Journal of King Saud University沙特国王大学沙特国王大学学报www.ksu.edu.sawww.sciencedirect.comVDSL环境下一种低复杂度的“Near-Far”频谱管理算法Sunil Sharma*，O.P. 萨胡印度哈里亚纳邦Kurukshetra NIT ECE部接收日期：2014年4月18日;修订日期：2014年10月1日;接受日期：2014年12月9日2015年9月26日在线发布摘要在数字用户线（DSL）系统中，双绞线之间的电磁干扰所产生的串扰会降低系统的性能。甚高比特率DSL（VDSL）利用更高带宽的铜缆进行数据传输。VDSL系统在上行传输过程中会出现“远近效应”问题.在这个问题中，远端串扰（FEXT）是从近端用户产生的，降低了在远端用户处实现的数据速率。FEXT的效果可以通过适当地管理近端和远端用户的发射机的功率谱密度（PSD）来降低。这种功率分配被称为动态频谱管理（DSM）。本文提出了一种新的分布式DSM算法，该算法只降低近端用户的那些对远端用户产生干扰的子信道的功率。该功率回退策略在近端用户的干扰创建子信道处借助于功率谱密度（PSD）掩模发生。仿真结果表明，该算法在数据传输速率方面有了明显的提高，接近最优频谱均衡（OSB）算法。©2015作者。制作和主办：Elsevier B.V.代表沙特国王大学 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍铜线的3kHz带宽较早用于普通老式电话服务。1980年代，*通讯作者。电子邮件地址：ersunil0@gmail.com（S.Sharma），OPS_yahoo.co.in（O.P. Sahu）。沙特国王大学负责同行审查制作和主办：Elsevier研究人员使利用DSL技术的铜线的更高带宽成为可能用于宽带接入的VDSL技术在信号处理技术的进步的帮助下利用高达12MHz的铜线带宽（Starr等人，2003年; ETSI，2003年）。 在DSL环路布局如图所示。 1，调制解调器安装在客户端（CP）以及中心局（CO）侧。在DSL技术中，投资仅在调制解调器上，利用现有的普通老式电话服务基础设施。DSL技术的主要目标是使数据传输达到铜缆的最大信道容量。当大量用户共享相同的束以进行数据传输达到一定距离时，则在用户之间产生干扰。这种干扰通常称为串扰http://dx.doi.org/10.1016/j.jksuci.2014.12.0051319-1578© 2015作者。制作和主办由爱思唯尔B.V.代表沙特国王大学。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词数字用户线;离散多音;迭代注水;最佳频谱平衡;动态频谱管理一种低复杂度的频谱管理算法4312N0WK2CT个符号K下一个下一个活页夹扭转对/用户TX/RXTX/RXTX/RXCP图1环路工厂环境。（Zeng等人，2001年）。串扰有两种类型：近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）。NEXT是一种电磁干扰，当发射器和受干扰的接收器位于通信网络的同一端时存在与NEXT相反，FEXT是一种电磁干扰，当发射机和受干扰的接收机出现在通信网络的相对端时存在，如图所示。1.一、控制用户间串扰的技术之一是在其各自的当调制解调器在这种模式下工作时，称为功率自适应模式。在这种模式下，传输维持预定义比特率功率回关闭（PBO）技术用于实现这种自适应-tive模式。在PBO中，功率传输的最小化是在近端用户上完成的，其中贡献过多的功率会产生强串扰并降低附近用户的容量（Jacobsen，2001; Schelstraete，2002）。在每个调制解调器处根据信道特性的自适应功率分配提高了近端和远端用户的容量。这种自适应功率分配被称为动态频谱管理（DSM）（Huberman等人，2012年;Chen等人，2012; Biyani等人，2013年）。