专利名称：一种动态功率频谱管理方法及频谱优化系统及客户端设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种动态功率频谱管理方法及频谱优化系统及客户端设备。
背景技术：
数字用户线(DSL，Digital Subscriber Line)技术是一种通过电话双绞线，即无屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twist Pair)进行数据传输的高速传输技术，包括非对称数字用户线(ADSL，Asymmetrical Digital Subscriber Line)，甚高速数字用户线(VDSL，Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line)、基于综合业务数字网(ISDN，Integrated Services Digital Network)的用户数字线(IDSL，ISDN Digital Subscriber Line)和单线对高速数字用户线(SHDSL，Single-pairHigh-bit-rate Digital Subscriber Line)等。
随着各种数字用户线技术(xDSL)使用的频带的提高，串扰，尤其是高频段的串扰问题表现得日益突出。如图1所示，由于xDSL上下行信道采用频分复用，近端串扰(NEXT)对系统的性能不产生太大的危害；但远端串扰(FEXT)会严重影响线路的传输性能。当一捆电缆内有多路用户都要求开通xDSL业务时，会因为远端串扰(FEXT)使一些线路速率低、性能不稳定、甚至不能开通等，最终导致DSLAM的出线率比较低。
在一个采用离散多音频调制(DMT，Discrete Multi-Tone Modulation)的K个用户，N个TONE的通信模型中，各个TONE上信号传输可独立地表示为 yn＝Hnxn+σn 在通常的情况下，每个xDSL modem的接收端将其它modem对它的干扰作为噪声，则第k个用户在第n个tone上可达到的数据速率可用香农信道容量公式计算 由上式可以看出，串扰严重影响了线路的传输容量，也就是降低了线路速率。
动态功率频谱管理(DSM，Dynamic Spectrum Management)可以用于减少串扰的影响。具体地，DSM就是自动调整网络中各个modem上的传输功率来达到减小串扰的目的。特别是在CO/RT混合应用的情况下短线对长线的串扰影响较大。DSM的目标就是通过调整发射功率使每个modem在达到自身速率最大化和减少对其它modem的串扰影响之间达到一个平衡。
DSM的目标为在每一个用户发送的总功率不超过门限的情况下通过调整所有用户分别在每一个子频带上的发送功率值从而最大化所有用户的加权速率和。因此，DSM问题的数学形式描述如下 其中， Snk表示第k个用户在第n个子频带上所分配的功率； Gnkk表示第k个用户线路在第n个子频带上的传输系数； Gnkj(j≠k)表示第j个用户对第k个用户在第n个子频带上的串扰系数； Pk表示第k个用户的总功率门限； ωk表示第k个用户的速率权系数； σ2表示噪声功率； N表示子频带总数； K表示用户总数。
此问题为一非线性约束优化问题，目标函数及约束条件均为关于自变量的非凸函数。
因此不存在高效且完整的求解算法。在现有算法中，最为热门的为OSB、ISB、IWF。这三种算法都是通过引入拉格朗日乘子，将原始非线性约束优化问题转化为非线性无约束优化问题。因此，上述公式转化为 λk为拉格朗日乘子。其中项表示为总功率约束 由于Pk为一常数，因此上述公式等价于 故只需求解上述公式即可。
现有技术中的一种实现DSM的方法为迭代注水算法(IWF，IterativeWater-Filling)。
这是一种贪心算法，只考虑snk对第k个用户线上速率的影响，当用户线不是当前用户k时，令其权重wj＝0，λj＝0，。这样，实际上的Jn可以简化为，因为此时wj＝0，λj＝0，且snj，(j≠k)固定。对于求解，由于有唯一极值点，可以通过推导求得其极值点的解析表达式。整个算法不断迭代以求得各个用户在各个tone上的maxJnk，直到所有用户的功率分配都不再变化为止。
IWF的算法复杂度较低，对于较大的N和K都可进行计算。并且它是完全自制的，即各个用户只需优化自身的速率和满足自身的功率约束即可，而不需要不同用户之间进行数据信息的交互，即不需要中心管理器，易于在实际系统中实现，但是，由于IWF是贪心算法，所以无法保证最优解或近似最优解，依赖于初始解。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种动态功率频谱管理方法及频谱优化系统及客户端设备，能够找到一种频谱优化的近似最优解，提高功率频谱管理的效果。
