專利名稱：一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中的串音抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種串音抑制方法，尤其是涉及一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中的串音抑制方法。

背景技術(shù)：
基于電話線的寬帶有線接入技術(shù)是目前主要的接入方式，其代表技術(shù)包括ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非對(duì)稱數(shù)字用戶線路)和VDSL/VDSL2(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Loop，甚高速數(shù)字用戶環(huán)路)。ADSL和VDSL技術(shù)使用非屏蔽的銅雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從電話局(CO，Centre office)或光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU，Optical network unit)出來(lái)的銅雙絞線位于不同的鉛包電纜中，而在同一鉛包電纜中有25對(duì)、50對(duì)，甚至100對(duì)銅雙絞線。當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)線路(即銅雙絞線)時(shí)，不同銅雙絞線之間的電磁耦合會(huì)形成干擾，這種干擾被稱為串音(Crosstalk)。串音根據(jù)傳輸方向的不同可以分為遠(yuǎn)端串音(FEXT，F(xiàn)ar End Crosstalk)和近端串音(NEXT，Near End Crosstalk)。遠(yuǎn)端串音是指被干擾用戶與干擾用戶的數(shù)據(jù)傳輸方向相同；近端串音是指被干擾用戶與干擾用戶的數(shù)據(jù)傳輸方向相反，如圖1所示。ADSL和VDSL系統(tǒng)在上行和下行傳輸方向分別采用頻分復(fù)用(即不同頻段)技術(shù)可以有效避免近端串音，而遠(yuǎn)端串音與各線路上的有用信號(hào)處于同一頻段，因此遠(yuǎn)端串音不能通過(guò)頻分復(fù)用的辦法來(lái)消除。對(duì)于ADSL系統(tǒng)，由于光網(wǎng)絡(luò)單元到用戶端的傳輸距離較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)端串音受信道衰落比較嚴(yán)重，因此遠(yuǎn)端串音對(duì)ADSL系統(tǒng)的干擾不是很嚴(yán)重；而對(duì)于VDSL/VDSL2系統(tǒng)，從光網(wǎng)絡(luò)單元到用戶端的傳輸距離較短，遠(yuǎn)端串音干擾很嚴(yán)重，遠(yuǎn)端串音通常比背景噪聲大10dB～20dB左右。在VDSL/VDSL2系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端串音成為影響數(shù)字用戶線傳輸速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的最主要因素。因此，遠(yuǎn)端串音的抑制具有重要的意義。
ADSL和VDSL都采用離散多音調(diào)制(DMT，Discrete Multi Tone)的調(diào)制方式，DMT技術(shù)在頻域上將物理信道劃分為N個(gè)相對(duì)平坦的子信道，這樣的子信道被稱為子載頻(Tone)?；陔娫捑謪f(xié)作的DSL系統(tǒng)中，多個(gè)用戶在電話局端具有協(xié)作關(guān)系，可以看成多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)系統(tǒng)，多用戶之間形成一個(gè)MIMO信道。串音抑制方法正是利用系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)模型來(lái)抑制來(lái)自其它線路的串音干擾。電話局或光網(wǎng)絡(luò)單元接收到的各用戶的上行傳輸方向上的數(shù)據(jù)是同步的，在第k個(gè)子載頻上的接收數(shù)據(jù)可以表示成向量的形式y(tǒng)k＝Hkxk+nk，其中，Hk是第k個(gè)子載頻上的傳輸信道矩陣，

，N為用戶數(shù)，是第k個(gè)子載頻上電話局接收信號(hào)向量，是第k個(gè)子載頻上的用戶端發(fā)送信號(hào)向量，是第k個(gè)子載頻上的背景噪聲向量，背景噪聲包括線路溫度噪聲和脈沖噪聲，一般將背景噪聲假設(shè)為是加性高斯白噪聲，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)。
上行傳輸方向上串音抑制的原理如圖2所示，在電話局端設(shè)計(jì)濾波器Wk作用于接收信號(hào)yk來(lái)消除用戶端發(fā)送的發(fā)送信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的串音干擾，此處，串音干擾主要指遠(yuǎn)端串音。目前，上行傳輸方向上串音抑制算法主要集中在頻域，具有代表性的算法主要有迫零算法(ZF，Zero-forcing)、判決反饋抑制(DFC，Decision feedbackcancellation)算法、冪級(jí)數(shù)逼近(PSA，Power series approximation)算法。這些算法都是假設(shè)串音信道矩陣是已知的。實(shí)際中必需先通過(guò)信道估計(jì)技術(shù)估計(jì)出串音信道矩陣，而信道估計(jì)通常采用基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)，基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)具有較高的計(jì)算復(fù)雜度，且導(dǎo)頻的存在降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。
2006年R.Cendrillon提出了一種適合于上下行串音抑制的迫零算法，該算法在上行傳輸方向上的串音抑制的原理為電話局在第k個(gè)子載頻上設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器