随着复杂性的增加，DSM的分类是在不同的层次上进行的。在第一级，所有的权力管理都是以分配的方式进行的。在这个层次上，电源管理算法给出了接近最优的结果。第一个DSM 1级算法之一是迭代注水（IWF）（Yu等人，2002年）。IWF算法的复杂度与绑定中的用户数成线性关系。该算法是一个贪婪算法，收敛到自私的最优。在第2级，不同用户之间的所有电源管理都是在集中式频谱管理中心（SMC）。在这方面，对于不同用户之间的串扰，通过SMC收集以这种方式，以集中的方式管理电力分配。被称为最优频谱平衡（OSB）的集中式DSM 2级算法使用加权速率求和方法来找到理论上的最优发射频谱（Cendrillon等人，2006年）。OSB的复杂性随着用户数量呈指数级增长。由于集中式系统的硬件实现问题分布式算法越来越流行。了一种速率，同时保持低复杂度和分布式实现。在所提出的算法中，通过在串扰处应用新的PBO技术，使用频谱掩模创建子信道，来增加绑定器中每个用户的数据速率（UKNICC ND 1602，2011）。2. 信道容量在信息论中，Claude Shannon的公式表示为Eq。（1）示出了以每秒比特数表示的信道容量（Cover和Thomas，1991; Shannon，1948）：C/W计程仪1个P位/秒其中P和N0/2分别表示以瓦特为单位的发射信号功率和以瓦特/Hz为单位的白噪声功率谱密度。W表示信道带宽。在离散多音（DMT）系统中使用正交幅度调制（QAM）作为用于将数字形式的信息映射到复数的调制方法（Chow等人，1995年）。因此，QAM-DMT系统中的信道容量（二）：Cklogg21SNRk2其中SNRk和Ck分别表示子信道k理论上信道容量给出了可以达到的数据速率的上限，但实际上总是存在一定的错误概率。降低的信道容量是由于SNR间隙C的引入：b1/4log.1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000在C=1时，bk与信道容量相同SNR间隙C的选择取决于编码方案和错误概率。针对误码率（BER）为10- 7的二维QAM系统计算SNR间隙。一九九五年：C¼9： 8qm-qcdB4其中Qm和Qc分别表示性能裕度和编码增益。用户n的总比特率可以通过对每个子信道的比特率求和来计算：K提出了一种新的算法，其性能接近OSB算法在数据方面的最优性能Rn¼1 Xbnk¼1ð5ÞCO432S.夏尔马，O.P. 萨胡|2| 2|2 |2|2 |2|2 |221 2111 21þ22 22þ22 22þ2PKKK预算KKKKK11 211k kCjh12j2P2N1log2log2 1k kCjh21j2P1N2jhkj1克朗kCjh12j2P2N1log 1k kCjh21j2P1N2KKKJKFEXTK1;2K预算K预算KKKJP1P2日志1þKKþ日志1þKKCK1991年1KC22002年预算K预算KKKKKn在注水方法中，DMT调制解调器自适应地分布11 21其中T符号表示子信道带宽的周期。在两个用户环境中，用户1和用户2的比特率取决于信道传输函数。P1和N1表示信号功率同一个文件夹中的相邻用户等式（12）和（13）表示用户1和用户2的串扰PSD：k kFE1½ j h12j2 P2ð12Þ用户1在子信道的分配和背景噪声功率内尔湾P2和N2表示信号功率分配，K KFE¼ j hj Pð13Þ用户2在子信道k处的接地噪声功率。用户1而用户2的数据速率由等式2给出：（6）和（7）：2k k1 XK.T个符号k¼1jh j P！1KKK3. 注水法1 XK.jhjP！k¼12KKK功率和信息。用户1和用户2的直接信道传递函数由下式计算：消耗了可用功率。在两个用户的情况下，功率分配是通过使用成本函数来（Bogaert等人， 2004年），并由以 下 机构代表jh11j2¼L：a：pfð8Þ公式：K2221KpX.jh j P！用户1和用户2计算公式如下：212FEXT2k1kX.K Kj h j P！