最大限度地減小噪聲對VDSL2網絡"始終在線"服務的影響

　　全球的數字用戶線路 (DSL) 數量高達 2 億，是服務供應商為大眾市場提供寬帶服務的主要手段。利用 DSL，服務供應商能夠提供增加營收的 Triple-Play 業務，提高銅纜基礎設施的投資回報。但這些業務帶來一個挑戰：它們需要出色的性能、更大的專有帶寬、更高的服務質量(QoS)和"始終在線" (always-on) 的網絡接入功能。

　　VDSL2 線路上的噪聲對多媒體業務數據率/覆蓋距離性能的影響十分嚴重，這是鄰近銅線對上電氣信號的串擾耦合或其它損害的結果。DSL 線路開/關轉換對環路噪聲特性的影響可能相當大。盡管傳統的無縫速率適配技術(Seamless Rate Adaptation, SRA)及比特交換技術也可以改變數據率，以適應隨時間變化的環路條件，但這些方案往往無法始終保持線路的完整性及相關的開銷通道，尤其是在噪聲容限嚴重降低(有時甚至是負)的情況下。

　　服務供應商需要一種在帶寬噪聲突然出現變化時能夠迅速和動態調整數據率的智能機制。這種快速速率適配 (RRA) 策略對于 IPTV 和實時 Triple-Play 應用等高質增強型服務的穩健實施至關重要。

　　本文討論的重點在：DSL 線路性能降低的常見原因：串擾、非平穩無線電干擾、脈沖噪聲和溫度變化把噪聲影響降至最低確保服務始終在線"的技術

　　服務供應商的接入挑戰

　　全球服務供應商將在端到端 IP xDSL 接入基礎設施上推出 Triple-Play 業務。一些主流服務供應商的業務推廣策略包括推出廉價、高密度、高功效且高度可靠的 VDSL2/ADSLx 組合卡，以期隨時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。

　　為了使帶寬最大化、誤碼率最小化，以及增強抗干擾性和提高運營效率，必須在所有級別上考慮到 xDSL 系統的性價比優化。一個經優化的 DSL 系統再加上有保證的服務可靠性和穩定性，將有助于服務供應商迅速推出創新的產品、增加每用戶平均營收，并減少運營開銷和資本支出。消費者需要出色的 QoS、始終在線的網絡連接性、非凡的可靠性和來自多個不同服務供應商的即時可用內容。運營商必須以任何代價避免服務中斷和線路重接等問題。

　　為了滿足Triple-Play應用的需求，DSL 技術在不斷發展提升。2006 年 11 月，ITU G.993.2 VDSL2 標準獲批準。不同于以往的 xDSL，VDSL2 采用了大量的改進技術，能夠更好地處理不同運營商的不同帶寬需求。例如，VDSL2支持改進型脈沖噪聲保護(INP)、脈沖噪聲監控(INM)、SRA、PSD (功率譜密度) 整形，以及新的服務和初始化策略，以提高Triple-Play的穩定性。該標準還涉及其它先進技術，比如緊急狀況速率降低(SOS)、動態速率重新分配 (DRR) 和串擾通道估算及減緩技術等。VDSL2 還采用了Profile 概念，可支持廣泛的部署環境。每一個Profile 都有一個特定的帶寬(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 Profile 還針對特定的覆蓋距離和數據率進行優化。同樣地，VDSL2 還擴展了 VDSL1 的覆蓋距離，其最大可達速率超過了所有其它形式的 DSL。

　　動態頻譜管理 (DSM) 等先進技術能有助于減少共享同一個捆綁器的 DSL 對線的串擾，提升未來 DSL 的帶寬和覆蓋范圍。由于更高級別的 DSM 需要共享捆綁器的所有用戶存在某種形式的協調，這些技術相當重要。真正的DSM瓶頸是非技術性問題，比如環路分拆(loop unbundling)，其中不同的雙絞線由不同的公司運作。因此，必須先解決這些問題，電信運營商才能充分發揮 DSM 的全部潛力。

