最大限度地減小噪聲對(duì)VDSL2網(wǎng)絡(luò)"始終在線"服務(wù)的影響

　　全球的數(shù)字用戶線路 (DSL) 數(shù)量高達(dá) 2 億，是服務(wù)供應(yīng)商為大眾市場(chǎng)提供寬帶服務(wù)的主要手段。利用 DSL，服務(wù)供應(yīng)商能夠提供增加營收的 Triple-Play 業(yè)務(wù)，提高銅纜基礎(chǔ)設(shè)施的投資回報(bào)。但這些業(yè)務(wù)帶來一個(gè)挑戰(zhàn)：它們需要出色的性能、更大的專有帶寬、更高的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和"始終在線" (always-on) 的網(wǎng)絡(luò)接入功能。

　　VDSL2 線路上的噪聲對(duì)多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)率/覆蓋距離性能的影響十分嚴(yán)重，這是鄰近銅線對(duì)上電氣信號(hào)的串?dāng)_耦合或其它損害的結(jié)果。DSL 線路開/關(guān)轉(zhuǎn)換對(duì)環(huán)路噪聲特性的影響可能相當(dāng)大。盡管傳統(tǒng)的無縫速率適配技術(shù)(Seamless Rate Adaptation, SRA)及比特交換技術(shù)也可以改變數(shù)據(jù)率，以適應(yīng)隨時(shí)間變化的環(huán)路條件，但這些方案往往無法始終保持線路的完整性及相關(guān)的開銷通道，尤其是在噪聲容限嚴(yán)重降低(有時(shí)甚至是負(fù))的情況下。

　　服務(wù)供應(yīng)商需要一種在帶寬噪聲突然出現(xiàn)變化時(shí)能夠迅速和動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)率的智能機(jī)制。這種快速速率適配 (RRA) 策略對(duì)于 IPTV 和實(shí)時(shí) Triple-Play 應(yīng)用等高質(zhì)增強(qiáng)型服務(wù)的穩(wěn)健實(shí)施至關(guān)重要。

　　本文討論的重點(diǎn)在：DSL 線路性能降低的常見原因：串?dāng)_、非平穩(wěn)無線電干擾、脈沖噪聲和溫度變化把噪聲影響降至最低確保服務(wù)始終在線"的技術(shù)

　　服務(wù)供應(yīng)商的接入挑戰(zhàn)

　　全球服務(wù)供應(yīng)商將在端到端 IP xDSL 接入基礎(chǔ)設(shè)施上推出 Triple-Play 業(yè)務(wù)。一些主流服務(wù)供應(yīng)商的業(yè)務(wù)推廣策略包括推出廉價(jià)、高密度、高功效且高度可靠的 VDSL2/ADSLx 組合卡，以期隨時(shí)隨地為任何用戶提供無處不在、按需定制及高度集成的多元化服務(wù)。

　　為了使帶寬最大化、誤碼率最小化，以及增強(qiáng)抗干擾性和提高運(yùn)營效率，必須在所有級(jí)別上考慮到 xDSL 系統(tǒng)的性價(jià)比優(yōu)化。一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的 DSL 系統(tǒng)再加上有保證的服務(wù)可靠性和穩(wěn)定性，將有助于服務(wù)供應(yīng)商迅速推出創(chuàng)新的產(chǎn)品、增加每用戶平均營收，并減少運(yùn)營開銷和資本支出。消費(fèi)者需要出色的 QoS、始終在線的網(wǎng)絡(luò)連接性、非凡的可靠性和來自多個(gè)不同服務(wù)供應(yīng)商的即時(shí)可用內(nèi)容。運(yùn)營商必須以任何代價(jià)避免服務(wù)中斷和線路重接等問題。