jhj ¼ K·f：L：jh11j210k2k k kh12j2¼K： f2： L：j h22j2 111.P1-XP1！2.P2-XP2！ð1 4Þ其中，K_FEXT表示串扰耦合系数，值取10- 4.5/MHz2 Km。fk表示以MHz为单位的子载波k处的中心L1和L2是双绞线用户1和用户2的长度，而a表示n和Nn表示用户n在子信道k处的信号功率分配和背景噪声功率。k1和k2是被称为拉格朗日乘数的常数，用于求解，1 MHz，取为22.5 dB/km/MHz。jh11j2和jh22j2通过取功率约束P12预算表示用户1和用户2的直接信道传递函数，而jh21j2和jh12j2表示串扰信道传递对于用户1和用户2。通过对偶分解，实现了芒斯增益（Bogaert等人， 2004年）。相比背景噪声功率，如果串扰功率非常小，从用户1到用户2以及从用户2到用户1的函数如图2所示。L2，1和L1，2表示活页夹长度，两个用户。在两个用户的测试情况下，一个用户的信噪比不仅取决于用户e. ，NnNn，则Eq. （15）简化成本函数：X.jh 11j2 P 1！ X .jh 22j2 P 2！K K21.P1-XP1！2.P2-XP2！ð15Þ0成本函数关于Pn的导数，将其设置为等于零给出了用户n的最优解：-20@J@1nCnNn-kn<$016nn2-40kPkKjhkj-60当量（17）通过重写上述方程给出了注水解：-801k/kn陈宁-jhnnj2ð17Þ-100-120现在通过包括干扰串扰，在两个用户环境的情况下用户1的功率分配由等式2给出。（十八）：Cjh12j2P2N110 2 4 6 8 10 12P1¼K-k k kð18Þ频率（Hz）x 106k1jhj P图2两种用户情况下的直接和串扰信道传递函数其中，K1表示每个子信道k中的发射功率的最高极限，并且可以被称为水位。H矩阵的直接和串扰通道（单位：db）和PPR1¼ð6ÞR2¼ T个符号ð7Þ在该方法中，信道信噪比的倒数曲线获得并像碗一样充满力量，直到整个1/4L2：a：fkð9ÞJP1P2日志K K2þ2;1KK2作为频率函数的串扰信道矩阵KKK一种低复杂度的频谱管理算法433ð Þ ðÞXXXKKKKKK4. 多用户比特加载问题在DSL多用户环境中，N个用户在K个并行子信道上传输数据，其中1 6n6 N和1 6k6 K。离散多音（DMT）用于将选择性信道划分为子信道。在DMT中，通过根据子信道的信噪比最优功率分配问题与子信道上的最优比特分配问题相同。在多用户环境下，该问题是比特分配的优化问题。绑定器中的所有用户的数据速率的最大化是在等式中给出的主要目标。（十九）：算法收敛，直到两个用户的目标速率都没有达到。最大化Rtotal¼Nn1Rn¼1NKT符号n<$1k< $1ð19Þ用户n的子信道k上的PSD掩码约束和用户n的PSD约束在等式1中给出。（20）和（21）：06 Pn6 Pnð20Þk掩模XKk¼1 Pn6Pn;总计21例用户n的子信道k上的比特约束在图图4示出了两个用户的近端用户和远端用户的PSD长度分别为1500英尺和3000英尺。 显然当量（二十二）：bmin6bn6bmax;且bn为整数<$22<$从上面的图4可以看出，大部分功率消耗在低频子信道，因为信道增益高在较低的频率，如图所示。 二、在实际网络中，绑定器中的用户具有相同的优先级，因为每个用户为获得宽带服务支付相同的费用应该以这样的方式在每个子信道上进行比特加载，使得对于相等长度的用户，服务质量应该相同。在多用户环境中，比特加载成为主要关注的问题。5. 速率区域7. OSB算法OSB算法求出通信系统最优功率分配的理论值。该技术被称为双重分解技术（Cendrillon等人，2006）和优化理论帮助获得最佳点（Cendrillon等人， 2006年）。在两个用户的情况下，子信道k上的拉格朗日量的最大化被定义为：速率区域是所有用户的数据速率组合，Lk¼wb1P1;P21-wb2P1;P2-k1P1-k2P2ð23Þ并以图片的形式显示当任何用户KKKKKk k k通过增加其子信道上的PSD来获得其自己的数据速率，然后通过产生串扰来影响其他用户这其中，bn=P1;P2=表示子信道上实现的比特加载当发送的PSD分别为P1和P2时，用户n的nelk，K K串扰可以通过连续地降低功率来减少串扰创建用户。