基于XDSL串扰噪声的应对技术分析研究

王世峰+张宇驰

收稿日期：2013-07-02

作者简介：王世峰（1971—），男，湖南常德人，讲师，硕士，研究方向：电子与通信工程。

通讯联系人，E-mail：hngy-wsf@qq.com

文章编号：1003-6199（2014）03-0073-06

摘 要：在DSL运行环境中，由于电缆内部线对间的非屏蔽而存在电磁耦合导致的串扰。串扰噪声造成XDSL速率下降甚至重训练，影响业务质量。本文对串扰导致的性能损失和导致重训练的原因进行分析并且就解决串扰导致稳定性问题的方法进行探讨。

关键词：噪声容限；串扰；自适应速率调整；虚拟噪声；人工噪声

中图分类号：TN913.8 文献标识码：A

Analysis of Crosstalk Noise Response Technology Based on XDSL

WANG Shi-feng1，2，ZHANG Yu-chi2

（1. Huazhong University of Science & Technology，School of Optical and Electronic Information，Wuhan， Hubei 430074，China；

2.Hunan Industry Polytechnic，Department of Electrical Engineering，Changsha， Hunan 410208，China）

Abstract：In the DSL environment，Because the cable internal line of unshielded and crosstalk caused by electromagnetic coupling，Crosstalk noise caused by XDSL rate decreased very repetitive training and effect of service quality. In this paper， analyses the causes of the crosstalk performance loss caused by the training and discusses the method to solve the stability problem of crosstalk.

Key words：noise margin；crosstalk；adaptive rate adjustment；virtual noise；crosstalk

1 前 言

XDSL是利用传统电话业务所用的双绞线的电话线以上的高频部分，提供高速接入带宽，将接入网络从窄带带入了宽带时代。XDSL技术着眼于提供更高的频，语音和数据三重播放（3-play）的需求。为了满足语音，图像和数据3-play的需求，ADSL2+使用2.2MHz的频谱，最大下行速率可达28Mbps，而XDSL则使用频带高达30MHz，最高速率达到上下行对称100Mbps[2]。除了带宽之外，由于三种业务的特点而对信道的要求各不相同，语音业务要求整个链路的时延小于250ms；HDTV要求误码率低于10-10，但是对时延的敏感程度不高；而数据业务，尤其是采用TCP协议传输的数据业务，因为需要确认以及出错重传，因而时延或者是误码都会显著降低实际可用的带宽[1]。

由于XDSL所用的双绞线各线对之间是非屏蔽的，因而线对之间存在相互的串扰，此外由于外部干扰而导致的脉冲噪声以及环境参数（比如温度、湿度）变化而导致的信道参数变化，构成了XDSL信道的主要噪声，这些噪声会影响造成传输无码影响XDSL的性能和稳定性[4]。

2 串扰问题的影响

XDSL的串扰主要有两种，近端串扰和远端串扰，如图1所示。

由于VDSL2的传输距离较短，其主要应用模式为FTTx+XDSL的方式，比如中国电信的FTTB+VDSL2，此时VDSL2和来自于局端的ADSL DSLAM共用电缆而形成了下图所示的所谓远近场景[5]。这种情况下RT DSLAM对于局端DSLAM的串扰的影响有可能导致业务无法开展。

2.1 近串（NEXT）的影响

近端串扰的计算公式如下：

NEXT[f，n]=S（f）·XN·n0.6·f3/2·（1-|H（f，L）|4）（1）

这里XN=8.536×10-15， n=串扰源的个数， f是频率，单位Hz， L为近串耦合长度，|H（f，L）| 是长度为L的线路表现出来的插入损耗的幅度值，S（f）为串扰源在耦合起点处的信号功率谱密度。从上式可以看出，近端串扰大致是与频率的二分之三次幂成正比的，也就是说，频率越高，串扰越严重。