　　為了滿足Triple-Play應(yīng)用的需求，DSL 技術(shù)在不斷發(fā)展提升。2006 年 11 月，ITU G.993.2 VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)獲批準(zhǔn)。不同于以往的 xDSL，VDSL2 采用了大量的改進(jìn)技術(shù)，能夠更好地處理不同運(yùn)營商的不同帶寬需求。例如，VDSL2支持改進(jìn)型脈沖噪聲保護(hù)(INP)、脈沖噪聲監(jiān)控(INM)、SRA、PSD (功率譜密度) 整形，以及新的服務(wù)和初始化策略，以提高Triple-Play的穩(wěn)定性。該標(biāo)準(zhǔn)還涉及其它先進(jìn)技術(shù)，比如緊急狀況速率降低(SOS)、動(dòng)態(tài)速率重新分配 (DRR) 和串?dāng)_通道估算及減緩技術(shù)等。VDSL2 還采用了Profile 概念，可支持廣泛的部署環(huán)境。每一個(gè)Profile 都有一個(gè)特定的帶寬(從8MHz到30 MHz)，有不同的功率和功率譜密度(PSD)屏蔽限制。此外，每一個(gè) Profile 還針對(duì)特定的覆蓋距離和數(shù)據(jù)率進(jìn)行優(yōu)化。同樣地，VDSL2 還擴(kuò)展了 VDSL1 的覆蓋距離，其最大可達(dá)速率超過了所有其它形式的 DSL。

　　動(dòng)態(tài)頻譜管理 (DSM) 等先進(jìn)技術(shù)能有助于減少共享同一個(gè)捆綁器的 DSL 對(duì)線的串?dāng)_，提升未來 DSL 的帶寬和覆蓋范圍。由于更高級(jí)別的 DSM 需要共享捆綁器的所有用戶存在某種形式的協(xié)調(diào)，這些技術(shù)相當(dāng)重要。真正的DSM瓶頸是非技術(shù)性問題，比如環(huán)路分拆(loop unbundling)，其中不同的雙絞線由不同的公司運(yùn)作。因此，必須先解決這些問題，電信運(yùn)營商才能充分發(fā)揮 DSM 的全部潛力。

　　性能降低的常見原因

　　我們常常假設(shè)不良信號(hào)是高斯 (Gaussian) 分布的附加隨機(jī)源。例如，比特加載算法通常基于附加高斯噪聲的假設(shè)而設(shè)計(jì)。這種算法低估了其它類型干擾的影響，從而導(dǎo)致誤碼率過大。此外，信道估算算法通常是針對(duì)平穩(wěn)噪聲情況下的性能優(yōu)化來設(shè)計(jì)的。然而，在估算非平穩(wěn)、準(zhǔn)平穩(wěn)或隨時(shí)間變化的干擾時(shí)，這些算法卻不太有效。這些 DSL 訓(xùn)練過程一般都十分適合于在出現(xiàn)平穩(wěn)噪聲和附加的高斯噪聲時(shí)的性能和抗干擾性優(yōu)化，這將使調(diào)制解調(diào)接收機(jī)無法接收其它類型的噪聲，例如，抵抗脈沖噪聲等。

　　xDSL 性能降低的常見噪聲源可分為以下幾類：

　　內(nèi)部噪聲源
　　內(nèi)部的噪聲源包括熱噪聲、量化噪聲、元件非線性度和失真、回波損耗或 Hybrid 傳輸損耗(trans-hybrid loss)、帶通濾波器 (ISI) 引起的耗散，以及相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)等時(shí)鐘噪聲。不良的設(shè)計(jì)、算法和信號(hào)處理在精度和性能方面的局限性對(duì)xDSL性能也都有負(fù)面影響。

　　外部(半)平穩(wěn)噪聲
　　這種噪聲通常稱為串?dāng)_，包括其它服務(wù)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，比如 T1 和 xDSL 等外來和/或自噪聲源例如遠(yuǎn)端串?dāng)_ (FEXT) 和近端串?dāng)_ (NEXT)。雖然因鄰近 DSL 線纜不斷發(fā)射產(chǎn)生的串?dāng)_基本上是平穩(wěn)的，但串?dāng)_分布可能因客戶布線或溫度的變化而隨時(shí)間變化。串?dāng)_通常是 DSL 系統(tǒng)中性能降低的主要原因。

