用于低功率模式的分时的制作方法

本申请涉及用于通信系统中的低功率模式的分时。

背景技术：

接入通信市场的最近趋势显示，由VDSL系统使用ITU-T推荐技术标准g.993.5中所定义的向量化(Vectoring)提供的高达100Mb/s的数据速率并不充足，且对于某些应用需要高达1.0Gb/s的位速率。当前，在基于导线的系统中，这只有在连接客户驻地设备(CPE)的铜线对短至50-100m的情况下才能实现。使用如此短的环路来运行需要安装许多小型街道/MDU(多住宅单元)机柜，所述机柜称为分配点(DP)，所述分配点旨在服务于极少数目个客户(例如，16或24个)且经由光纤连接到主干网(光纤到分配点FTTdp)。

在依据DP运行的系统中可使用向量化来减少远端串扰(FEXT)，这是获得高位速率绝对必要的。为提高能量效率并降低硬件复杂性，对FTTdp使用同步化时分双工(S-TDD)。

DP应能够有非常灵活的安装方法：其应为轻的且易于安装在杆或房屋墙壁上或地下室中，且无需进行空气调节。对于这些灵活的连接计划，最具挑战性的问题是为DP提供电力。已找到的仅有解决方案是所谓的“反向馈电”，即由所连接客户为DP的设备馈电。对反向馈电的需要、以及DP的小尺寸暗示了对DP功率消耗具有实质性限制。

因此，亟需一种方法减少DP的功率消耗。

在FTTdp通信中，已提出不连续运行来节省功率。然而，不连续运行给线路加入过程增加了某一复杂性且降低了可实现的位速率。

另一方面，降低峰值位速率意味着，用以提供既定数据速率的传输时间增加，且这会减少功率节省。

在常规方法中，在共享一个电缆接合器的多个线路中断传输时维持稳定性、位错误率及传送功率约束可能会使得性能降级。

附图说明

图1例示根据实施例的通信系统；

图2例示根据实施例用于分时的帧格式；

图3例示在不连续运行处于静态模式的情况下两个时分双工帧的实例；

图4例示根据实施例在不连续运行处于准静态模式的情况下两个时分双工帧的实例；

图5显示在不连续运行处于动态模式的情况下两个时分双工帧的实例；

图6例示在无不连续运行时的数据速率与处于准静态运行时的峰值速率之间的比较；

图7是例示对于最小配置在时分双工帧内的数据速率指派的图，整体接通时间是51％；

图8显示对于分时在时分双工帧内的实例性数据速率指派，其中整体接通时间是48％；

图9例示用于线路加入的方法；

图10例示根据实施例用于线路加入的方法；

图11例示具有线性预编码器的下行系统模型；以及

图12例示具有线性均衡器的上行系统模型。

具体实施方式

将在下文参照附图详细地描述实施例。应注意，这些实施例仅用作例示性实例，而不应理解为限制性。举例来说，尽管可将实施例描述为具有众多细节、特征或元件，但在其他实施例中，这些细节、特征或元件中的一些可被省略及/或可由替代特征或元件取代。在其他实施例中，可另外或替代地提供除明确描述的特征、细节或元件之外的其他特征、细节或元件。

下文所述的通信连接可以是直接连接或间接连接(即，具有或不具有额外中间元件的连接)，只要保持所述连接的一般功能(例如，传送某一种类的信号)即可。除非另有说明，否则连接可以是无线连接或基于导线的连接。