由于XDSL使用FDM方式，一般而言近端串扰属于带外干扰，使用滤波器可以消除这种串扰对接收通道的影响。但是特别大的近端串扰会导致接收通道模拟部分过载饱和或者降低接收信道的信号接收灵敏度。比如长短线的情况下，近端串扰很大，而信号经过很长的线路衰减后变得很弱，此时接收通道的动态范围大部分被串扰信号所占据，从而信号的灵敏度降低因而信噪比下降。

2.2 远串（NEXT）的影响

远串计算公式如下：

FEXT[f，n，l]=S（f）·|H（f）|2·XF·n0.6·l·f2（2）

其中|H（f）| 是线路插入损耗，体现为线路对于信号源的衰减，一般用对数表示。XF=7.74×10-21，l是耦合长度（单位是英尺），其他参数与近串含义相同。

FEXT具有频率选择性特征。考虑到对于串扰和被串扰系统的位置相同的情况，信道插入损耗|H（f）|与线路长度成正比（长度越大，插损越大），因此远串与长度成反比，也就是说线路越长，线路对串扰信号的衰减也越大[3]。此外|H（f）|还与f1/2成正比，因此串扰随f增大而增大，这就是为什么XDSL受的串扰影响大于ADSL的原因，一方面线路长度较ADSL短（一般l小于1.5km），另一方面XDSL频率远高于ADSL。

XDSL的之间的FEXT串扰一般都与接收通道处于同一频带，无法用滤波器滤去。FEXT除了导致信噪比下降而降低线路连接速率外，更大的问题是串扰并不是一个稳定的噪声。因为作为串扰源的用户并不总是在线上的。如果训练时串扰源不存在，则用户因为噪声较低得到较高的速率。这样showtime后才出现的串扰噪声会导致噪声容限不足。由于这种噪声往往是随着用户上线而突然出现的，轻则造成误码，重则造成重训练而中断业务，如图3所示。

3 应对串扰的噪声容限（Noise margin）

技术

为了避免噪声变化引起误码，一般采用noise margin的方法。因此根据串扰的变化预留更多的margin也可以避免噪声突变引起误码。比如说，在没有串扰时的margin一般用6dB，假设所有用户都上线带来的串扰导致噪声增大（最大值）为a dB，这样只要将训练时的目标噪声容限设置为a+6dB就可以避免串扰突然增加带来的误码。

但是noise margin是一个平坦的值，而根据公式（2），在一定的长度时串扰是频率的函数，因此使用平坦的margin会不分青红皂白的将所有子载波的承载比特数降低，性能牺牲太大。图4说明了这个观点。

这种方法还有一个问题就是在设置参数时无法事先估计噪声的大小。假设训练时已经是最大串扰情况，此时再增加dB是没有必要的，而且会严重地降低线路速率。

为了避免这个问题，可以根据串扰的形状为每一个子载波预留必要的margin，但是标准中只定义了一个针对所有子载波的margin。为每一个子载波设置margin将极大的增加网管的工作量，因此难以实施。

4 应对串扰的动态在线重配置技术

（OLR，On Line Reconfiguration）

为了应对环境参数缓慢变化带来的影响，目前的标准都定义了一些在线重配置的动态特性，根据信道变化而动态改变运行参数，以保证margin处于目标范围。到目前为止主要应用的OLR有bit swap和SRA（Seamless Rate Adaptation）。

Bit swap的原理是，接收器监视每一个子载波的信噪比，如果某个或几个子载波的信噪比不足以承载原来承载的比特（比如因为窄带噪声的影响），接收器将请求发送器增加这个子载波的发送功率（如果还有空间的话）或者是请求将这个比特转移到另外一个比较好的子载波上，这样就能解决少数子载波的信噪比变化带来误码的问题。

Bit Swap并不改变总的速率，而SRA则通过动态的改变线路速率来维持margin的范围。下面的图5说明了SRA的原理：

1）接收端监测通道的SNR，并且决定当通道环境改变时是否需要调整速率。

2）当margin超过预定的upshift noise margin和downshift noise margin并且持续时间超过预定的时间间隔 time interval时，接收端向发送端发送消息，要求开始调整速率，此消息包含进行速率调整所需所有参数，包括每个子信道调制的比特数、发送功率等。