　　外部非平穩(wěn)噪聲
　　非平穩(wěn)噪聲是多個(gè)源影響的結(jié)果，會(huì)影響 xDSL 系統(tǒng)的性能。主要的噪聲源有：
　　線路上產(chǎn)生的電壓尖峰引起脈沖噪聲。常見原因包括雷擊、變壓器涌流和家電及燈的開或關(guān)。重復(fù)性脈沖噪聲 (REIN) 也是非平穩(wěn)噪聲，由反復(fù)的電壓尖峰或線路上噪聲的涌流引起，通常出現(xiàn)在電源工作頻率 (50 Hz 或 60 Hz) 上。脈沖噪聲會(huì)造成循環(huán)冗余檢測(cè) (CRC) 誤差，可導(dǎo)致 DSL 線路重連，從而使得服務(wù)中斷。

　　射頻干擾 (RFI) 通常被限制在較窄的頻譜范圍內(nèi)，而且，和脈沖噪聲一樣，HAM無線電干擾也會(huì)被耦合到信號(hào)中。這種準(zhǔn)正弦干擾源的分布可能會(huì)致使龐大數(shù)量子載波通道上的比特承載減小。盡管在離散多音頻(DMT) DSL系統(tǒng)中，RFI一般只影響一個(gè)symbol 的一小部分，但它的持續(xù)時(shí)間比脈沖噪聲要長(zhǎng)得多，會(huì)影響到很多DMT symbol。這就使得對(duì)交織和/或Reed-Solomon(RS)奇偶校驗(yàn)要求更高，因而不適合低延遲應(yīng)用 (比如 VoIP，過大的延遲可能導(dǎo)致音質(zhì)受損)。

　　普通老式電話業(yè)務(wù) (POTS)：摘機(jī)/掛機(jī)、撥號(hào)脈沖、振鈴和響鈴 (ring trip) 產(chǎn)生的信號(hào)。

　　銅纜的 micro-cut 引起 DSL 信號(hào)的隨機(jī)微中斷。為了實(shí)現(xiàn)可靠的信號(hào)傳輸，結(jié)合使用濾波和信號(hào)處理以減少 CRC 的產(chǎn)生。

　　鄰近 xDSL 服務(wù)進(jìn)出工作狀態(tài)。當(dāng)同一個(gè)捆綁器中的調(diào)制解調(diào)器開關(guān)時(shí)，這種現(xiàn)象可能引起平穩(wěn)噪聲級(jí)突然出現(xiàn)大變化。根據(jù)串?dāng)_和可用噪聲容限的級(jí)別，這可能會(huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷和線路重連 (重新同步和訓(xùn)練)。

　　圖 1 顯示了多種 CO/遠(yuǎn)程終端 (RT) 部署環(huán)境，其中，在接收器 (victim receiver) 的下行鏈路上有多種不同的干擾信號(hào)。

　　DSL 網(wǎng)絡(luò)降噪策略

　　可采用許多實(shí)用的策略來降低 DSL 設(shè)備中的各種傳輸損害。

　　內(nèi)部噪聲源大多是由于局端(CO)和客戶端設(shè)備(CPE) 收發(fā)器的設(shè)計(jì)引起，而且一般不能在部署中緩減。針對(duì)這種情況，最好選用有信譽(yù)的廠商的設(shè)備。

　　可通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)的 DSL 傳輸技術(shù)，如自適應(yīng) TEQ、自適應(yīng)回波消除電路、自適應(yīng)混合和可編程數(shù)字/模擬濾波器，提高對(duì)環(huán)路損害和內(nèi)部噪聲源的抵抗能力。