本发明提供的动态功率频谱管理方法，包括根据携带用户串扰信息的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数；根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率。
本发明提供的频谱优化系统，包括频谱管理中心，数字用户线接入复用器以及客户端设备；所述频谱管理中心用于设置携带用户串扰信息的税因子并将其发送至数字用户线接入复用器；所述数字用户线接入复用器用于根据携带用户串扰信息的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至收敛； 或 所述频谱管理中心用于设置携带用户串扰信息的税因子并将其发送至数字用户线接入复用器；所述数字用户线接入复用器用于将税因子转发至客户端设备；所述客户端设备用于根据携带用户串扰信息的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至收敛。
本发明提供的客户端设备，包括税因子接收单元，注水单元以及发送单元；所述税因子接收单元用于接收携带用户串扰信息的税因子并将接收到的税因子发送至注水单元；所述注水单元用于根据接收到的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率，并将计算结果发送至发送单元；所述发送单元用于向频谱管理中心发送计算结果。
以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果 本发明方法在实现功率频谱管理时对所有用户在每个子频带上的功率分配同时计算，所以既考虑了其它用户对自己的串扰影响，也考虑到了自己对其它用户的串扰影响，进而能够找到一种频谱优化的局部最优解，提高功率频谱管理的效果。
图1为串扰示意图； 图2为本发明方法实施例流程图； 图3为本发明系统实施例示意图； 图4为本发明客户端设备实施例示意图。
具体实施例方式 本发明实施例提供了一种动态功率频谱管理方法及频谱优化系统及客户端设备，用于提高频谱管理效果。
请参阅图2，本发明动态功率频谱管理方法实施例流程包括 201、预置税因子，并初始化所有用户的功率谱； 其中，频谱管理中心随机设置一个满足预置条件的税因子，并将该税因子发送至DSLAM。
其中，预置条件可以根据实际情况进行确定，本实施例中，预置条件为非负。
在DSLAM中，每个用户都有预先设置的原始功率谱，在预置税因子时，需要对这些原始功率谱进行初始化处理。
202、判断是否所有用户的功率谱都已经收敛，若是，则执行步骤207，若否，则执行步骤203； 203、确定需要处理的用户； 其中，若该步骤为第一次执行，则需要处理的用户为第一个用户，若不是第一次执行，则需要处理的用户为当前用户的下一用户； 若当前用户是第K个用户(即最后一个用户)，则其下一个用户为第一个用户。
204、加载当前用户对应的注水参数； 其中，注水参数包括税因子和串扰项，还包括其它计算所需要的参数。
串扰项可以在用户端直接测量(它会随着其他用户功率谱的改变而改变)，也可以根据后面的公式(5)进行计算。
205、计算当前用户的功率分配； 其中，在计算功率分配之前需要先进行公式的推导与演算，具体过程如下 频谱优化问题是在每一个用户发送的总功率不超过门限的情况下通过调整所有用户分别在每一个子频带上的发送功率值从而最大化所有用户的加权速率和。其数学公式表示如下 公式(1) 其中， Snk表示第k个用户在第n个子频带上所分配的功率； Gnkk表示第k个用户线路在第n个子频带上的传输系数； Ink表示第k个用户线路在第n个子频带上所受到的串扰； Pk表示第k个用户的总功率门限； ωk表示第k个用户的速率权系数； σ2表示噪声功率； N表示子频带总数； K表示用户总数。
每个用户所受串扰的大小Ink不仅取决于其他用户在当前子频带上功率，而且有可能取决于其他用户在相邻子频带上的功率(如果系统不同步的话)。具体来说， γ(m)表示相邻频带串扰系数(Inter-Carrier-Interference)。当系统是同步的，γ(m)＝γ0(m)＝δ(m)就是一个冲击函数，所以此时第k个用户线路在第n个子频带上的串扰就是，也就是说没有相邻频带串扰。当系统不同步时，最坏情况的相邻频带串扰系数可以表示为 这里，γICI(m)具有对称性和循环性γICI(m)＝γICI(-m)，γICI(m)＝γICI(N-m)。
通过拉格朗日乘子的方法把上面如公式(1)所示的有约束问题转化成无约束问题，如下式 公式(2) 其中λk和μnk分别为拉格朗日乘子。其中项表示为总功率约束项表示为发送功率非负约束。公式(2)所描述的问题等同于公式(1)的问题，依然是一个非凸问题，没有高效的数字解决方法。同时公式(2)所描述的问题存在多个一阶极点，每一个极大值点就是这个问题的一个局部最优解。可以通过对公式(2)对Snk求偏导的方法得到下式 公式(3) 其中公式(4) 公式(5) 假设tnk叫作税因子。
