適用于ＶＤＳＬ系統(tǒng)的Ｚｉｐｐｅｒ雙工方式

中圖分類號:TN915.61 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-6868(2002)03-47-05

摘要：

文章在概述VDSL系統(tǒng)技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，針對該系統(tǒng)的應(yīng)用局限性，介紹了一種應(yīng)用于基于DMT的VDSL系統(tǒng)中的Zipper雙工方式。該方式利用循環(huán)后綴和符號定時解決了回波問題，采用脈沖成形和加窗技術(shù)解決了異步工作的問題。

關(guān)鍵詞：

甚高比特率數(shù)字用戶線；Zipper雙工；頻分雙工；時分雙工；離散多音

ABSTRACT:

Based on the introduction to the characteristics of VDSL system， and also considering the system limitations， this paper introduces a novel duplex scheme called the Zipper dulpex method and used for DMT-based VDSL systems. The Zipper duplex method solves the self-echo problem by using the cyclic suffix (CS) together with synchronized symbol timing at both transmitters. The asynchronous Zipper reduces the impact of the self-NEXT by performing pulse shaping at the transmitter and windowing at the receiver.

KEY WORDS:

VDSL; Zipper duplex; Frequency division duplex;Time division duplex; DMT

甚高比特率數(shù)字用戶線(VDSL)的基本思想是使用單一的調(diào)制解調(diào)器，在雙絞線上支持對稱和非對稱的速率高達數(shù)十兆比特每秒的數(shù)據(jù)傳送，綜合采用先進的雙工、調(diào)制、糾錯編碼和濾波技術(shù)，使系統(tǒng)的總體性能最佳，同時實現(xiàn)與同一束電纜內(nèi)的其他業(yè)務(wù)(如POTS，ISDN，ADSL等)在頻譜上的兼容，在下行和上行傳輸方向之間以對稱或非對稱的方式共享最大速率達50 Mbit/s以上的總吞吐量，為商業(yè)和住宅用戶提供寬帶多媒體業(yè)務(wù)。

然而，實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)傳輸速率是以傳輸距離的縮短為代價的，所以VDSL系統(tǒng)要與光纖結(jié)合應(yīng)用于光纖到路邊(FTTC)這樣的結(jié)構(gòu)中。在這種結(jié)構(gòu)中，中心局(CO)與光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)之間用光纖連接，而在ONU到末端用戶之間的雙絞線對上可使用VDSL調(diào)制解調(diào)器提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時還提供模擬電話或ISDN業(yè)務(wù)。這種新的FTTC結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用需要有一個過程，且需要有大量的資金投入?；谏鲜隹紤]，目前其應(yīng)用重點放在基于CO的VDSL系統(tǒng)(即光纖到交換局——FTTE結(jié)構(gòu))上。在FTTE結(jié)構(gòu)中，頻譜兼容性問題可能是妨礙VDSL與同一束電纜內(nèi)其他現(xiàn)有數(shù)字用戶線(DSL)業(yè)務(wù)混合的最大問題。的確，VDSL面臨的最大問題是相鄰線對間的串話干擾。

離散多音(DMT)調(diào)制和Zipper雙工技術(shù)，對于克服基于CO的VDSL系統(tǒng)所面臨的困難以及處理FTTC結(jié)構(gòu)所遇到的問題都是非常適用的。

1 VDSL系統(tǒng)中的雙工方式問題

在某一可用的給定頻帶內(nèi)，電話線能夠支持一個確定的總吞吐量。如何在上、下行傳輸方向上共享這個總吞吐量，以及如何實現(xiàn)不對稱比率，這就得靠雙工方式來確定。不對稱比率是指下行與上行數(shù)據(jù)傳輸速率之比。雙工方式的一個重要特性就是能夠為電纜束內(nèi)的所有環(huán)路合理分配數(shù)據(jù)傳輸速率。

如果電纜束中的上行和下行傳輸同時使用同一頻帶，則可用的信道容量將受到近端串?dāng)_(NEXT)的嚴(yán)重影響。避免NEXT影響的雙工方式基本上有兩種：一種是時分雙工(TDD)，另一種是頻分雙工(FDD)。如果將上行和下行傳輸在時間上分隔開，則在不同時間段里可使用同一頻帶進行上/下行傳輸。如果電纜束內(nèi)的所有上/下行傳輸都是按時間同步，則NEXT就可以避免，此為時分雙工，不對稱比率就是下行傳輸時間與上行傳輸時間之比；在頻分雙工方式中，可用頻帶被劃分成不同的子帶，上行或下行傳輸分別使用不同的子帶，這就要求同一束電纜中的所有系統(tǒng)都使用同一子帶集，不對稱比率就是分配給下行傳輸方向的帶寬與分配給上行傳輸方向的帶寬之比。