在某些实施例中，在低功率模式中使用分时，在某些实施例中，分时可克服由不连续运行引起的问题。

在某些实施例中，在向量化系统中使用分时。在某些实施例中，可提供用于将线路加入到向量化群组的机制。

在某些实施例中，提供分时低功率模式。

某些实施例可包括对不同的被停用线路集合使用不同位负荷表及增益表。

某些实施例可包括在其他线路处于低功率模式时增加有效线路的位速率。

某些实施例可包括使每一配置的数据速率最大化以缩短传送时间。

某些实施例可包括对于特定目标速率选择不同配置的传送时间以使功率消耗最小化。

某些实施例可包括重新计算传送时间以适应比目标速率低的实际速率。

某些实施例可包括重新计算传送时间以适应比目标速率高的峰值速率。

在某些实施例中，提供低功率模式加入序列。

某些实施例可包括基于经简化估计及对所述估计运行的优化而预测不同配置的速率。

某些实施例可包括识别一组有效配置并计算有效配置的增益及位负荷。

某些实施例可包括使用分时来适时地将加入配置与有效配置分离。

在某些实施例中，提供分时协议。

在某些实施例中，所述协议可包括TDD帧更新命令。

在某些实施例中，所述协议可包括配置更新命令。

在某些实施例中，所述协议可包括每配置链路质量管理。

现在转到各图，在图1中，显示根据实施例的通信系统。图1所示系统包括与多个CPE单元14-16进行通信的提供商设备10。尽管图1中显示了三个CPE单元14-16，但此仅用作实例，且可提供任一数目个CPE单元。提供商设备10可以是中央局设备、分配点(DP)中的设备、或在提供商侧上所使用的任一其他设备。在提供商设备10是分配点的一部分的情况下，其例如可经由光纤连接110从网络接收数据及将数据发送到网络。在其他实施例中，可使用其他种类的连接。

在图1所示实施例中，提供商设备10包括多个收发器11-13，以经由相应通信连接17-19与CPE单元14-16进行通信。举例来说，通信连接17-19可以是铜线，例如，铜双绞线。经由通信连接17-19进行的通信可以是基于如离散多音调制(DMT)及/或正交频分多路复用(OFDM)等多载波调制的通信，例如xDSL通信(如ADSL、VDSL、VDSL2、G.Fast等)，即，其中在多个载波(也称作音调)上调制数据的通信。在某些实施例中，所述通信系统可使用向量化，如图1中的框111所示。向量化包括对将要发送及/或接收的信号进行联合处理以减少串扰。

从提供商设备10到CPE单元14-16的通信方向也将称作下行方向，且来自CPE单元14-16的通信方向也将称作上行方向。下行方向上的向量化也称作串扰预补偿，而上行方向上的向量化也称作串扰消除或均衡。

提供商设备10及/或CPE单元14-16可包括在通信系统中惯常采用的其他通信电路(未显示)，例如，用于调制、位负荷、傅里叶变换等的电路。

在某些实施例中，经由通信连接17-19进行的通信是基于帧的通信。多个帧可形成超帧。在某些实施例中，使用分时，如下文将更详细地解释。

图2中显示在某些实施例中适用的分时的概念。每一超帧被分成多个区段，所述区段可使用被启用链路及被停用链路的不同配置且可使用不同位设定及增益设定。在实施例中，此种优化方法可用于提高传输系统中的数据速率，而且其可用于结合不连续运行来减少功率消耗。举例来说，在DSL系统中，可在启动时确定及/或在通信期间调适此类位设定及增益设定。

视可用存储器及系数重新计算能力而定，每超帧不同配置的数目受DMT帧的数目限制或小于DMT帧的数目。

在实施例中，DP及CPE两者预先知晓下一些符号的定时信息。

在实施例中，对于所有链路均有效的情况，存在一个基本配置。对于基本配置，计算分别用于串扰预补偿及串扰消除(也称作均衡)的预编码器系数及均衡器系数。在实施例中，使用基本配置来传送同步符号且使用基本配置来估计信道。

在DP与所述多个CPE之间交换TDD(时分双工)帧的调度以告知传送侧应在其中传送数据的符号、及传送将使用的速率，且告知接收侧数据何时到达的时间及如何对所述数据进行解码。

在实施例中，分时系统具有以下性质中的一或多个：

·对传送器参数及接收器参数的多个配置的处置。

·对多个传送器的调度的联合优化。

·在传送器与接收器之间交换调度。

根据某些实施例，现在将使用上文所解释的分时作为对FTTdp应用实施不连续运行的基础。

分时的性质是，其针对例如速率优化及功率最小化等许多不同优化问题简化了最优调度程序的构造。此外，其简化了对优化过程中的硬件限制的考虑。

在一些常规方法中，分时用于使数据速率最大化。在某些实施例中，解决不同的优化问题。在实施例中，并非是根据传送功率约束来使数据速率最大化，而是根据最小数据速率来使功率消耗最小化。