如果能通过一定的方法从公式(3)中找到一个Snk的解，那么这个解是一个局部最优解。从实际的角度来看如果这个方法的算法比较简单，性能能有很大的提升。说明就通过一个简单的算法找到了公式(2)所描述的问题的一个局部最优解。
当然这个除了要满足公式外，同样还要满足以下约束条件 公式(6) 实际上公式(3)和公式(6)一起构成了公式(1)所描述问题的KKT条件(Karush-Kuhn-Tucher conditions)，从上面的描述可知这个条件对于满足公式(1)所描述的问题是一个必要条件。意思是只要是最优解一定满足这个条件，但满足这个条件的解有可能是局部最优解，就不一定是最优解。
可以进一步的通过公式演算把公式(3)和公式(6)构成的KKT条件成以下公式 公式(7) 公式(8) 公式(9) 其中公式(7)中[x]+表示max(0，x)，其作用等效于拉格朗日乘子μnk，所以可以在(7)中把μnk省略掉。公式(9)中，，其物理意义为第j个用户的第m个子频带上的信号干扰噪声比，这个量可以在用户线上直接测量。
针对单个用户的传统的优化注水算法，其表达式如下 ，对这个公式就Sn求导得 。进一步化简得 公式(10a) 其中，其中
表示注水(waterlevel)水平，对于同一个用户的所有子频带是一个常量。
传统的多用户的迭代注水是基于单用户的注水，但是因为有了多个用户之间的串扰，其频谱更新具体如下 公式(10b) 传统的多用户迭代注水的算法具体描述如下 第一步对于每个用户k，假设其他用户的频谱不变，通过传统的排序算法的方法找到一个λk，使得功率总和 第二步通过公式(10b)计算出各个子频带的Sn，其中n＝1，2，...，N。
第三步对所有的用户重复步骤一和步骤二，直至收敛。
对比单用户的注水公式(10a)，传统的多用户的注水公式(10b)，以及公式(7)，不难发现单用户注水(即当和)和传统的多用户注水(即当)都是公式(7)的特例。
为了解决公式(7)(8)的问题，则需要使用修正迭代注水的方法找到各个用户的发送功率谱。其中步骤205具体的步骤如下 给定tnk，k＝1，2，...K，n＝1，2，...N。对当前用户k执行以下步骤 1、定义功率总和公式 2、如果ρ(0)≤Pk， 设，其中n＝1，2，...，N。
3、如果ρ(0)＞Pk，使用二分法(bi-section)的方法寻找最优λk和功率谱 3a)初始化λk，min和λk，max，使得ρ(λk，min)＞Pk和ρ(λk，max)＜Pk 3b)重复以下步骤 3b1)计算 3b2)如果ρ(λk)＞Pk，λk，min＝λk 3b3)如果ρ(λk)＜Pk，λk，max＝λk 直至λk收敛。
3c)通过公式(7)和收敛的λk，计算出当前用户各个子频带的Snk， 其中n＝1，2，...，N。
当λk收敛后，当前用户的总功率门限就会满足，此时执行步骤202。
206、更新税因子； 其中，根据测量的信号串扰噪声比与步骤205的计算结果计算税因子，具体有以下三种情况 方案一 基于无记忆的一阶最优化条件的更新，税因子的计算可根据如下表达式 公式(11) 此方案的优点在于更新简单，而且如果更新收敛，其必收敛于局部最优解。但是，此方案不保证收敛性。
方案二 基于有记忆的一阶最优化条件的更新，也就是 公式(12) 其中tnk，τ-1表示上一时刻的税因子，tnk，τ是当前时刻的税因子；τ是时间参数。α(τ)表示一个和时间有关的记忆参数，其属于(0，1]。当α(τ)＝1时，公式(12)就变化成公式(11)，也就是说无记忆更新是有记忆更新的一个特例。此方案的优点在于可以通过适当选取α(τ)参数(比如反比于时间)使得税因子一定收敛。但缺点在于收敛的税因子不保证满足KKT条件。也就是说此方案可能收敛到一个次优解，但不一定是局部最优解。
方案三 基于目标函数(所有用户的加权速率和)的更新。基本思想就是每次税因子的更新都确保目标函数的值会增加。具体方案如下 (a)假设当前时刻的功率谱为Sτ，目标函数的值为Uτ，未更新的税因子为tτ。可以通过公式(11)或者公式(12)计算出临时税因子t′。
(b)根据临时税因子进一步推算出其对应的临时功率谱S′以及临时目标函数值U′。
(c)如果U′＞Uτ，更新下一时刻的税因子为tτ+1＝t′，然后发送，更新结束。
(d)如果U′≤Uτ，更新临时税因子为，返回步骤(b)。
其中目标函数就是所有用户的加权速率和，即。此方案的优点在于它能保证税因子收敛到一个局部最优解。缺点在于需要更多的计算量。
可以通过方案一，二，三的任何一种对税因子进行更新。具体使用那种方法取决于很多因素，比如实际的网络拓扑，频谱管理中心的计算能力，以及用户实际的串扰程度。
综上所述，可以通过结合税因子的更新和修正迭代注水来找到一个满足公式(7)(8)(9)的功率谱分布。迭代的顺序可以有多种不同的组合，例如 组合一首先所有用户同时更新税因子，然后基于固定的税因子所有用户进行修正迭代注水。如此反复直到收敛。