在接下来的步骤中，水填充完成很好子信道k上的最优功率分配通过Lk的最大化来找到：用剩余的能量给每个用户供电功率减小P1;opt;P2;opt1/4argmaxLð24Þ继续直到串扰产生用户k k上的数据速率KP1; P2变成零。 速率区域显示数据速率com-k的图片K可以在绑定器中的每对用户上实现的绑定。6. 迭代注水算法在IWF中，功率分配是由每个用户一个接一个地完成的注水过程。通过注水的功率分配继续，直到每个用户达到期望的目标速率。通过选择速率区域内的一个最佳点来设置每个用户的期望目标速率。 如果任何用户的目标速率低于所实现的速率，则该用户的功率减小常数d。上在 没有达到目标数据速率的用户中，另一方面功率增加相同的常数d（Yu等人，2002年）。 图 3、两个 用户的测 试用例被取和IWF图3两个用户情况下的IWF算法流程图。算法1：IWFnn程序设计 R;P Þ ¼e;kIWF P;T;Pnn总数in;k初始化P> 0，d>0，e>0，p/4 0;8k;8最大值nkn对于每个n做通过噪声Ctagjh进行注水JP布雷尔河PNn; m 2Mnm-nK KK 、最大功率Pn、总PSD掩模Pn和初始PSD掩模Pn，然后得到in;kRn的值和所得PSD掩模Pne;k当Rn>Tn6n时，n =1，…. ，N do若RnTn集Pn，total=Pn，total+d<若Pn;total>Pn; max集合Pn，total=Pn，max结束时结束端结束程序若Rn>Tn+e集Pn，total=Pn，total-dBnK434S.夏尔马，O.P. 萨胡算法2：OSB主要功能对于w= 0，. . 1P1，P2= optimize_k1（w）结束函数P1，P2 = optimize_k1（w）k<$1;k<$0Maxmin1当P> PP1总共11个K Kkmax= 2kmax11P1，P2 =optimize_k2（w，kmax）1结束重复k1=（kmax+kmin）/21 1P1，P2= optimize_k2（w，k1）如果P> P，则k =k，否则P11，共计minK K1 1kmax=k1 1直到收敛函数P1，P2= optimize_k2（w，k1）kmax=1，kmin=02当P> PP222、总计K Kkmax= 2kmax22P1，P2=optimize_s（w，k1，kmax）2端重复k2=（kmax+kmin）/22 2P1，P2= optimize_s（w，k1，k2）如果P> P，则k =k，否则P22、总计minK K2 2kmax=k2 2直到收敛函数P1，P2= optimize_k2（w，k1，k2）对于k = 1，. . KP; P¼ P; P arg maxL121212KK KKK P; P;w;k;kKK12P1;P2KK（通过穷举二维搜索解决）端初始化查找PSD点（最大（一）中的一个或，w，、用户1使用所有电源>没>）是用户2使用所有电源>没>）是没目标用户率1实现停调整w调整调整-45-50-55-603000英尺（IWF）1500英尺（IWF）乘数K1和K2分别是用户1和2在OSB算法中，以用户1能够实现其目标速率的方式来调整w的值优先级被给予用户2的数据速率最大化，而用户1必须达到目标数据速率。在如图5所示的OSB算法中，存在三个环路。外循环的变化- iesw，而其他两个循环搜索k1和k2。在每一种搜索二分法中（Cendrillon等人， 2006年）使用。-65-70-75-800 2 4 6 8 1012频率（MHz）图4近端用户（1500英尺）和远端用户（3000英尺）的PSD。8. 该算法图5 OSB算法流程图。W表示决定用户1和2之间的数据速率折衷的权重。当w=0时，则完全优先级用于用户2，并且用户1处于关闭模式。