　　性能降低的常見原因

　　我們常常假設不良信號是高斯 (Gaussian) 分布的附加隨機源。例如，比特加載算法通常基于附加高斯噪聲的假設而設計。這種算法低估了其它類型干擾的影響，從而導致誤碼率過大。此外，信道估算算法通常是針對平穩噪聲情況下的性能優化來設計的。然而，在估算非平穩、準平穩或隨時間變化的干擾時，這些算法卻不太有效。這些 DSL 訓練過程一般都十分適合于在出現平穩噪聲和附加的高斯噪聲時的性能和抗干擾性優化，這將使調制解調接收機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：

　　內部噪聲源
　　內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，以及相位噪聲和時鐘抖動等時鐘噪聲。不良的設計、算法和信號處理在精度和性能方面的局限性對xDSL性能也都有負面影響。

　　外部(半)平穩噪聲
　　這種噪聲通常稱為串擾，包括其它服務產生的干擾信號，比如 T1 和 xDSL 等外來和/或自噪聲源例如遠端串擾 (FEXT) 和近端串擾 (NEXT)。雖然因鄰近 DSL 線纜不斷發射產生的串擾基本上是平穩的，但串擾分布可能因客戶布線或溫度的變化而隨時間變化。串擾通常是 DSL 系統中性能降低的主要原因。

　　外部非平穩噪聲
　　非平穩噪聲是多個源影響的結果，會影響 xDSL 系統的性能。主要的噪聲源有：
　　線路上產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。重復性脈沖噪聲 (REIN) 也是非平穩噪聲，由反復的電壓尖峰或線路上噪聲的涌流引起，通常出現在電源工作頻率 (50 Hz 或 60 Hz) 上。脈沖噪聲會造成循環冗余檢測 (CRC) 誤差，可導致 DSL 線路重連，從而使得服務中斷。

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

　　普通老式電話業務 (POTS)：摘機/掛機、撥號脈沖、振鈴和響鈴 (ring trip) 產生的信號。

　　銅纜的 micro-cut 引起 DSL 信號的隨機微中斷。為了實現可靠的信號傳輸，結合使用濾波和信號處理以減少 CRC 的產生。

　　鄰近 xDSL 服務進出工作狀態。當同一個捆綁器中的調制解調器開關時，這種現象可能引起平穩噪聲級突然出現大變化。根據串擾和可用噪聲容限的級別，這可能會導致服務中斷和線路重連 (重新同步和訓練)。

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

　　DSL 網絡降噪策略

　　可采用許多實用的策略來降低 DSL 設備中的各種傳輸損害。

　　內部噪聲源大多是由于局端(CO)和客戶端設備(CPE) 收發器的設計引起，而且一般不能在部署中緩減。針對這種情況，最好選用有信譽的廠商的設備。

　　可通過系統設計和采用先進的 DSL 傳輸技術，如自適應 TEQ、自適應回波消除電路、自適應混合和可編程數字/模擬濾波器，提高對環路損害和內部噪聲源的抵抗能力。

　　來自外部的平穩噪聲限制 (如串音) 通常是由網絡設計來解決。對發送功率的PSD進行限制就可確保頻譜兼容性。運營商可控制一些與發送PSD相關的參數來最大限度地降低鄰近線路的串擾，現在普遍使用先進的上行和下行功率回退技術 (UPBO/DPBO)。

　　動態頻譜管理
　　動態頻譜管理 (DSM) 由一整套針對 DSL 網絡中的多用戶功率分配和/或檢測的技術構成，旨在確保串擾環境下的頻譜兼容性。實施DSM，就可通過改變發送信號的頻譜來減少串擾，或消除同一線扎內的串擾 (部分)。在串擾是主要損害的網絡部署環境中，這些技術非常有效。DSM 有四個協調級別：

　　DSM Level 0，對應于靜態頻譜管理，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解決自動功率分配管理問題，以避免串音。

