是不是這樣）以降低所有時段的運行速率來換取串擾增大時的穩定。為了保證最壞情況下的穩定運行，虛擬噪聲應比最壞情況更高，實際上很多時候線路并不是處于最壞情況，因此這種方案對于性能的犧牲太大，不能充分發揮線路的容量。而SRA因為響應速度太慢、交互的消息太多而不足以應對串擾的突然增加。如果能解決SRA的這個問題，就可以快速響應串擾的跳變。這就是所謂的緊急速率降低SOS技術。其具體思路如圖6所示。

事先將VDSL2的整個頻段的子載波劃分為多個載波組。在線路運行時接收器監測這些組內部分子載波的信噪比。如果出現突然增大的寬帶持續噪聲，信噪比有可能下降到噪聲容限為負值。接收器在很短的時間內（～100ms）測量當前的信噪比得到信噪比的跌幅，并換算成需要削減的bit數，然后接收器通過一個魯棒eoc通道發送一個SOS請求消息。為了簡化消息的長度，每一個載波組內的子載波使用相同的bit削減值。消息的主要內容為按照升序排列的每一個組的比特削減值bri，再加上一些其他的內容，總長度為NTG/2+15字節，這里NTG是載波組的個數。發送器收到這個消息后，如果同意執行SOS，就發送一個同步消息。在該同步消息后的第66個符號雙方同時切換到新的bi表。為了降低消息量并且避免產生不穩定噪聲，gi表維持不變。由于這測量時間很短，信噪比的測量結果精度較低，因此SOS后的速率不一定最優。因此SOS后可以使用SRA可以進行微調。為了使用SOS，發送端和接收器之間需要交換一些參數配置。這里面最重要的是子載波組的分組（子載波組的個數以及位置），這個分組應該由接收端來確定，因為接收端最清楚可用的頻譜子。建議子載波組包含子載波數最多不超過128個，子載波組之間不允許重疊。為進一步保護SOS的交互消息不被串擾噪聲破壞，標準還定義了所謂的魯棒eoc（嵌入式操作通道）通道，通過使用預留很大的噪聲容限等方法提高其可靠性。由于eoc通道帶寬很低，因此即使預留超大的噪聲容限也不會導致整個線路速率收到明顯的影響。

當然SOS降低降低速率時，一些視頻業務可能會受到影響，但是這個速率能夠使得控制消息鏈路得以保持。另外根據視頻編碼和壓縮技術中，視頻數據幀一般分為基礎數據幀、預測運動的數據幀以及表征圖像精細結構的數據幀。以MPEG為例，視頻壓縮編碼后包括三種元素：I幀（I-frames）、P幀（P-frames）和B幀（B-frames）。而且在一個MPEG幀序列中，不同幀的重要程度是不同的。其中I幀為最為重要的關鍵幀，I幀的丟失將導致其后的P幀和B幀無法正常解碼，嚴重影響視頻質量；P幀為次重要的關鍵幀，P幀丟失會影響B幀和其后的P幀的解碼，P幀經常帶來可見的視頻質量劣化；B幀為非關鍵幀，B幀丟失只會影響本身，只非常有限的影響畫面的精細程度，影響很小，B幀丟失數量較少時，對畫面質量影響基本可忽略。因此SOS后如果可以選擇只傳I幀或者是I幀和P真，這樣視頻可以不中斷，只是暫時的質量下降而已。或者設定最低保留速率，比如說將保留速率設置為80%，這樣SOS降低速率將不會低于這個值，。再配合上層的流控策略，將視頻和音頻的優先級設置為高于高速上網業務，這樣SOS動作時首先影響上網這種對瞬時誤碼不敏感的業務，視頻業務體現得到保證。

8 結 語

應對串擾突變這種噪聲的方法可以歸結為兩類：一類是靜態的方式，如預留噪聲容限，虛擬噪聲和人工噪聲。另一類是動態的方式，如SOS。靜態方式的優點是穩定可靠，代價則是XDSL始終運行在過保護狀態下，速率損失太大，或者是為了保證業務速率而發送過大的信號功率導致串擾增大同時功耗增大，不符合當前節能減排的國際趨勢。這在VDSL中尤其明顯，當串擾處于最大情況時，線路速率將下降到原來的一半左右。但是實際上線路處于最壞串擾的情況并不多。因此使用靜態的技術不利于發揮線路的潛力。而動態的技術則根據線路的實際噪聲動態的調整線路速率，其優點是能充分挖掘線路的潛力。其缺點是速率不固定從而可能會影響業務，但是輔之以上層的業務優先級調度策略可以最小化其影響。