拉格朗日从图4中可以清楚地看出，远端的大部分功率由于在这些频率处的高信道增益，用户在较低频率处被消耗。在远端用户中没有超过9.25 MHz的功耗。 如果近端用户的PSD通过使用PSD掩模来减小，则效果并且更多数量的比特可以被加载到较低的子信道上。在所提出的算法中，PSD掩模由用于上游频带的两个参数“a”和 “b”控 制， 即，3.75PSD屏蔽，可以从等式（1）计算在用户n的子信道k处分配的（二十五）：PSD（dBm/Hz）一种低复杂度的频谱管理算法435ffiffiffiffiU;k-K算法3：提出的算法初始化s>0，e>0，d>0，Pn，total = Pn，max对于n = 1，.. . ，N do对于k= 1，. . ，K doPnU;k ¼- a-Bf lfnnpin;kU;kffiffiffiffiKnKPn np端端¼P+d每个用户使用最大允许功率进行注水Pn，总的，并绘制速率区域。目标数据速率Tn，6n从速率区域中选择。ðR; P关于IWFnnnn总数e;k当10log. .ðP;T; P8nin;k110Nn1PN 10布吕普- -p的值Þn ne;kin;k =10个ΣΣ>sfor anyk do对于n=1，，N，若Rn>Tn+ePn nin;kin;k端公司简介=d，keFn，A端end whileðR; P关于IWFnne;kðP，T，P）6nnnn，总计in;knU;k n-n-bnpfklnpfkdBm= Hz;其中lnp fk是传输损耗补偿，其中ln表示在用户n处估计的电长度（Shannon，194 8）。参数首先，为每个用户设置不同子信道处的PSD掩码。然后所有用户同时以最大允许功率进行注水。然后在所有用户的每个子信道处测量干扰。如果某个子信道处的干扰高，则预测其他用户向该子信道分配大量功率以增强其数据速率。干扰产生子信道可以被分类为表示为FA的高干扰产生区域和表示为FB的非干扰产生区域。在所提出的算法中，串扰创建用户仅从高干扰创建区域回退他们的功率。在耳朵的帮助下可以完成后退1210864200 10 20 301500英尺线路（Mbps）40 50 60在每个子信道处，Lier计算PSD掩模。在测试情况下，两个用户将其最大功率分配在较低的频带中，这是由于在这些频率处的高信道增益，如图4所示。功率仅在高干 扰 产 生 区 域 中 回 退 ， FA （ 3.75-5.2 MHz ， 8.5-9.25MHz）. PSD掩码通过控制参数“a”和“b”在干扰产生子信道处限制发送PSD。 在所提出的算法中，如果目标数据速率低于对于所获得的数据速率，仅在高干扰产生子信道处对用户n进行因子d的回退，其中P作为PSD掩模，直到超过预定义阈值s。IWF算法直到没有达到目标数据速率才收敛。所提出的算法在d=3 dB和s=2 dB的情况下工作良好。获得的纳什均衡（NE）点（Yu等人，2002）与传统的IWF算法得到的结果不同。该算法收敛得到的新NE点形成了一个更好的速率域，接近OSB算法的速率域。图6两用户VDSL上行场景的速率区域9. 复杂性将该算法的复杂度与传统的IWF和OSB算法进行了比较。传统的IWF算法对N个用户在K个子信道上进行注水，直到达到收敛准则发现trans-IWF算法的复杂度为O（KN）量级该算法的复杂度与传统的IWF算法的复杂度相同OSB算法给出了一个最优的结果，但代价是O（KeN）数量级的高复杂度。10. 数值结果FDD频带规划998（ETSI，2003）被采用用于VDSL上行传输。在测试用例中，采用长度为3000英尺和1500英尺的两个用户。两个独立的上游频带，即，本计划预留3.7530-138 kHz频段是可选的。26-在VDSL上行传输测试情况中使用规格（0.4mm）的绞合铜线。DMT符号率fs=4 kHz和音调间隔Df=4.3125 kHz已被认为是在我们的模拟。假设噪声容限为6 dB，编码增益为3 dB，对于10 -7的错误概率，给出SNR间隙C=12.8 dB。每个调制解调器的最大发射功率为11.5 dBm，背景噪声为rn¼ -140dBm = Hz。