由于本地環(huán)路并非捆在同一束電纜中，TDD的實現(xiàn)有一定的難度，在VDSL的標(biāo)準(zhǔn)化(如G.vdsl標(biāo)準(zhǔn))中暫不考慮采用TDD方式，所以本文從VDSL系統(tǒng)的環(huán)境、頻譜兼容性等方面對FDD(特別是Zipper)方式進行討論。

1.1 VDSL系統(tǒng)的環(huán)境

從原理上來說，特定電話線的可用信道容量是由接收端的信噪比(SNR)決定的。接收信號的功率取決于發(fā)送信號的功率譜密度(PSD)以及電話線引入的衰減。衰減隨電纜長度的增加和頻率的提高而增大。噪聲因電話線的不同而不同，可能存在以下幾種不同的噪聲源。

(1)背景噪聲：是指除由網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲(如熱噪聲)之外的所有噪聲的總稱。標(biāo)準(zhǔn)化委員會(如ITU-T的SG-15/Q4、ANSI的TIE1.4、ETSI的TM6小組等)的約定是將背景噪聲按功率譜密度為-140 dBm/Hz的加性高斯白噪聲(AWGN)進行模擬。然而，實際上背景噪聲的功率譜密度不可能是均勻的，其值通常與-140 dBm/Hz有較大的偏差。

(2)自串?dāng)_：當(dāng)多個VDSL系統(tǒng)同時工作在同一束電纜內(nèi)時，它們會通過自串?dāng)_相互干擾。即使理論上可通過雙工方式來消除自近端串?dāng)_(self-NEXT)，但仍會存在遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)。由于FEXT信號跟有用信號朝著同一方向傳輸而經(jīng)受同樣的衰減，自遠(yuǎn)端串?dāng)_(self-FEXT)功率將小于自近端串?dāng)_功率。然而對于較短的線路來說，F(xiàn)EXT通常是主要的噪聲源。

在下行傳輸方向上，F(xiàn)EXT的干擾對工作在同一束電纜內(nèi)的所有系統(tǒng)的影響是相同的；而在上行傳輸方向上，F(xiàn)EXT的干擾問題變得較為復(fù)雜，由于電纜束內(nèi)線對的長度各不相同，在功率譜密度相同的情況下，VDSL調(diào)制解調(diào)器工作在短線路上的FEXT比工作在長線路上的要強。當(dāng)然，短線路上VDSL調(diào)制解調(diào)器的有用信號也較強。所以，短線路調(diào)制解調(diào)器線對不會受損害。然而，當(dāng)這種強的FEXT加到來自遠(yuǎn)端調(diào)制解調(diào)器的信號(該信號已經(jīng)過長線路衰減)上時，如果不進行適當(dāng)處理，則長線路上可用的信道容量會受到嚴(yán)重影響。

(3)外串?dāng)_：除了上述幾種噪聲源之外，考慮工作在同一多線對電纜中的其他種類的DSL系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，稱為外串?dāng)_噪聲，它們主要工作在1.1 MHz以下的頻段。但由于非理想的低通發(fā)送濾波，在高端頻率處仍存在不少的帶外功率，它們也是組成外串?dāng)_噪聲的成份之一。外串?dāng)_和背景噪聲一起通常用所謂的噪聲掩模(Noise Masks)來建模。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，網(wǎng)絡(luò)端的噪聲掩模不同于用戶端的噪聲掩模。在用戶端，調(diào)制解調(diào)器通常在物理上是分離的(即位于不同的公寓、房屋中)；而在網(wǎng)絡(luò)端，它們甚至可能在單塊印刷電路板上實現(xiàn)。

如何將各種噪聲綜合成單一的噪聲模型來考慮，已成為標(biāo)準(zhǔn)化組織熱烈討論的課題?，F(xiàn)已有研究證明，在多線對電纜中僅僅增加信號功率會帶來很不利的后果。