　　來自外部的平穩(wěn)噪聲限制 (如串音) 通常是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來解決。對(duì)發(fā)送功率的PSD進(jìn)行限制就可確保頻譜兼容性。運(yùn)營商可控制一些與發(fā)送PSD相關(guān)的參數(shù)來最大限度地降低鄰近線路的串?dāng)_，現(xiàn)在普遍使用先進(jìn)的上行和下行功率回退技術(shù) (UPBO/DPBO)。

　　動(dòng)態(tài)頻譜管理
　　動(dòng)態(tài)頻譜管理 (DSM) 由一整套針對(duì) DSL 網(wǎng)絡(luò)中的多用戶功率分配和/或檢測(cè)的技術(shù)構(gòu)成，旨在確保串?dāng)_環(huán)境下的頻譜兼容性。實(shí)施DSM，就可通過改變發(fā)送信號(hào)的頻譜來減少串?dāng)_，或消除同一線扎內(nèi)的串?dāng)_ (部分)。在串?dāng)_是主要損害的網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境中，這些技術(shù)非常有效。DSM 有四個(gè)協(xié)調(diào)級(jí)別：

　　DSM Level 0，對(duì)應(yīng)于靜態(tài)頻譜管理，最大限度地提高單條DSL線路的性能，而不考慮鄰近線路的性能。

　　DSM Level 1解決自動(dòng)功率分配管理問題，以避免串音。

　　DSM Level 2實(shí)現(xiàn)鄰近線纜間的功率分配協(xié)調(diào)管理，以避免串?dāng)_。

　　DSM Level 3用于降低串?dāng)_。該級(jí)別僅在發(fā)送器和/或接收器配置相應(yīng)功能時(shí)才能使用。

　　虛擬噪聲技術(shù)
　　虛擬噪聲是 G.993.2 標(biāo)準(zhǔn)為提高線路穩(wěn)定性而引入的另一種技術(shù)。其原理是在線路中針對(duì)那些可能因鄰近線路開啟而受到串?dāng)_干擾的子通道預(yù)先增加虛擬噪聲。如圖 2 所示，在該技術(shù)中，對(duì)噪聲容限進(jìn)行調(diào)整，使其能容納虛擬噪聲；而對(duì)那些不會(huì)受串?dāng)_干擾的子通道，仍然保持較低的噪聲容限，使得可用帶寬達(dá)到最大。在能夠預(yù)先推測(cè)串?dāng)_的情況下，虛擬噪聲方法非常奏效。但在許多情況下，并不能準(zhǔn)確推測(cè)串?dāng)_。這個(gè)技術(shù)不是動(dòng)態(tài)的，常常導(dǎo)致比特承載過于保守。

 
　　交織技術(shù)和Reed-Solomon編碼
　　現(xiàn)有各種技術(shù)可用于處理非穩(wěn)定噪聲的影響。脈沖噪聲保護(hù)(INP)糾錯(cuò)策略是涉及到 Reed-Solomon 編碼技術(shù)和交錯(cuò)技術(shù)的一個(gè)綜合，其成幀參數(shù)可在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)選擇。通常是通過降低數(shù)據(jù)速率來提高噪聲容限。大體上，就是讓接收器具有足夠的噪聲容限，從而使誤差率維持在可接受的限度內(nèi)。這樣，大多數(shù)的數(shù)據(jù)幀都會(huì)有余裕的容限，從而確保數(shù)據(jù)的完整性，而只有一小部分?jǐn)?shù)據(jù)幀會(huì)直接受脈沖噪聲的影響。這些技術(shù)也有一些其它缺點(diǎn)，如交織內(nèi)存增加，可能不適合要求低延時(shí)和互動(dòng)的一些應(yīng)用。如果通過在接收端來完成對(duì)Reed-Solomon編碼的Erasure decoding，這樣可顯著減少 DSL 系統(tǒng)的交織延遲。