组合二每个用户每次都更新自己的税因子，拉格朗日乘子，功率谱，如此反复直到收敛。
下面列举了组合一的具体实现的算法。其中包括如何连续更新税因子，以及如何在给定税因子的情况下进行修正迭代注水直至收敛。当税因子收敛后，用修正迭代注水计算出来的各个用户的发送功率谱就是公式(1)所描述问题的一个局部最优解。这个解的结果取决于税因子初始值的设置。
重复对所有用户执行以下步骤 利用修正迭代注水的结果在线路上测试出或是计算出SINRnj，再通过公式(11)或者(12)或者方案三计算出相应的tnk。
根据计算出的tnk进行多用户的修正迭代注水，直至所有用户收敛。
207、判断税因子是否收敛，若收敛，则执行步骤208，若未收敛，则执行步骤202； 208、结束。
请参阅图3，本发明频谱优化系统实施例包括 频谱管理中心301，数字用户线接入复用器302以及客户端设备303； 所述频谱管理中心301用于设置税因子并将其发送至数字用户线接入复用器302； 所述数字用户线接入复用器302用于根据税因子计算当每个用户最大功率约束小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至所有用户收敛； 或 所述频谱管理中心301用于设置税因子并将其发送至数字用户线接入复用器302； 所述数字用户线接入复用器302用于将税因子转发至客户端设备303； 所述客户端设备303用于根据税因子计算当每个用户最大功率约束小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至所有用户收敛。
其中，所述频谱管理中心301包括 收集单元3011，更新单元3012以及传送单元3013； 所述收集单元3011用于获取不同用户的信号串扰噪声比，功率谱以及相关参数，并将获取到的参数发送至更新单元3012； 其中，相关参数包括传输系数等，或者其它所需参数，或者不包括任何参数。
所述更新单元3012用于接收收集单元发送的参数，并根据所述参数更新税因子，并将更新后的税因子发送至传送单元3013； 所述传送单元3013用于将接收到的税因子发送至数字用户线接入复用器302。
其中，由数字用户线接入复用器302计算功率分配时，在所有用户计算完功率分配之后数字用户线接入复用器302将计算得到或检测到的信号串扰噪声比发送至频谱管理中心301； 由客户端设备303计算功率分配时，在所有用户计算完功率分配之后客户端设备303通过数字用户线接入复用器302将计算得到或检测到的信号串扰噪声比发送至频谱管理中心301； 所述频谱管理中心301根据接收到的串扰噪声比设置税因子。
其中，所述数字用户线接入复用器302包括 频谱管理中心感知器，用于当频谱管理中心301失效时，将税因子设为0。
具体流程为 首先频谱管理中心设置一个满足预置条件的税因子，并通过税因子接口把各个用户的税因子分发到各自的DSLAM中，如果带税因子的迭代注水算法是在客户端设备中完成，那么DSLAM再通过DSLAM和客户端设备间的内嵌通道把税因子分发到各用户所在的客户端设备中，然后DSLAM和/或客户端设备根据这个税因子进行计算，当所有用户收敛后，各用户通过DSLAM于频谱管理中心的SINR接口把各自的信号串扰噪声比上传到频谱管理中心，由频谱管理中心计算出新的税因子，并重复上述过程，直至收敛。
请参阅图4，本发明提供的客户端设备303实施例包括 税因子接收单元401，注水单元402以及发送单元403； 所述税因子接收单元401用于接收税因子并将接收到的税因子发送至注水单元402； 所述税因子处理单元402用于根据接收到的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至所有用户收敛，并将计算结果发送至发送单元403； 所述发送单元403用于向频谱管理中心发送计算结果。
以上对本发明所提供的一种动态功率频谱管理方法及频谱优化系统及客户端设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述；对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种动态功率频谱管理方法，其特征在于，包括
根据携带用户串扰信息的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数；
根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率。
2.根据权利要求1所述的动态功率频谱管理方法，其特征在于，在所述计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数的步骤之前包括设置满足预置条件的税因子。