为多个线路(例如，图1所示的通信连接17-19)中的每一线路i定义目标速率R_{target i}。

系统维持针对特定有效线路集合或有效线路集合群组而优化的多个位负荷集合及比例因子集合(例如，位负荷表及增益表)。

在每一时间实例t处，链路i实现数据速率R_{t i}并消耗功率p_{t i}。

在TDD帧的传输时间的分率α_t内使用时间实例t的配置。

对于时间分率α，下式成立

可根据超帧中符号的整数数目N_sym而将分率α选择为

我们如下来定义有效链路数据速率：

链路i的平均每链路传送功率p_{link i}由下式给出

每一配置t的总计传送功率p_{config t}由下式给出

随后，每一有效线路子集的传送时间存在以最小功率消耗实现目标数据速率的最优配置。在实施例中，为找到最优配置，求解优化问题

L个端口的最大可能配置数目是2^L，这对于8个或16个端口的目标大小已经是非常高的数目。对于分时优化的运行，无需搜索所有可能配置。对所关注的一些预选配置进行优化即足够。

可根据硬件约束或根据链路质量及线路速率来选择预选配置。

解中所包含的不同配置的数目将小于或等于线路的数目L且是将要存储的不同配置的数目。对于每一个别线路，所存储配置的数目甚至更小，因为仅存储其中线路传送或接收数据的配置。

在一些应用中，对DP及CPE的功率消耗可能存在硬约束，例如，在DP及CPE依靠电池电力运行的情况下即如此。

随后，方程式(3.5)的优化问题变成

对于两个优化问题，即方程式(3.5)及方程式(3.6)，方法的解是相同的。

对于分时系统，优化程序搜索一组配置的最佳组合。

在实施例中，将根据方程式(3.5)或方程式(3.6)对功率最小化的分时优化重新公式化为如下形式的线性程序

向量x是最小化的变元且包含定时信息及所实现的数据速率

向量c给出优化的权重向量。根据方程式3.4，向量c包含每一配置的功率消耗。

使用矩阵A及向量b在前L个行中根据方程式(3.2)公式化对最小数据速率的线性约束且在最后一行中如方程式(3.1)中所定义公式化比例因子的和等于1的要求，矩阵A被定义为

且向量b显示为

配置集合T＝{1...T}并不像透明运行所要求的那样需要包含所有可能配置。其可包含最相关的一些预选配置。

所述选择还可受实施方案约束限制。然而，必须注意，可将用于初始优化的集合T选择为包含比在DP与所述多个CPE之间交换的所实际使用配置的集合T_a多的可能配置。

方程式(3.10)中所定义的矩阵A包含对于每一链路及配置集合中的每一配置来说可实现的数据速率。为计算所述数据速率，如方程式(1.13)及(1.14)中所示，需要比例矩阵S、噪声功率及直接信道系数。

对最优比例矩阵的计算可能是非常耗时的。因此，此处可应用对速率计算的近似法。一种近似法是对满配置集合T使用根据方程式(1.12)而非(1.18)进行的比例因子计算。用于例如DMT等多载波传输的额外近似法是仅对分布在整个频谱上的载波的子集进行速率计算并在所述速率之间内插位负荷以预测数据速率。

仅对优化问题的解中所包含的缩减配置集合T_a进行满频谱优化。

基于求解优化问题所需的时间，现在将论述根据各种实施例将要存储的配置的数目、及其他硬件限制、分时不连续运行的不同实施方案。

第一实施方案将称作静态运行。分时功率最小化的一个可能应用是根据用户的最大数据速率来计算帧格式。无论实际数据速率如何，调度均是固定的。图3显示此种静态运行的TDD帧格式。

静态运行可用于以减少的功率消耗为多个订户提供稳定的目标数据速率。然而，在静态运行中，不可能提供较高峰值数据速率，或者不可能在链路未被完全利用时节省功率。

如果实际数据速率小于目标速率，则传送空载符号。可以零功率发送空载符号以减少功率消耗，但前端及线路驱动器随后被保持处于有效状态以继续为其他线路传输校正信号。

当某些线路中断时，使用向量化的系数重新计算来重新计算预编码器及均衡器。进行此操作是为了使得用于下行链路的均衡器不会改变。CPE预先知晓位负荷表及增益表、以及调度。此信息存储在DP处及CPE侧处。