1.2 頻譜的兼容性

VDSL系統(tǒng)能與銅線網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的其他系統(tǒng)同時存在是一個非常重要的問題。尤其對運營商和管理者來說，在設(shè)計新系統(tǒng)時，必須考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)的頻譜兼容性。頻譜兼容的VDSL系統(tǒng)是指不影響同一束電纜內(nèi)其他DSL系統(tǒng)的性能而正常工作的系統(tǒng)。

由于電纜束中的不同環(huán)路通常有不同的長度，向所有的用戶提供所期望的不對稱比率可能有困難，所以人們通常希望向同一束電纜中的所有用戶提供相同的不對稱比率。這樣，對同一束電纜內(nèi)的所有線對，雙工方案可根據(jù)所期望的不對稱比率盡可能合理地分配可用的信道容量。如果這一目標(biāo)無法實現(xiàn)，則VDSL的推廣應(yīng)用就存在問題。由于環(huán)路的長度不同以及與頻率有關(guān)的衰減，如果使用頻帶很少的傳統(tǒng)FDD系統(tǒng)，則要想使短環(huán)路和長環(huán)路保持同樣的不對稱比率是不可能的。其原因是任何兩個頻帶上的SNR不會完全相同地以長度的函數(shù)而變化。當(dāng)然，只對某一特定的環(huán)路長度可以保持所期望的不對稱比率。處理不對稱噪聲和SNR定標(biāo)的解決辦法是使用大量的傳輸頻帶。有了較多的頻帶，就有較大的自由度，上行和下行信道的容量就能更好地根據(jù)電纜束的長度來分配。此外，有了較多的頻帶，就能更好地利用不對稱SNR和上行功率補償。因此，將信道劃分為大量頻帶的Zipper雙工方式(在目前的標(biāo)準(zhǔn)提議中采用4 096個正交子載波)為頻譜分配提供了一個有效的解決方案。

2 Zipper雙工方式

Zipper雙工技術(shù)使用數(shù)字的方式分割上行頻帶和下行頻帶。其主要優(yōu)點是不需要隔離頻帶；頻譜的利用可編程，可以隨時對頻譜的使用作調(diào)整；無需工作人員來到接入節(jié)點，遠(yuǎn)端的調(diào)制解調(diào)器不需要用戶的任何干預(yù)就能采用新的頻譜分配方案。

Zipper雙工方式基于DMT調(diào)制技術(shù)，通過在上行和下行傳輸方向上分別使用不同的正交子載波來分配信道的有用帶寬，它是一種無濾波器的數(shù)字頻分雙工技術(shù)。Zipper的概念，最早由Telia Research AB的研究人員提出。目前，從事Zipper-VDSL研究的主要是瑞典的Telia Research AB公司與STMicroelectronics公司。Zipper的意思是指將不同傳輸方向的帶寬像拉鏈似地交錯在一起(如圖1所示)，以使雙絞線的上下行速率配置更為靈活。

Zipper雙工方式實際上可看成是一種具有很多頻帶的FDD。具有2 048個正交子載波的Zipper系統(tǒng)可看成是具有2 048個頻帶的FDD系統(tǒng)。然而，這里的不同頻帶是相互重疊，但在數(shù)學(xué)上是相互正交的。每個頻帶可以按需動態(tài)靈活地分配給上下行信道，所以可以實現(xiàn)任意的不對稱比率，且通過軟件可靈活設(shè)置對稱與非對稱模式。Zipper在分配頻帶上的靈活性可以使Zipper-VDSL調(diào)制解調(diào)器能夠支持目前無法預(yù)料到的一些新業(yè)務(wù)。例如，在上班時間，許多用戶想用會議電視系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程交流，這就需要對稱的數(shù)據(jù)傳輸速率；但在晚上，大部分用戶又可能需要不對稱的數(shù)據(jù)傳輸速率進行網(wǎng)上沖浪、視頻點播等等。

對于傳統(tǒng)的FDD，為了抑制由近端回波和NEXT產(chǎn)生的干擾，通常用模擬濾波器來分割頻帶。這些濾波器復(fù)雜且昂貴，并以隔離頻帶的形式浪費了有用的頻譜。此外，模擬濾波器一旦被實現(xiàn)就不易改變，如遇問題需到接入節(jié)點處理，從而提高了網(wǎng)絡(luò)運營管理的成本。而Zipper技術(shù)允許在上行和下行信道之間按幾乎任意的比例動態(tài)地分割帶寬，且無需復(fù)雜的可調(diào)通帶模擬濾波器組。