3）发送端向接收端发送一个同步标记，表示确切调整速率的时间。

4）接收端检测到同步标记，于是两端同时开始新速率传递。

这种方式不需要中断业务，因而能实时动态调整线路的运行参数。这里的时间间隔是为了避免持续时间很短的噪声导致不必要的调整。

动态调整一个子载波或者所有子载波的功率有可能导致串扰环境的改变，因而影响其他用户的运行，因此这里面实际上存在一些风险。此外由于SRA需要交换bi&gi表，这个消息很长，在margin很低时有可能出错而导致SRA失败。正如前面所说，串扰往往是突变的，因此需要长时间SRA相对于对于解决这个问题串扰是力不从心的。

5 应对串扰的虚拟噪声virtual noise技术

采用预设模拟串扰的虚拟噪声来实现预留margin的要求。首先根据线路参数计算最大串扰情况下的噪声PSD，这个噪声PSD作为预设的一个实际并不存在的噪声用于接收机在XDSL的信道分析阶段计算信噪比。在训练和showtime期间计算信噪比时，接收器还测量实际噪声RN并且和虚拟噪声VN进行比较，取其中较大者作为噪声去除信号功率得到信噪比。由于虚拟噪声一般设置得比实际噪声大，因此计算信噪比时更多用的是虚拟噪声。这样得到的用于承载bit的信噪比要低于实际值，因此实现了预留margin目的，这样尽管收发器训练时邻居用户没有上线，也会按照所有用户上线的情况计算训练的速率，因此会得到一个比实际情况要低的速率。如下式所示：

SNR（i）=P（i）×H（i）2Max[|VN（i）|，|FEXT（i）+σ2|]（3）

SNR（i）=P（i）AN（i）×H（i）2|FEXT（i）+σ2|=

P（i）×H（i）2AN（i）+|FEXT（i）+σ2|

式中P（i）为发送信号功率，H（i）是信道的传递函数，VN（i）为虚拟噪声，FEXT（i）为串扰噪声，σ2为白噪声。由于VN（i）并不是真实存在的噪声，而是仅用于计算信噪比引入的虚假的噪声，所以被称为虚拟噪声。

考虑到串扰的幅度还与长度有关，而在设置虚拟噪声时一般不知道长度。为了便于实施，采用直接设置在发送侧的参考噪声的方法，接收器根据这个参考噪声和线路的传递函数来计算出虚拟噪声：

Received_Virtual_Noise_PSD=H（f）2×TXREFVN（4）

这里的TXREFVN是指发送端的虚拟噪声参考值，H（f）2是接收器测得的线路衰减：

H（f）2=Actual_Received_Signal_PSDActual_Transmit_Signal_PSD（5）

除此之外，还可以在接收端使用MIB PSD类似的方式直接配置VN的PSD 断点值，DSL收发器会根据标准的定义自动插值得到整个VN PSD的值。

Virtual noise尽管能提高稳定性，避免串扰增大导致的误码或者重训练，但是为了达到这一目的，virtual noise通常采用最坏情况下估计值，也就是说这是一种在所有时间都采用最大噪声，因而牺牲了连接速率来换取稳定性和低误码率的。此外虚拟噪声需要发送和接收端配合，对于已经布放的设备来说，升级成本导致VN在这种场景下实际上很难使用。

6 人工噪声

为了解决VN需要发送和接收端配合带来的用户端设备升级的问题，可以将在发送端的信号中加扰，加扰的信号就是假设接收端的串扰噪声是从发送端发送的经过线路衰减的信号，从而根据接收端的串扰噪声和线路衰减反推得到的发送端串扰信号。这就是所谓的人工噪声（Artifical Noise）技术。与VN只是用来计算信噪比时假设的一个实际上并不存在的噪声不同，而AN则是一个根据上述规则人工生成并且混在发送信号中和有用信号一并发送到线路的真实噪声。假设人工噪声为AN（i），这样实际的发送信号就变成了P（i）和AN（i）的时域叠加的信号，其信噪比如下：