　　DSM Level 2實現鄰近線纜間的功率分配協調管理，以避免串擾。

　　DSM Level 3用于降低串擾。該級別僅在發送器和/或接收器配置相應功能時才能使用。

　　虛擬噪聲技術
　　虛擬噪聲是 G.993.2 標準為提高線路穩定性而引入的另一種技術。其原理是在線路中針對那些可能因鄰近線路開啟而受到串擾干擾的子通道預先增加虛擬噪聲。如圖 2 所示，在該技術中，對噪聲容限進行調整，使其能容納虛擬噪聲；而對那些不會受串擾干擾的子通道，仍然保持較低的噪聲容限，使得可用帶寬達到最大。在能夠預先推測串擾的情況下，虛擬噪聲方法非常奏效。但在許多情況下，并不能準確推測串擾。這個技術不是動態的，常常導致比特承載過于保守。

 
　　交織技術和Reed-Solomon編碼
　　現有各種技術可用于處理非穩定噪聲的影響。脈沖噪聲保護(INP)糾錯策略是涉及到 Reed-Solomon 編碼技術和交錯技術的一個綜合，其成幀參數可在標準規定的數值范圍內選擇。通常是通過降低數據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。這樣，大多數的數據幀都會有余裕的容限，從而確保數據的完整性，而只有一小部分數據幀會直接受脈沖噪聲的影響。這些技術也有一些其它缺點，如交織內存增加，可能不適合要求低延時和互動的一些應用。如果通過在接收端來完成對Reed-Solomon編碼的Erasure decoding，這樣可顯著減少 DSL 系統的交織延遲。

　　無縫速率適配技術(SRA)
　　VDSL2 標準描述SRA是針對線路噪聲狀況變化使用的技術。SRA通過改變線路帶寬，以保證線路有足夠的噪聲容限。當線路噪聲增加時，SRA就會降低帶寬，而且不造成掉線，因而也不會中斷服務。

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

　　在突變和嚴酷的噪聲情況下，上面的策略都無效。在這種情況下，要維持鏈路，防止DSL 調制解調器重連，最有前景的降噪技術是快速速率適配(RRA)，即 ITU-T 標準中的SOS。

　　快速速率適配技術 (RRA)
　　RRA是自動的智能解決方案，可讓電信營運商在嚴重及隨時間變化的噪聲環境下提高鏈路的穩定性、可靠性和可用性。RRA 是先進的技術，可在出現大頻帶范圍的噪聲突變時，對數據速率進行快速的動態調節，且不會造成掉線或重連。因此，能夠優化 Triple-Play 的質量，大大改善寬帶連接，從而實現對變化無常的環路情況的管理。

　　主要優勢
　　RRA使收發器能監視線路情況，并且在不中斷服務和不進行重連的情況下動態調節數據速率。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xDSL線路開/關在線扎內產生的動態串擾有很強的恢復能力。

　　RRA在穩健性、適應噪聲突變、大頻帶范圍的噪聲變化方面優于其它標準降噪方案(如SRA)。特別是RRA 能在 SRA 不再有效的環境下維持鏈路完整性。

　　RRA為穩定鏈路而變化到新速率所需的總體時間比 SRA 短得多。RRA對動態噪聲變化的響應更快。表 1 給出了 RRA 與SRA在突變強噪聲環境下的功能性和有效性比較。

 　　流量敏感應用

　　Triple-Play市場對服務質量和可靠性有著很高的期望。對流量敏感的應用(如視頻服務)，要避免畫面出現馬賽克 (pixelization)，可使用基于優先級的算法，確保相應的信道的數據速率能根據產品的QoS 能力來改變。這樣，就能保證如果數據速率降低，具有最高優先級的數據流能保持其帶寬(具體取決于線路情況)，而具有最低優先級的數據流的帶寬則被降低。RRA 與 QoS 結合構成無可比擬的具有應用意識的 (application-aware)方案，使運營商和服務供應商能在嚴重劣化的噪聲容限環境下靈活應對。

　　結論

　　提高系統穩定性是成功部署 Triple-Play 的關鍵所在。諸如虛擬噪聲、比特交換、SRA 和RRA 之類的技術能夠提升系統的可靠性，并使運營商以同樣的產品贏得更多的客戶。未來這些技術有望被運營商廣泛采用。