一種多用戶數字通訊系統的功率控制

1.背景技術

數字用戶線（Digital Subscriber Line，DSL）技術是一種通過無屏蔽雙絞線（Unshielded Twist Pair，UTP）進行數據傳輸的高速傳輸技術，包括非對稱數字用戶線（ADSL）、第二代非對稱數字用戶線（ADSL2）、第二代非對稱擴展頻段的數字用戶線（ADSL2plus）、第二代甚高速數字用戶線（VDSL2）等。

目前DSL的調制解調器中應用線路驅動器（Line Driver，LD）來驅動UTP進行數據傳輸。DSL技術主要是采用頻分復用的離散多音頻（Discrete Multi Tone，DMT）技術調制信號，DMT信號具有較高的峰均比（Peak-to-Average Ratio，PAR），為了防止DMT信號的峰值部分出現消波，LD的供電電壓需要一直維持一個較高電平來滿足峰值部分的輸出幅度，而DMT信號的幅度大多數時間為低電平，僅僅只有大約20%的概率會出現峰值，從而造成LD的工作效率低下，一般只有14%左右。現有的Class H類的LD可以根據輸出的DMT信號的幅度大小來調整供電電壓，從而避免一直保持高電平的供電電壓，提高LD的工作效率。在滿足用戶帶寬要求的前提下，最大限度的降低線路驅動器的發送功率，就可以大大降低電源模塊的供電電壓，從而降低DSL系統的能耗。

2.系統建模

在多對線的數字用戶線系統中，為了使用戶獲得更高的接入帶寬，一般都是基于速率最大化的動態頻譜管理模型來調整線路上的發送功率譜的大小。然而，在許多情況下，大多數用戶的數據速率可能在速率可達范圍之內，電信運營商對降低設備功耗更感興趣。一方面，局端設備運行和機房空調散熱的電費開支日益增加電信運營商的運營成本；另一方面，隨著新的環保法律通過，節能減排這個問題在世界范圍內已得到重視。下面通過系統建模解決DSL網絡中的功耗問題。

假設一個DSL線路系統中有N個用戶，使用K個子載波發送信號，每個調制解調器的接收端將其它調制解調器對它的干擾作為噪聲。那么在滿足所有用戶的數據速率要求的前提下，最大限度降低調制解調器的發射功率問題可以轉化為對偶優化問題：

其中，wn為第n條線路的速率權重因子，nλ為第n條線路的功率懲罰因子，發射功率，表示第n個調制解調器在第k個子載波上的發射功率譜密度值，第n線的數據傳輸速率為表示n個調制解調器在第k個子載波上的比特承載。

3.最小化供電電壓控制算法

步驟一：首先根據每個線路的DSL業務傳輸類型和國際標準電信聯盟對功率譜限制相關規定，給出每個線路的業務目標速率，總功率限制。由于DMT是頻分復用的調制方式，各個頻率子載波上的子優化函數不相關，只需要對每個頻率子載波的目標函數進行分別優化：

利用二分法對權重因子wn，懲罰因子λn進行搜索，得到每個頻率子載波的功率譜密度的局部最小值。

步驟二：由步驟一得到各個線路的最小發送功率，由于所有線路都是使用同一個電源模塊進行供電，計算所有線路的最小發射功率中的最大值，并根據公共最小發射功率值，計算滿足所有線路所需的線路驅動供電電壓值，從而避免尤其是重訓練時發射信號的幅度過大，造成輸出信號的幅度超過供電電壓，而引起信號消波的風險。

步驟三：降低業務板的電源模塊的供電電壓值為公共最小電壓值，當業務板上所有線路的最小發射功率的最大值小于13dBm時，首先關閉CLASS H類的LD的電荷泵，將LD的供電電壓降低到12.5V；若供電電壓降至12.5V后，功耗還有浪費，即LD仍然支持繼續降低電壓到12.5V以下時，則根據計算得到的降電壓值，進一步降低LD的供電電壓。

4.仿真結果

假設局端非對稱數字用戶線（ADSL）的長度為5000米，最大可達速率約為1.5Mbps，用戶實際開通的業務速率為1Mbps，遠端非對稱數字用戶線為3000米，最大可達速率為9Mbps，用戶實際開通的業務速率為3Mbps。線路最大的發送功率為20.5dBm，運營商的目標是在保障用戶開通的業務速率的同時，最大限度地減少其接入網絡設備功耗。根據應用場景進行系統建模后，運用最小化供電電壓控制算法進行仿真，當最小發射功率等于14.5dBm時，可以同時滿足局端用戶和遠端用戶開通的業務速率。

5.結論

本文通過對數字用戶線通訊系統進行系統建模，得到了最小化供電電壓控制算法，仿真結果顯示該算法在滿足業務速率的同時，將線路的發射功率和設備的供電電壓降至最低，大大降低了運營商接入設備的功耗和用電成本。

[1]ITU-T G.992.1,Asymmetric digital subscriber line(ADSL)transceivers.

[2]K.B.Song,S.T.Chung,G.Ginis,J.M.Cioffi.Dynamic spectrum management for next-generation DSL systems.IEEE Communications Magazine,40(10):101-109,Oct.2002.

[3]T.Starr,J.M.Ciof fi ,P.J.Silverman.Understanding digital subscriber lines.Prentice Hall,1999.