可使用在线重新配置消息来重新配置增益、位负荷及调度。

这可通过更动态的运行模式来改进。

另一实施方案将称作准动态运行。上述静态运行未考虑到实际链路使用情况。其始终使用每TDD帧相同的配置且在无更多数据要传送时用空载符号填满每一链路的符号。实际上，实际链路速率将是R_{act i}<R_{target i}，且可低于最大可用速率。

这可通过使用已经可用的选定有效配置子集T_active来加以利用，但需重新计算每一子帧的时间分率α_t。将要求解的优化问题限制于有效配置的数目，且对于每一超帧，必须求解下式

图4中显示此种运行模式。

对于此种方法，有效配置子集的选择仅在有线路加入或脱离系统时被计算一次。对于选定有效配置，在线路加入或脱离期间还求解出下文将进一步解释的需要高计算资源的频谱优化。

根据实际速率要求每TDD帧地求解方程式(3.12)中的调度问题。此外，每TDD帧优化问题具有有限数目个维度且因此可较容易地进行求解。

由于配置子集T_active有限，并非始终存在其中所有经配置数据速率与实际数据速率匹配的配置。在此种情况中，某些线路以比实际速率要求高的数据速率运行，且使用空载符号来填充额外数据速率。还可以零功率来传送空载符号，如第3.3.1章中所示。预先将下一TDD帧的调度从DP传递到CPE。

可通过完全动态的运行来提高准动态运行的功率节省能力。

另一实施方案将称作动态运行。对于动态运行，还可针对每一超帧而改变有效配置子集。这意味着，对于每一TDD帧求解下式

有效配置集合可在TDD帧之间改变，如图5中所示。

这可需要计算额外位负荷表及增益表，此需要额外计算资源且产生一些管理开销，因为重新配置可需要在DP与CPE之间交换位负荷表及增益表。

此种运行模式可实现最高峰值速率及最佳功率节省能力。然而，通信开销及计算复杂性是相当高的。

能够处置位负荷表及增益表的不同配置的系统可不仅仅实现较高数据速率。个别配置的数据速率较高的事实转变为对于既定数据速率会有额外的功率节省。

在配置中的某些配置中，实际数据速率高于所有链路均有效时链路的数据速率。因此，可使链路暂时以比保证速率高的速率运行，如图6中所示。

为示范上文所解释的概念，评估具有10个长度为100m的线路的电缆接合器。对于线路1到2，目标速率被设定为800Mbit/s，对于线路3到6，目标速率被设定为100Mbit/s，且对于线路7到10，目标速率被设定为500Mbit/s。表3.1概括其中应用不连续运行的有线通信系统的模拟条件。

表3.1：模拟实例的参数

图7显示对具有40个DMT符号的TDD帧的调度。为实现此数据速率，链路的平均接通时间是51％。两个链路已达到其极限速率。链路的数据速率在帧内是恒定的，因为在透明模式中，对所有符号均使用相同位负荷。

图8显示与上述具有相同目标数据速率的使用分时的相同系统。通过使用分时而将平均接通时间从51％减少到48％。以分时实现的数据速率取决于有效线路集合且因此在TDD帧内改变。

上述模拟及特定参数值不应理解为限制性且在其他实施方案中可变化，但仅用于进一步例示某些实施例的运行且改进对本文所述概念中的一些概念的理解。

所提出的不连续运行概念能够改进初始化。线路加入或系统激活程序包含多个步骤。各种标准详细地描述常规初始化程序。具体来说，线路加入是指其中额外通信线路(如图1所示的通信连接17-19)变为有效且例如必须被添加到向量化从而也根据此加入的线路实现串扰补偿的情况。

此类程序可包含用于信道估计、同步化、及类似任务的许多步骤。对于不连续运行，所关注步骤是在演播时间之前的传送频谱优化，如图9中所示。

与使用最小配置的不连续运行实施方案相比，使用如上文在实施例中所解释的分时的不连续运行不需要在线路加入期间使不连续运行停止。

分时运行中的线路加入实际上意味着，添加了一个或多个包括加入的线路的配置，而不包括任一加入的线路的配置不会改变。

如方程式(3.10)中所示，可将不同配置的预期数据速率的矩阵保持在存储器中以用于将来的初始化过程。

对包括加入的线路的额外配置的数据速率进行估计或近似并将所述数据速率添加到调度程序优化设置，如例示实施例的方法的图10中所示。一种对速率及比例因子进行近似的方法是使用子载波的子集来优化PSD(功率谱密度)并通过在子载波之间进行内插来预测数据速率。