SNR（i）=P（i）AN（i）×|H（i）|2|FEXT（i）+σ2|

=P（i）×|H（i）|2AN（i）+|FEXT（i）+σ2|（6）

当分母中的AN（i）远大于串扰和白噪声之和时，信噪比将只取决于AN（i）。人工噪声的具体实施方法是在收发器初始化的信道分析阶段，发送正常的信号和人工噪声的时域合成信号，这样接收端在计算信噪比时将人工噪声计算在内。而进入showtime后则关闭人工噪声，这样接收端的信噪比提高实现了噪声容限的预留。

人工噪声避免了需要收发器配合的问题，但是因为是在发送信号中混入真实的噪声，这样当一根电缆中的所有用户都在线上的时候，用于计算信噪比的噪声将比最坏情况还要大3dB，导致过保护以及速率受到进一步的损失。此外人工噪声在showtime时关闭，接收信噪比提高，如果此时打开了bit swapping，则bit swapping会通过调整bit分配或者功率分配将噪声容限拉平使得AN的作用被擦掉。而若是打开了SRA功能，OLR将会通过调整bit分配，调整速率或者调整功率分配将预留的噪声容限消掉。因此是必要将这些功能关闭才能保留AN的作用。而bit swapping是为应对窄频噪声而设置的，关掉它会影响相应的抗窄频干扰的能力。

7 紧急速率降低避免重训练（SOS）

虚拟噪声的方案实质上是通过设置一个很大的虚拟噪声，使得XDSL始终运行在最坏情况（不管实际上是不是这样）以降低所有时段的运行速率来换取串扰增大时的稳定。为了保证最坏情况下的稳定运行，虚拟噪声应比最坏情况更高，实际上很多时候线路并不是处于最坏情况，因此这种方案对于性能的牺牲太大，不能充分发挥线路的容量。而SRA因为响应速度太慢、交互的消息太多而不足以应对串扰的突然增加。如果能解决SRA的这个问题，就可以快速响应串扰的跳变。这就是所谓的紧急速率降低SOS技术。其具体思路如图6所示。

事先将VDSL2的整个频段的子载波划分为多个载波组。在线路运行时接收器监测这些组内部分子载波的信噪比。如果出现突然增大的宽带持续噪声，信噪比有可能下降到噪声容限为负值。接收器在很短的时间内（～100ms）测量当前的信噪比得到信噪比的跌幅，并换算成需要削减的bit数，然后接收器通过一个鲁棒eoc通道发送一个SOS请求消息。为了简化消息的长度，每一个载波组内的子载波使用相同的bit削减值。消息的主要内容为按照升序排列的每一个组的比特削减值bri，再加上一些其他的内容，总长度为NTG/2+15字节，这里NTG是载波组的个数。发送器收到这个消息后，如果同意执行SOS，就发送一个同步消息。在该同步消息后的第66个符号双方同时切换到新的bi表。为了降低消息量并且避免产生不稳定噪声，gi表维持不变。由于这测量时间很短，信噪比的测量结果精度较低，因此SOS后的速率不一定最优。因此SOS后可以使用SRA可以进行微调。为了使用SOS，发送端和接收器之间需要交换一些参数配置。这里面最重要的是子载波组的分组（子载波组的个数以及位置），这个分组应该由接收端来确定，因为接收端最清楚可用的频谱子。建议子载波组包含子载波数最多不超过128个，子载波组之间不允许重叠。为进一步保护SOS的交互消息不被串扰噪声破坏，标准还定义了所谓的鲁棒eoc（嵌入式操作通道）通道，通过使用预留很大的噪声容限等方法提高其可靠性。由于eoc通道带宽很低，因此即使预留超大的噪声容限也不会导致整个线路速率收到明显的影响。