　　無縫速率適配技術(shù)(SRA)
　　VDSL2 標(biāo)準(zhǔn)描述SRA是針對(duì)線路噪聲狀況變化使用的技術(shù)。SRA通過改變線路帶寬，以保證線路有足夠的噪聲容限。當(dāng)線路噪聲增加時(shí)，SRA就會(huì)降低帶寬，而且不造成掉線，因而也不會(huì)中斷服務(wù)。

　　對(duì)于噪聲變化緩慢的情況，通常使用以下一種自適應(yīng)技術(shù)或組合技術(shù)，包括子載波重排序(reordering)、比特交換和/或SRA。

　　在突變和嚴(yán)酷的噪聲情況下，上面的策略都無效。在這種情況下，要維持鏈路，防止DSL 調(diào)制解調(diào)器重連，最有前景的降噪技術(shù)是快速速率適配(RRA)，即 ITU-T 標(biāo)準(zhǔn)中的SOS。

　　快速速率適配技術(shù) (RRA)
　　RRA是自動(dòng)的智能解決方案，可讓電信營運(yùn)商在嚴(yán)重及隨時(shí)間變化的噪聲環(huán)境下提高鏈路的穩(wěn)定性、可靠性和可用性。RRA 是先進(jìn)的技術(shù)，可在出現(xiàn)大頻帶范圍的噪聲突變時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)速率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，且不會(huì)造成掉線或重連。因此，能夠優(yōu)化 Triple-Play 的質(zhì)量，大大改善寬帶連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變化無常的環(huán)路情況的管理。

　　主要優(yōu)勢(shì)
　　RRA使收發(fā)器能監(jiān)視線路情況，并且在不中斷服務(wù)和不進(jìn)行重連的情況下動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率。RRA有助于維持鏈路的完整性，即便在噪聲變化超過容限的情況下。RRA對(duì)xDSL線路開/關(guān)在線扎內(nèi)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)串?dāng)_有很強(qiáng)的恢復(fù)能力。

　　RRA在穩(wěn)健性、適應(yīng)噪聲突變、大頻帶范圍的噪聲變化方面優(yōu)于其它標(biāo)準(zhǔn)降噪方案(如SRA)。特別是RRA 能在 SRA 不再有效的環(huán)境下維持鏈路完整性。

　　RRA為穩(wěn)定鏈路而變化到新速率所需的總體時(shí)間比 SRA 短得多。RRA對(duì)動(dòng)態(tài)噪聲變化的響應(yīng)更快。表 1 給出了 RRA 與SRA在突變強(qiáng)噪聲環(huán)境下的功能性和有效性比較。

 　　流量敏感應(yīng)用

　　Triple-Play市場(chǎng)對(duì)服務(wù)質(zhì)量和可靠性有著很高的期望。對(duì)流量敏感的應(yīng)用(如視頻服務(wù))，要避免畫面出現(xiàn)馬賽克 (pixelization)，可使用基于優(yōu)先級(jí)的算法，確保相應(yīng)的信道的數(shù)據(jù)速率能根據(jù)產(chǎn)品的QoS 能力來改變。這樣，就能保證如果數(shù)據(jù)速率降低，具有最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流能保持其帶寬(具體取決于線路情況)，而具有最低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流的帶寬則被降低。RRA 與 QoS 結(jié)合構(gòu)成無可比擬的具有應(yīng)用意識(shí)的 (application-aware)方案，使運(yùn)營商和服務(wù)供應(yīng)商能在嚴(yán)重劣化的噪聲容限環(huán)境下靈活應(yīng)對(duì)。

　　結(jié)論

　　提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是成功部署 Triple-Play 的關(guān)鍵所在。諸如虛擬噪聲、比特交換、SRA 和RRA 之類的技術(shù)能夠提升系統(tǒng)的可靠性，并使運(yùn)營商以同樣的產(chǎn)品贏得更多的客戶。未來這些技術(shù)有望被運(yùn)營商廣泛采用。