对于有效配置集合T_a中所包含的子载波集合，计算设置数据传输所需的额外比例因子、位负荷及其他参数。

如上所述的分时可需要DP与CPE之间的通信。此章节根据实施例描述可用于在有线通信系统(例如，如图1中所示)上实施分时不连续运行的额外通信。

尽管仅在有效线路集合改变的时间执行低功率模式的大部分计算，但如上所述的速率自适应性低功率模式可需要每TDD帧进行一些计算。

此外，在TDD帧内，执行如下文进一步描述的系数重新计算。

CPE侧为有效配置集合T_a∈T存储多个位负荷表及增益表。对于每一TDD帧，将媒体接入计划传递到CPE，所述媒体接入计划告知所述CPE其被允许传送数据的时间点及其接收数据的时间点。

此外，所述媒体接入计划包含应使用哪一位负荷表及增益表的信息。在一个超帧内或甚至在TDD帧内，一个线路上的传输可使用不同的位负荷表及增益表。每一配置可具有也包含在MAP中的识别号，以识别将要使用的配置。

必须注意，CPE仅为所有配置T_a的一小部分存储位负荷表及增益表，因为所述配置集合包括其中此特定CPE不传送或接收数据的一些配置，这些配置不需要在CPE处存储位负荷表及增益表。

此外，在实施例中，可使用在线重新配置。每一在线重新配置消息均包含将要改变的子载波的位负荷表及增益表。对于分时，添加将要改变的配置的识别符。

如果配置中的一个下行SNR已改变，那么可向CPE侧请求重新配置。如果配置中的一个的上行SNR已改变，那么还可从DP起始重新配置。如果由于信道、预编码器系数或某些线路的SNR的改变而需要改变多个线路的PSD，那么还可由DP起始下行的在线重新配置。

在线路加入期间但还在演播时间期间速率要求改变时，可需要对应于配置替换而改变有效配置集合T_a。因此，需要用于替换配置中的一个的额外重新配置方法。

所述方法包含将要替换或添加的配置的识别符、以及有效子载波的位负荷表及增益表。

对于分时，重要的信息可以是其中所有链路均有效的基本配置的链路质量。然而，如果系统经历由串扰消除的不完全性而引起的残余串扰，那么对其他配置的SNR的预测可不同于所述配置的实际SNR。

因此，在实施例中，DP能够向CPE请求特定配置的SNR。

在某些实施例中，可使用复杂性降低的用于向量化的系数重新计算。串扰消除及其他MIMO(多输入多输出)信号处理方法是提高多用户数据传输的性能的重要特征。例如标准中所定义的向量化已成功用于提高VDSL2性能，且对于将来的有线通信标准(例如G.fast)，串扰消除是强制性的。

因此，在实施例中，上文所述的低功率模式应符合使用MIMO信号处理的系统。此章节论述如何结合已针对FTTdp应用提出的线性MIMO预编码及均衡来实施不连续运行。

一些解决方案提出用于系数重新计算的近似法，以减少计算成本。然而，与准确解决方案相比，近似法结果引起某一性能降级。

对于使用最小配置的系统，无论实际配置如何，关于一些配置的性能降级均将导致持久性能降级。在实施例中，此降级可通过分时来避免。

已在VDSL2系统上实施线性向量预编码来提高在串扰信道上进行的有线数据传输的性能。常规向量化DSL系统的主要缺点是静态运行，其需要非常耗时的加入程序及脱离程序才能启用或停用接合器的线路上的数据传输。图11显示具有线性预编码器的下行系统模型，其可由预编码器矩阵P来表示。

u是本质上表示将要传送的数据的向量，所述向量的每一分量对应于信道中的一个。S是指示例如放大率或增益的矩阵。如所提及，P是包含用于向量化的预编码器系数的预编码器矩阵。H是表示信道的影响(包括信道之间的串扰)的矩阵。n表示加性噪声。x表示从传送器实际传送的信号，且y表示接收器侧处的增益。表示随后接收的符号或数据。