UPBO参数对于上行频带3.75- 5.2MHz是a1=60，b1=21，并且对于上行频带8.5-12 MHz是a2 =60，b2 = 8，这是UK接入网络的默认参数（Bogaert等人，2004年）。图6中示出了针对两个用户测试情况的所提出的算法、传统IWF和OSB算法的速率区域。通过在高干扰产生子信道中进行功率回退，扩大了算法的速率域。假设需要10 Mbps的服务，一条3000英尺长的线IWF算法在这条线路上提供这种服务，但也在1500英尺的线路上实现20 Mbps的数据速率使用所提出的算法，可以为该服务提供在1500英尺线路上的数据速率为46 Mbps该算法OSBIWF3000英尺线路（Mbps）p436S.夏尔马，O.P. 萨胡11. 结论该算法消除了VDSL上行传输中的串扰问题。PSD掩模被应用在串扰处，从而创建每个用户的子信道在该算法中，对不同长度的用户提供增强的数据速率服务。仿真结果表明，该算法在保持传统IWF算法分布式特性和复杂度的同时，接近集中式OSB算法的速率。引用Biyani，P.，Mahadevan，A.，Prakalan，S.，Duvaut，P.，普拉萨德，S.，2013年。上行VDSL中的合作外来噪声消除：一种新的决策导向方法。IEEE Trans. Commun. 61，3494-3504。Bogaert，Vanden，E.，等，2004. DSM在实践中：在ADSL调制解调器上实现迭代注水的性能结果。IEEEInternationalConferenceonAcoustics ， SpeechandSignalProcessing（ICASSP）. 337- 340森德里隆河余伟，Moonen，M.，Verlinden，J.，Bostoen，T.，2006年。数字用户线的最佳多用户频谱平衡。IEEETrans. Commun. 54，922-933。陈美，Rhee，W.，Mohseni，M.，乔菲，J.M.，2012.使用动态功率控制的上行VDSL的分布式串扰管理。IEEE Trans.Commun. 60，940-945。周，P.S.，乔菲，J.M.，宾厄姆，J.A.，1995.一种实用的数据传输离散多音收发信机加载算法光谱形状的通道。IEEE Trans. Commun. 43（234），773-七百七十五。掩护T. M托马斯，J.A.，一九九一年信息理论的基础约翰·威利父子公司ETSI，2003年。传输和多路复用（TM）.金属接入电缆上的接入交换系统.超高速数字用户线路（VDSL）.第1部分：功能要求TS 101 270-1，第五卷修订版。1.3.1.Huberman，S.，梁，C.，Ngoc，T.L.，2012.多用户xDSL的动态频谱管理算法。IEEE通信监视器家教14，109-130.Jacobsen，K.S.，2001.超高速数字用户线上行功率回退的方法。IEEE通信Mag. 39，210- 216.Schelstraete，S.，2002.为VDSL定义上行电源回退。IEEE J. Sel.Areas Commun. 20，1064-1074.香农，C.E.，1948.沟通的数学理论。贝尔系统技术公司J. 27，379-423，623-656.Starr，T.，Sorbara，M.，乔菲，J.M.，西尔弗曼，P.J.，2003.DSL的进步。普伦蒂斯·霍尔适用于连接到BT接入网的传输系统的接入网频率规划规范，UK NICC ND 1602（2011余伟，Ginis，G.，乔菲，J.M.，2002.数字用户线的分布式多用 户功 率 控 制。 IEEE J. 选 择. 地 区Commun.20 ，1105-1115。Zeng，C.，中国农业科学院，Aldana角，Salvekar，A. A.，乔菲，J.M.，2001. xDSL系统中的串扰识别。IEEE J. Select.地区Commun. 19，1488-1496.
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