2.1 近端回波和正交性

在圖2中，A端有兩個DMT發(fā)送機：Tx A和Tx B。如果每個發(fā)送機分別使用可用載波集中的不同子載波，而且它們發(fā)送的每個DMT符號的邊界在時間上是對齊的(即發(fā)送的符號定時是相同的)，則可以將Tx A和Tx B的發(fā)送信號相加后在線路上傳輸。如果符號的邊界不對齊，則B端的接收機Rx的解調(diào)過程會失去子載波間的正交性。

如圖3所示，將圖2中的Tx B移到B端。B端的接收機Rx B將解調(diào)來自Tx A的接收信號，發(fā)送機Tx B使用Tx A所用載波集的補集向?qū)Χ税l(fā)送DMT符號。對于理想信道，這種用不同的子載波來分割頻譜的方法是相當(dāng)直截了當(dāng)?shù)摹Ｈ欢鴮嶋H上，一部分Tx B發(fā)送信號會產(chǎn)生泄漏或反射，并疊加到來自Tx A的接收信號上，稱之為近端回波。它是由線路上的阻抗變化(即線徑變化或橋接抽頭)及通過非理想的混合電路產(chǎn)生的泄漏而引起的。

為了便于討論，我們假設(shè)只有一個反射點，則只有一個Tx B發(fā)送信號的副本疊加到Tx A信號上。最壞的情形是來自Tx B的泄漏信號沒有延遲，實際上這是最強的混合電路泄漏。那么，是否有可能將來自Tx A的有用信號的符號邊界與泄漏信號的符號邊界對齊，使得Rx B將它們看成是來自同一DMT發(fā)送機的信號(即接收信號中的所有子載波是正交的)？倘若考慮傳播延遲，則答案是肯定的。如果兩端的發(fā)送機是同步的，并在同一時刻開始發(fā)送每個DMT符號，則由于不同的傳播延遲，信號將在不同的時刻到達Rx B。

為了保持正交性，要讓Tx B等待一會，稍后發(fā)送；或延伸DMT符號的循環(huán)擴展，使之能掩蓋信道的傳播延遲。如果采用前一種方法，即調(diào)節(jié)Tx B或Tx A的發(fā)送定時，當(dāng)擴展到雙工傳輸時，在另一端也存在同樣的問題。所以，在Zipper方案中，不是使用調(diào)節(jié)定時的辦法，而是使用附加循環(huán)后綴(CS)的擴展方法。這樣對于同時發(fā)送，由于有了足夠長的循環(huán)后綴，接收信號和回波信號將對齊疊加，所以每一個由快速傅里葉變換處理的數(shù)據(jù)塊都將保持正交性。

2.2 循環(huán)后綴和符號定時

Zipper雙工方案通過使用循環(huán)后綴(CS)和兩端發(fā)送機的同步符號定時來解決回波問題。CS是附加在DMT符號末尾的第2個隔離保護時間，并用若干個符號首部的樣本值填充。CS的時間長度至少是電纜的單方向傳播延時，以保證接收到的有用信號與所有延時不超過單方向傳播延時的回波信號是正交的。在Zipper-VDSL標(biāo)準(zhǔn)的提議中，循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的聯(lián)合長度的缺省取值能掩蓋信道的傳播延遲和脈沖響應(yīng)，因而不需要時域均衡器。

2.3 自近端串?dāng)_與網(wǎng)絡(luò)同步

如果同一束電纜內(nèi)的所有系統(tǒng)使用同樣的上下行方向的載波集，則完全可以把NEXT當(dāng)作近端回波處理。由于NEXT起源于與接收機同處電纜同一端的發(fā)送機，所以，使NEXT與近端回波信號一樣跟接收信號呈正交是可能的。然而，這要求同一束電纜內(nèi)的所有發(fā)送機都要在時間上同步。僅當(dāng)所有的發(fā)送機具有相同的符號定時和符號速率(即所有的DMT系統(tǒng)需要有相同長度的CS)時，才能保持正交性。由于存在許多不同運營商的網(wǎng)絡(luò)，要使所有的發(fā)送機保持嚴(yán)格的時間同步是很困難的。以下討論的脈沖成形與加窗技術(shù)將使Zipper-VDSL也能在異步模式下工作，即放寬了對系統(tǒng)同步的要求。