是第k個(gè)子載頻上的傳輸信道矩陣的逆矩陣，電話局接收到的接收數(shù)據(jù)的向量yk通過(guò)濾波器后就可以抑制掉串音。假設(shè)

為接收數(shù)據(jù)的向量yk通過(guò)濾波器 Wk后的數(shù)據(jù)向量，則其中，Hk是第k個(gè)子載頻上的傳 輸信道矩陣，


是第k個(gè)子載頻上的傳輸信道矩陣的逆矩陣，N為用戶數(shù)，是第k個(gè)子載頻上電話局接收信號(hào)向量，是第k個(gè)子載頻上的用戶端發(fā)送信號(hào)向量，是第k個(gè)子載頻上的背景噪聲向量，背景噪聲包括線路溫度噪聲和脈沖噪聲，一般背景噪聲假設(shè)為是加性高斯白噪聲，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)。從可以看出，通過(guò)串音抑制濾波器后，

可以看作由兩部分組成期望信號(hào)(即發(fā)送信號(hào))xk和噪聲

這樣，電話局收到的各個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)僅受到加性高斯白噪聲

的干擾。由于有線信道具有列對(duì)角占優(yōu)性，因此傳輸信道矩陣是良態(tài)的，所以迫零算法對(duì)加性高斯白噪聲的增強(qiáng)可以忽略。
迫零算法、判決反饋抑制算法、冪級(jí)數(shù)逼近算法等幾種串音抑制算法都是基于串音傳輸信道矩陣Hk的信息。實(shí)際中必須在設(shè)計(jì)串音抑制濾波器矩陣前估計(jì)出串音信道矩陣Hk。基于串音信道矩陣的抑制算法存在許多缺陷首先，基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)需要用戶端發(fā)送訓(xùn)練序列，訓(xùn)練序列的存在降低了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率；其次，VDSL/VDSL2系統(tǒng)子載頻個(gè)數(shù)較多，這樣，估計(jì)傳輸信道矩陣的運(yùn)算量極大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中具有低計(jì)算復(fù)雜度的串音抑制方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中的串音抑制方法，包括以下步驟 ①定義在用戶端每個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)為發(fā)送信號(hào)，將每個(gè)用戶在第k個(gè)子載頻上發(fā)送的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)的矩陣記為Xk，L，

其中，L≥N，N為用戶數(shù)，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)； ②電話局端接收到被串音干擾后的發(fā)送信號(hào)，定義為接收信號(hào)，將電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣記為Yk，L，

其中，L≥N，N為用戶數(shù)，k＝1，2，…·，K，K為子載頻的總數(shù)； ③電話局端在第k個(gè)子載頻上設(shè)置有一個(gè)用于抑制接收信號(hào)中的串音干擾的串音抑制濾波器，將該串音抑制濾波器的矩陣記為Wk，L，電話局端利用串音抑制濾波器抑制接收信號(hào)中的串音干擾，得到抑制掉串音干擾后的接收信號(hào)，將抑制掉串音干擾后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣記為

其中，Yk，L為電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣； ④根據(jù)Xk，L和

利用最小二乘準(zhǔn)則，定義

逼近于Xk，L的代價(jià)函數(shù)Jc(k)， 然后根據(jù)代價(jià)函數(shù)Jc(k)得到Wk，L的最優(yōu)解，最優(yōu)解為其中，‖‖為范數(shù)符號(hào)，2代表二階范數(shù)，

為Yk，L的廣義逆矩陣，

為Yk，L的轉(zhuǎn)置矩陣； ⑤根據(jù)和得到，其中，Xk，L為每個(gè)用戶在第k個(gè)子載頻上發(fā)送的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)的矩陣，Yk，L為電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣，