根据矩阵求逆引理，系数重新计算可由下式给出

或者，可根据下式重新计算传送信号x

这需要对矩阵P_dd求逆，这在必须停用许多线路的情况下是高计算工作量且需要用于逆矩阵的存储器。为克服两个问题，可使用对矩阵求逆的近似。矩阵求逆的一阶泰勒级数展开给出对矩阵求逆的近似。在预编码器矩阵的对角线元素等于1的假设下，这产生

其中原始系数值可被保持且仅正负号改变，此改变可被并入到计算中。

在上行方向上，使用线性向量均衡而非线性预编码。

图12中显示系统模型，其对应于

G是包含均衡系数的矩阵。类似于下行情况，可通过下式来进行系数重新计算

除G以外，(1.4)的矩阵及向量也对应于上文所解释的矩阵及向量。

或者，可根据下式来实施基于接收信号的重新计算

在上行无法使用通过一阶泰勒级数进行的近似，因为预编码器不接近单位矩阵。然而，可将均衡器划分成两个部分G＝G_feq·G_xt：对角线均衡器G_feq及接近单位矩阵的对角线外均衡器G_xt。对角线外均衡器具有等于1的对角线元素，使得方法不会增加复杂性G_xt＝diag(H^-1)^-1·H^-1。对角线均衡器对应于频域均衡器，因为其是在下行方向上使用，G_feq＝diag(G_xt·H)^-1。

方程式(1.7)仅应用于对角线外均衡器。

其中近似

可用于

对于基于传送信号的重新计算，使用

接下来，将论述用于传送频谱整形的实施例。根据规定且出于技术原因，有线通信中的传送功率会受到限制。为满足规定性约束且尽可能高效地使用可用传送功率，使用传送频谱成形。

线性预编码器以及非线性预编码器的输出频谱不同于输入频谱。为在改变传送频谱的同时保持串扰消除能力，在预编码器输入处以比例矩阵S对传送频谱进行成形，如图11中所示。随后，传送协方差矩阵C_tx由下式给出

C_tx＝PSS^HP^H (1.10)

其中对角线元素对应于个别端口的传送功率。在有线通信中，每线路传送频谱受与最大传送功率p_max等效的频谱遮罩约束

c_txii≤p_max (1.11)

这一般取决于频率。此章节显示在下行方向上进行线性预编码的情况下两种用于有线通信的频谱整形方法。

用于传送频谱按比例缩放的简单方法是根据增益最高的线路选择比例因子。随后，所述比例因子由下式给出

此种频谱按比例缩放方法保证了在所有线路上输出频谱均符合频谱遮罩，但仅一个线路将接近最大值，而其他线路被按比例缩放为低于最大值。一般来说，不存在输入传送频谱，使得所有线路均可以最大功率进行传送。然而，可计算输入频谱使得数据速率被最大化，如下一章节中所示。

为提高性能，可应用频谱优化。对于线性迫零预编码，链路1的数据速率R₁由下式给出

其取决于信道矩阵H、比例因子S、及噪声方差

方程式(1.13)假设，依据信道矩阵H、接收器噪声功率及比例矩阵S，SNR由下式给出

这对于线性迫零预编码器成立，其中在进行增益按比例缩放之前线路1的传送信号U₁具有单位功率。此外，根据下式将预编码器矩阵P按比例缩放成使得对角线元素等于1

P＝H^-1·diag(H^-1)^-1 (1.15)

以所有线路的目标函数(此处是数据速率和)来进行优化。引入额外约束以考虑到受限调制字母。对于每音调及线路的位负荷b，存在上限b_max及下限b_min，通常b_min＝1。这转变为最大所需SNR

及最小SNR

以形式为A·x＝b的线性约束集合来将最大位负荷及限值PSD重新公式化。并非根据增益值S_i进行最大化，而是使用增益值的平方|S_i|²来作为优化问题的变元

用于求解此优化问题的参数是和速率最优比例因子。

本文所使用的涉及线路的术语“静默模式”可指代被去激活线路、处于无功率模式的线路、传送静默符号的线路、传送空载符号但无传送功率的线路等。

上述实施例仅用作实例而不应理解为限制性。在实施例中可能并不实施上文所述的所有特征或细节。而是，在某些实施例中，可论述所述特征或细节中的仅一些、及/或替代特征或细节。