3.根据权利要求1所述的动态功率频谱管理方法，其特征在于，所述根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率的步骤之后包括对用户的税因子进行更新。
4.根据权利要求3所述的动态功率频谱管理方法，其特征在于，所述对每个用户的税因子进行更新的步骤包括计算或测量每个用户在各子频带上的信号串扰噪声比；根据所述信号串扰噪声比以及每个用户在各子频带上所分配的功率计算出对应的税因子。
5.根据权利要求3所述的动态功率频谱管理方法，其特征在于，所述对每个用户的税因子进行更新的步骤包括
计算或测量每个用户在各子频带上的信号串扰噪声比；
获取记忆参数以及时间参数；
利用所述记忆参数以及时间参数根据前一时刻的税因子，所述信号串扰噪声比以及每个用户在各子频带上所分配的功率计算当前税因子。
6.根据权利要求3所述的动态功率频谱管理方法，其特征在于，所述对每个用户的税因子进行更新的步骤包括
获取所有用户的加权速率和的数值并将所述数值作为目标函数数值；
计算临时税因子并根据所述临时税因子计算临时目标函数数值；
将所述目标函数数值与临时目标函数数值进行比较，根据比较结果确定税因子。
7.根据权利要水4至6中任一项所述的动态功率频谱管理方法，其特征在于，在所述对用户的税因子进行更新的步骤之后包括
根据所述更新后的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数；
根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至收敛。
8.一种频谱优化系统，其特征在于，包括
频谱管理中心，数字用户线接入复用器以及客户端设备；
所述频谱管理中心用于设置携带用户串扰信息的税因子并将其发送至数字用户线接入复用器；
所述数字用户线接入复用器用于根据携带用户串扰信息的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至收敛；
或
所述频谱管理中心用于设置携带用户串扰信息的税因子并将其发送至数字用户线接入复用器；
所述数字用户线接入复用器用于将税因子转发至客户端设备；
所述客户端设备用于根据携带用户串扰信息的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至收敛。
9.根据权利要求8所述的频谱优化系统，其特征在于，所述频谱管理中心包括
收集单元，更新单元以及传送单元；
所述收集单元用于获取不同用户的信号串扰噪声比，功率谱以及相关参数，并将获取到的参数发送至更新单元；
所述更新单元用于接收收集单元发送的参数，并根据所述参数更新税因子，并将更新后的税因子发送至传送单元；
所述传送单元用于将接收到的税因子发送至数字用户线接入复用器。
10.根据权利要求8或9所述的频谱优化系统，其特征在于，
由数字用户线接入复用器计算功率分配时，在所有用户计算完功率分配之后数字用户线接入复用器将计算得到或检测到的信号串扰噪声比发送至频谱管理中心；
由客户端设备计算功率分配时，在所有用户计算完功率分配之后客户端设备通过数字用户线接入复用器将计算得到或检测到的信号串扰噪声比发送至频谱管理中心；
所述频谱管理中心根据接收到的串扰噪声比设置税因子。
11.根据权利要求10所述的频谱优化系统，其特征在于，所述数字用户线接入复用器包括
频谱管理中心感知器，用于当频谱管理中心失效时，将税因子设置为0。
12.一种客户端设备，其特征在于，包括
税因子接收单元，注水单元以及发送单元；
所述税因子接收单元用于接收携带用户串扰信息的税因子并将接收到的税因子发送至注水单元；
所述注水单元用于根据接收到的税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数，并根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率，并将计算结果发送至发送单元；
所述发送单元用于向频谱管理中心发送计算结果。
13.根据权利要求12所述的客户端设备，其特征在于，所述注水单元在频谱管理中心更新过税因子后根据所述更新后的税因子再次计算每个用户在各子频带上所分配的功率直至收敛。
全文摘要
本发明公开了一种动态功率频谱管理方法及频谱优化系统及客户端设备，用于提高功率频谱管理的效果。所述方法包括根据税因子计算每个用户的总功率小于或等于该用户总功率门限时对应的注水参数；根据所述注水参数计算出每个用户在各子频带上所分配的功率直至所有用户收敛。本发明还相应地提供一个频谱优化系统以及一个客户端设备。本发明可以有效地提高功率频谱管理的效果。
文档编号H04B3/14GK101192850SQ20071000024
公开日2008年6月4日 申请日期2007年1月16日 优先权日2006年11月27日
发明者W·郁, J·袁, 方李明 申请人:华为技术有限公司