VDSL2串音消除的关键技术（1）

　　随着带宽的增加和环路距离的减小，串音(Crosstalk)已经成为VDSL2系统中的主要干扰因素。介绍了目前ITU-T提出的几种主流的针对串音问题的解决方案，尤其重点描述了近来的研究热点——串音消除技术，并对其中的关键算法进行了归纳和分析。

　　一、VDSL2技术简介及其串音问题

　　继第一代VDSL之后，ITU-T于2006年2月份通过了VDSL2的标准，标准号为G.993.2;同时在2006年11月份的会议上完成了G.993.2Amendment1& Corrigendum 1，标准已相对成熟。VDSL2通过扩展频谱至30 MHz，能实现双向对称的100 Mbit/s高速数据传送，可为高速上网、互联网游戏以及视频等业务提供充足的带宽;同时它还实行灵活的Profile配置方案，可针对不同业务对丢包、时延的要求提供相应服务，从而更好地满足将来用户对高带宽、新业务的需求，因此具有良好的应用前景。

　　但是和其他DSL技术相比，VDSL2由于使用很宽的频段，受到的线路噪声干扰也更为严重;而且高频信号本身的衰减很大，对线路噪声非常敏感，因此噪声已经成为制约VDSL2系统传输性能和稳定性的主要因素。

　　VDSL2线路噪声主要包括串音干扰、脉冲噪声、射频噪声等，文章主要论述串音干扰的影响及其相应的解决方案。

　　二、串音的特性和影响

　　串音简单地说就是由于DSL所使用的双绞线各线对之间是非屏蔽的，线对间的电磁干扰会导致一对双绞线上的信号对另外一对双绞线上的信号产生影响。通常认为串音存在于同一电缆束中的各线对之间，且一条双绞线会受到来自多条线对的干扰。

　　串音按其特性通常分为“近端串音(NEXT)”和“远端串音(FEXT)”。NEXT是干扰线对的发射机与被干扰线对的接收机位于同一端，此时干扰信号沿着干扰线对出发，耦合到被干扰线对，然后传回到被干扰线对的接收机;FEXT是干扰线对的发射机远离被干扰线对的接收机，此时干扰信号沿着干扰线对传播，耦合到被干扰线对，然后产生的串音信号沿着被干扰线对传送到其接收机。

　　目前已有较为成熟的解析方式或数值方式来表征DSL串音，如北美标准ANSICommitteeT1Standard T1.417[1]中给出了NEXT和FEXT的计算方法，如下所示：

　　其中XN/XF表示统计得到的NEXT/FEXT的近端/远端串音耦合系数，ANSICommitteeT1Standard T1.417中规定XN=8.536×10-15，XF=7.74×10-21;S(f)为干扰信号在串音耦合点处的信号功率谱密度(PSD);H(f,l)是线路传递函数;l是线路长度;n是干扰源的数目。可以看出，随着频率f的增大，NEXT与FEXT均增大(其中NEXT与频率f3/2成正比)，同时FEXT还与线路长度l成反比。也就是说，频率越高，NEXT/FEXT越大;线路越短，FEXT越大。

　　由于VDSL2系统采用FDM方式，因此大部分NEXT与接收端的被干扰信号在频段上是分开的，其影响可通过滤波器消除或大大降低;但是FEXT与接收端的被干扰信号一般无法在频段上分开，不能用滤波器消除，同时VDSL2传输距离较短(一般不大于1.5km)，导致线路上的FEXT较其他DSL技术更为严重，因此FEXT是VDSL2系统中主要的串音来源，会导致信噪比下降而降低线路传输速率或增大误码率，甚至产生重训练从而影响系统的稳定性。

　　三、针对串音问题的解决方案

　　为了避免串音干扰导致的性能严重下降，ITU-T提出了多种解决或降低串音影响的技术方案，主要包括虚拟噪声(VirtualNoise)方案[2]和频谱管理方案。

　　1.虚拟噪声方案

　　由式(1)、(2)可知，串音干扰的大小是随着串音干扰源的数目而变化的。实际应用中如果训练时某些干扰源不存在，此时尽管可以得到较高的速率，但是当这些干扰源用户上线时，整个串音也有可能大大上升，甚至超过噪声容限(Margin)的范围从而产生大量误码，严重时甚至导致重训练。若预先设置很大的噪声容限，虽然可以保证数据传送的稳定性，但事实上串音是一个与频率有关的非平坦的函数，如果对所有子载波(Tone)都设置相同的平坦的噪声容限，就会造成由于有些子载波的噪声容限过大带来的不必要的性能损失。

　　采用虚拟噪声方案可以避免这种情况。虚拟噪声方案是对以往的串音干扰进行统计得到一个预设的虚拟噪声模板，收发器根据此模板训练，得到满足要求的噪声容限、速率等参数;也就是根据预期的虚拟的串音干扰，为不同的子载波设置相应大小的噪声容限，只有那些预期会出现很大串音干扰的子载波才留有很大的噪声容限。对于每个子载波，只要设置合适的虚拟噪声(当然，在每个子载波上，虚拟噪声都是按照预期的有可能的最大串音情况来设计的)就可以保证数据传送的稳定性。

　　但是虚拟噪声方案存在的一个问题是，虚拟噪声在每个子载波上都是按照预期的可能的最大串音情况来设计的，当串音不存在时，这种虚拟噪声依然作为每个子载波的噪声容限的设计依据，从而造成性能损失。因此，虽然效果优于设置平坦的噪声容限的方法，但从某种意义上说，虚拟噪声方案仍是一种通过牺牲性能来减小串音干扰的影响，从而获得低误码率和稳定性的。

　　2.频谱管理方案

　　频谱管理方案的主要思想是根据以往的线路环境和串音干扰情况，在初始化阶段或Showtime时间内调整信号发送PSD，以消除、规避或减小串音干扰的影响，主要分为静态频谱管理方案和动态频谱管理(DSM)方案。

　　(1)静态频谱管理方案

　　图1静态频谱管理示例

　　静态频谱管理方案是通过在初始化阶段来选择合适的功率谱密度和相应的参数配置，以避免线路上的串音干扰。一旦训练过程中确定了发送信号的功率谱密度，则在整个Showtime时间内都不允许更改，直至下次重训练。静态频谱管理方案可通过如下示例加以说明[1]。

　　图1给出了一种常见的VDSL2部署方案，并针对中心局(CentralOffice)和远端局(RT)之间的发送信号频谱，提出了三种不同的静态频谱管理方案。其中，方案a是将RT发送信号平坦地削减一定的幅度以降低串音的影响，即相当于ADSL2+中的功率回调(PowerCutback)和最大功率谱密度(MaximumPSD)，会大幅度降低线路速率。方案b中，由于局端设备(CO)与其对应的Modem之间距离较长，而长线上的高频部分不可利用，因此将RT的频带放在较高频段，而CO占据低频段，这样由于相互之间频谱不重叠，串音干扰可以通过滤波器消除。方案b可通过频谱整形(PSD shaping)技术，设置开始和终止频率来实现，但是会降低频谱利用率。方案c的情况相对复杂，可看作是方案a和方案b的合成，其原则是使得RT发送信号与CO发送信号的频谱重叠部分在RT处基本相当，这相当于RT在CO距离Modem等同长度的位置，发送与CO大小相当的信号。方案c避免了RT由于距离Modem较近而可能带来的过大的FEXT，因此可以保证RT对CO的串音的影响不至于超过CO的发送信号，这个方案实际上就是G.997.1中的下行功率调整(DPBO：Downstream Power Backoff)。文献[3]给出了方案c的实现方法。