較好的方法是將這兩者組合起來使用。設置將小的VN或者AN，達到保護需要保護的業務的速率，而將優先級低的業務速率用SOS來速率最優。這樣技術SOS動作，其速率也不會降到高優先級業務所需速率以下，對用戶的業務體驗的影響被最小化。當然這兩者如何將好的配合還需進一步研究。受限于篇幅，本文不再深入探討。

參考文獻

[1] ITU-T recommendation G.996.1.Test procedures for digital subscriber line （DSL） transceivers[S]. ITU-T Study Group 15（1997-2000）， WTSC，1999：134.

[2] ITU-T recommendation G.998.2（2005）.Asymmetric digital subscriber line transceivers 2 （ADSL2）[S]. ITU-T Study Group 15（2005-2008）， WTSC，2005：182.

[3] ITU-T Recommendation G.993.2-2006：Very high speed digital subscriber line transceivers 2[S]. ITU-T Study Group 12 （2001-2004），WTSC， 2006：252.

[4] 汪坤.一種改進的雙絞線測試和評估方法[J].現代電信科技，2007，8（8）：43-47.

[5] 中國通信行業標準協會.YD＼＼T 1239-2002 接入網技術要求-第二代甚高速數字用戶線（VDSL2）[S].北京郵電大學出版社，北京：中華人名共和國通信行業標準，2008：78-89.

8 結 語

應對串擾突變這種噪聲的方法可以歸結為兩類：一類是靜態的方式，如預留噪聲容限，虛擬噪聲和人工噪聲。另一類是動態的方式，如SOS。靜態方式的優點是穩定可靠，代價則是XDSL始終運行在過保護狀態下，速率損失太大，或者是為了保證業務速率而發送過大的信號功率導致串擾增大同時功耗增大，不符合當前節能減排的國際趨勢。這在VDSL中尤其明顯，當串擾處于最大情況時，線路速率將下降到原來的一半左右。但是實際上線路處于最壞串擾的情況并不多。因此使用靜態的技術不利于發揮線路的潛力。而動態的技術則根據線路的實際噪聲動態的調整線路速率，其優點是能充分挖掘線路的潛力。其缺點是速率不固定從而可能會影響業務，但是輔之以上層的業務優先級調度策略可以最小化其影響。

較好的方法是將這兩者組合起來使用。設置將小的VN或者AN，達到保護需要保護的業務的速率，而將優先級低的業務速率用SOS來速率最優。這樣技術SOS動作，其速率也不會降到高優先級業務所需速率以下，對用戶的業務體驗的影響被最小化。當然這兩者如何將好的配合還需進一步研究。受限于篇幅，本文不再深入探討。

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8 結 語

應對串擾突變這種噪聲的方法可以歸結為兩類：一類是靜態的方式，如預留噪聲容限，虛擬噪聲和人工噪聲。另一類是動態的方式，如SOS。靜態方式的優點是穩定可靠，代價則是XDSL始終運行在過保護狀態下，速率損失太大，或者是為了保證業務速率而發送過大的信號功率導致串擾增大同時功耗增大，不符合當前節能減排的國際趨勢。這在VDSL中尤其明顯，當串擾處于最大情況時，線路速率將下降到原來的一半左右。但是實際上線路處于最壞串擾的情況并不多。因此使用靜態的技術不利于發揮線路的潛力。而動態的技術則根據線路的實際噪聲動態的調整線路速率，其優點是能充分挖掘線路的潛力。其缺點是速率不固定從而可能會影響業務，但是輔之以上層的業務優先級調度策略可以最小化其影響。

較好的方法是將這兩者組合起來使用。設置將小的VN或者AN，達到保護需要保護的業務的速率，而將優先級低的業務速率用SOS來速率最優。這樣技術SOS動作，其速率也不會降到高優先級業務所需速率以下，對用戶的業務體驗的影響被最小化。當然這兩者如何將好的配合還需進一步研究。受限于篇幅，本文不再深入探討。

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