2.4 脈沖成形技術(shù)與加窗技術(shù)

在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)送端增加脈沖成形，接收端進行加窗處理，可以使系統(tǒng)的性能有較為明顯的提高。在進行脈沖成形之前，先在原來的DMT的符號(2N個樣本值)前后分別增加β/2個附加樣本值，然后通過成形濾波器對這個樣本值進行成形，得到如圖4所示的圖樣。這樣做的優(yōu)點是使DMT的頻域邊帶得到了明顯抑制，帶外功率密度可以降低約30 dBm/Hz。由此可以使Zipper-VDSL更好地與ADSL，F(xiàn)DD-VDSL實現(xiàn)頻譜兼容，即允許這些業(yè)務(wù)在同一束電纜中傳輸。

加窗技術(shù)是指在接收端采用對稱的時域窗(如升余弦窗)截取所需的DMT符號。為保證DMT信息不受損失，要求窗口的滾降部分正好落在CP(循環(huán)前綴)與DMT符號之間及DMT符號與CS之間的μ個樣本值的中間，如圖4所示。采用加窗的方法可以有效地抑制射頻干擾(RFI)，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

脈沖成形與加窗技術(shù)的代價是降低系統(tǒng)的效率，使系統(tǒng)效率降低約3%左右，這與它帶來的系統(tǒng)增益相比是微不足道的。脈沖成形與加窗技術(shù)的最大好處是使異步Zipper-VDSL成為可能。發(fā)端脈沖成形可有效地減少NEXT的帶外功率；收端加窗則進一步降低了接收到的非正交NEXT信號功率。

2.5 與ADSL的互操作性

VDSL和ADSL之間的互操作性問題在相關(guān)VDSL的標(biāo)準(zhǔn)化會議上很引人注意?；ゲ僮餍砸馕吨鳹DSL和ADSL調(diào)制解調(diào)器不僅在頻譜上要兼容(尤其要有同樣的子載波間隔)，而且VDSL調(diào)制解調(diào)器能夠仿真ADSL調(diào)制解調(diào)器?；ゲ僮餍缘膬?yōu)點是，運營商可以在ADSL和VDSL系統(tǒng)中使用單一類型的線路板；如果用戶想變更業(yè)務(wù)，或者有要求不同業(yè)務(wù)的新用戶加入，運營商也能容易實現(xiàn)；用戶本身也能較容易地變更業(yè)務(wù)或選擇其他運營商，而無需購買新的調(diào)制解調(diào)器；有利于從基于交換局的安裝平穩(wěn)地過渡到FTTC結(jié)構(gòu)；通過運營管理系統(tǒng)就能將ADSL用戶升級為VDSL用戶。

從技術(shù)角度來看，通過軟件的升級，基于DMT和Zipper雙工技術(shù)的VDSL調(diào)制解調(diào)器可以做到與ADSL調(diào)制解調(diào)器進行互操作。因為Zipper使用了大量的子載波，每個子載波可以動態(tài)地分配給上行信道或下行信道，從而實現(xiàn)在任何時間達到任意的不對稱比率。也正是它在各子載波分配上的靈活性，使得Zipper-VDSL可以與其他系統(tǒng)靈活地實現(xiàn)頻譜兼容。

3 結(jié)束語

Zipper多載波雙工方案是FDD向數(shù)字化實現(xiàn)的重要突破，它是傳統(tǒng)DMT線路編碼的一種變型，通過增加循環(huán)后綴并在收發(fā)兩端對DMT符號進行脈沖成形和加窗處理來實現(xiàn)。基于Zipper的FDD方案的固有優(yōu)點是能夠靈活地分配上、下行傳輸頻帶。基于DMT的Zipper-VDSL調(diào)制解調(diào)器能夠很自然地與現(xiàn)有ADSL調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)后向互操作。這一特性可以統(tǒng)一ADSL和VDSL的市場，Zipper-VDSL將成為銅線寬帶接入的一大技術(shù)熱點?！?/p>

參考文獻

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(收稿日期：2001-06-14)

作者簡介

盧官明，南京郵電學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，博士。目前主要研究方向為圖像處理與多媒體通信。