当然SOS降低降低速率时，一些视频业务可能会受到影响，但是这个速率能够使得控制消息链路得以保持。另外根据视频编码和压缩技术中，视频数据帧一般分为基础数据帧、预测运动的数据帧以及表征图像精细结构的数据帧。以MPEG为例，视频压缩编码后包括三种元素：I帧（I-frames）、P帧（P-frames）和B帧（B-frames）。而且在一个MPEG帧序列中，不同帧的重要程度是不同的。其中I帧为最为重要的关键帧，I帧的丢失将导致其后的P帧和B帧无法正常解码，严重影响视频质量；P帧为次重要的关键帧，P帧丢失会影响B帧和其后的P帧的解码，P帧经常带来可见的视频质量劣化；B帧为非关键帧，B帧丢失只会影响本身，只非常有限的影响画面的精细程度，影响很小，B帧丢失数量较少时，对画面质量影响基本可忽略。因此SOS后如果可以选择只传I帧或者是I帧和P真，这样视频可以不中断，只是暂时的质量下降而已。或者设定最低保留速率，比如说将保留速率设置为80%，这样SOS降低速率将不会低于这个值，。再配合上层的流控策略，将视频和音频的优先级设置为高于高速上网业务，这样SOS动作时首先影响上网这种对瞬时误码不敏感的业务，视频业务体现得到保证。

8 结 语

应对串扰突变这种噪声的方法可以归结为两类：一类是静态的方式，如预留噪声容限，虚拟噪声和人工噪声。另一类是动态的方式，如SOS。静态方式的优点是稳定可靠，代价则是XDSL始终运行在过保护状态下，速率损失太大，或者是为了保证业务速率而发送过大的信号功率导致串扰增大同时功耗增大，不符合当前节能减排的国际趋势。这在VDSL中尤其明显，当串扰处于最大情况时，线路速率将下降到原来的一半左右。但是实际上线路处于最坏串扰的情况并不多。因此使用静态的技术不利于发挥线路的潜力。而动态的技术则根据线路的实际噪声动态的调整线路速率，其优点是能充分挖掘线路的潜力。其缺点是速率不固定从而可能会影响业务，但是辅之以上层的业务优先级调度策略可以最小化其影响。

较好的方法是将这两者组合起来使用。设置将小的VN或者AN，达到保护需要保护的业务的速率，而将优先级低的业务速率用SOS来速率最优。这样技术SOS动作，其速率也不会降到高优先级业务所需速率以下，对用户的业务体验的影响被最小化。当然这两者如何将好的配合还需进一步研究。受限于篇幅，本文不再深入探讨。

参考文献

[1] ITU-T recommendation G.996.1.Test procedures for digital subscriber line （DSL） transceivers[S]. ITU-T Study Group 15（1997-2000）， WTSC，1999：134.

[2] ITU-T recommendation G.998.2（2005）.Asymmetric digital subscriber line transceivers 2 （ADSL2）[S]. ITU-T Study Group 15（2005-2008）， WTSC，2005：182.

[3] ITU-T Recommendation G.993.2-2006：Very high speed digital subscriber line transceivers 2[S]. ITU-T Study Group 12 （2001-2004），WTSC， 2006：252.

[4] 汪坤.一种改进的双绞线测试和评估方法[J].现代电信科技，2007，8（8）：43-47.

[5] 中国通信行业标准协会.YD＼＼T 1239-2002 接入网技术要求-第二代甚高速数字用户线（VDSL2）[S].北京邮电大学出版社，北京：中华人名共和国通信行业标准，2008：78-89.

8 结 语

应对串扰突变这种噪声的方法可以归结为两类：一类是静态的方式，如预留噪声容限，虚拟噪声和人工噪声。另一类是动态的方式，如SOS。静态方式的优点是稳定可靠，代价则是XDSL始终运行在过保护状态下，速率损失太大，或者是为了保证业务速率而发送过大的信号功率导致串扰增大同时功耗增大，不符合当前节能减排的国际趋势。这在VDSL中尤其明显，当串扰处于最大情况时，线路速率将下降到原来的一半左右。但是实际上线路处于最坏串扰的情况并不多。因此使用静态的技术不利于发挥线路的潜力。而动态的技术则根据线路的实际噪声动态的调整线路速率，其优点是能充分挖掘线路的潜力。其缺点是速率不固定从而可能会影响业务，但是辅之以上层的业务优先级调度策略可以最小化其影响。

较好的方法是将这两者组合起来使用。设置将小的VN或者AN，达到保护需要保护的业务的速率，而将优先级低的业务速率用SOS来速率最优。这样技术SOS动作，其速率也不会降到高优先级业务所需速率以下，对用户的业务体验的影响被最小化。当然这两者如何将好的配合还需进一步研究。受限于篇幅，本文不再深入探讨。

参考文献

[1] ITU-T recommendation G.996.1.Test procedures for digital subscriber line （DSL） transceivers[S]. ITU-T Study Group 15（1997-2000）， WTSC，1999：134.

[2] ITU-T recommendation G.998.2（2005）.Asymmetric digital subscriber line transceivers 2 （ADSL2）[S]. ITU-T Study Group 15（2005-2008）， WTSC，2005：182.

[3] ITU-T Recommendation G.993.2-2006：Very high speed digital subscriber line transceivers 2[S]. ITU-T Study Group 12 （2001-2004），WTSC， 2006：252.

[4] 汪坤.一种改进的双绞线测试和评估方法[J].现代电信科技，2007，8（8）：43-47.

[5] 中国通信行业标准协会.YD＼＼T 1239-2002 接入网技术要求-第二代甚高速数字用户线（VDSL2）[S].北京邮电大学出版社，北京：中华人名共和国通信行业标准，2008：78-89.

8 结 语

应对串扰突变这种噪声的方法可以归结为两类：一类是静态的方式，如预留噪声容限，虚拟噪声和人工噪声。另一类是动态的方式，如SOS。静态方式的优点是稳定可靠，代价则是XDSL始终运行在过保护状态下，速率损失太大，或者是为了保证业务速率而发送过大的信号功率导致串扰增大同时功耗增大，不符合当前节能减排的国际趋势。这在VDSL中尤其明显，当串扰处于最大情况时，线路速率将下降到原来的一半左右。但是实际上线路处于最坏串扰的情况并不多。因此使用静态的技术不利于发挥线路的潜力。而动态的技术则根据线路的实际噪声动态的调整线路速率，其优点是能充分挖掘线路的潜力。其缺点是速率不固定从而可能会影响业务，但是辅之以上层的业务优先级调度策略可以最小化其影响。

较好的方法是将这两者组合起来使用。设置将小的VN或者AN，达到保护需要保护的业务的速率，而将优先级低的业务速率用SOS来速率最优。这样技术SOS动作，其速率也不会降到高优先级业务所需速率以下，对用户的业务体验的影响被最小化。当然这两者如何将好的配合还需进一步研究。受限于篇幅，本文不再深入探讨。

参考文献

[1] ITU-T recommendation G.996.1.Test procedures for digital subscriber line （DSL） transceivers[S]. ITU-T Study Group 15（1997-2000）， WTSC，1999：134.

[2] ITU-T recommendation G.998.2（2005）.Asymmetric digital subscriber line transceivers 2 （ADSL2）[S]. ITU-T Study Group 15（2005-2008）， WTSC，2005：182.

[3] ITU-T Recommendation G.993.2-2006：Very high speed digital subscriber line transceivers 2[S]. ITU-T Study Group 12 （2001-2004），WTSC， 2006：252.

[4] 汪坤.一种改进的双绞线测试和评估方法[J].现代电信科技，2007，8（8）：43-47.

[5] 中国通信行业标准协会.YD＼＼T 1239-2002 接入网技术要求-第二代甚高速数字用户线（VDSL2）[S].北京邮电大学出版社，北京：中华人名共和国通信行业标准，2008：78-89.