為Yk，L的廣義逆矩陣，

為Yk，L的轉(zhuǎn)置矩陣。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于直接根據(jù)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)串音抑制濾波器，使得本發(fā)明方法避免了復(fù)雜的信道估計(jì)過(guò)程，與現(xiàn)有的串音抑制算法相比，本發(fā)明方法大大降低了計(jì)算復(fù)雜度；同時(shí)為了進(jìn)一步快速實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明方法提出了另一種計(jì)算串音抑制濾波器系數(shù)的自更新方法，可以避免求接收信號(hào)的廣義逆矩陣的過(guò)程，從而達(dá)到降低計(jì)算復(fù)雜度的目的。



圖1為遠(yuǎn)端串音和近端串音的形成示意圖； 圖2為上行傳輸方向上遠(yuǎn)端串音抑制的原理示意圖； 圖3為用戶1在本發(fā)明方法、迫零算法及無(wú)串音抑制方法下總比特速率隨發(fā)送信號(hào)的長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)示意圖； 圖4為用戶1發(fā)送的發(fā)送信號(hào)的長(zhǎng)度為15時(shí)在本發(fā)明方法、迫零算法及無(wú)串音抑制方法下在各個(gè)子載頻上的信噪比示意圖； 圖5為本發(fā)明方法的串音抑制濾波器自更新過(guò)程中迭代求解的收斂曲線圖。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
假設(shè)數(shù)字用戶線系統(tǒng)中用戶數(shù)為N，本發(fā)明的一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中的串音抑制方法，該方法不需要估計(jì)串音信道矩陣，該方法包括以下步驟 ①定義在用戶端每個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)為發(fā)送信號(hào)，將每個(gè)用戶在第k個(gè)子載頻上發(fā)送的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)的矩陣記為Xk，L，

其中，L≥N，N為用戶數(shù)，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)。在本實(shí)施例中，為了保證本方法的性能，每個(gè)用戶發(fā)送的發(fā)送信號(hào)的長(zhǎng)度必須滿足L≥N。
②在傳輸過(guò)程中，通過(guò)傳輸信道傳輸?shù)竭_(dá)電話局端的發(fā)送信號(hào)會(huì)受到串音干擾的影響。此時(shí)，定義電話局端接收到的受到串音干擾后的發(fā)送信號(hào)為接收信號(hào)，將電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣記為Yk，L，

其中，L≥N，N為用戶數(shù)，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)。
③電話局端在第k個(gè)子載頻上設(shè)置有一個(gè)用于抑制接收信號(hào)中的串音干擾的串音抑制濾波器，將該串音抑制濾波器的矩陣記為Wk，L，電話局端利用串音抑制濾波器抑制接收信號(hào)中的串音干擾，得到抑制掉串音干擾后的接收信號(hào)，將抑制掉串音干擾后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣記為

由于

所以也可表示為

其中，Yk，L為電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣。
④串音干擾抑制的主要思想是，設(shè)計(jì)串音抑制濾波器使接收信號(hào)通過(guò)該串音抑制濾波器抑制掉串音干擾后的接收信號(hào)盡可能的逼近于用戶端發(fā)送的發(fā)送信號(hào)。根據(jù)Xk，L和

利用最小二乘準(zhǔn)則，定義

逼近于Xk，L的代價(jià)函數(shù)Jc(k)，然后根據(jù)代價(jià)函數(shù)Jc(k)得到Wk，L的最優(yōu)解，最優(yōu)解為其中，‖‖為范數(shù)符號(hào)，2代表二階范數(shù)，

為Yk，L的廣義逆矩陣，

為Yk，L的轉(zhuǎn)置矩陣。
⑤根據(jù)和得到，其中，Xk，L為每個(gè)用戶在第k個(gè)子載頻上發(fā)送的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)的矩陣，Yk，L為電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣，

為Yk，L的廣義逆矩陣，

為Yk，L的轉(zhuǎn)置矩陣。
從上述步驟可以看出，本發(fā)明方法不需要信道估計(jì)，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)降低了計(jì)算復(fù)雜度。
但上述步驟④中求串音抑制濾波器的過(guò)程中還需求接收信號(hào)的矩陣的廣義逆矩陣的計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，增加了本發(fā)明方法的運(yùn)算量。為避免直接求廣義逆矩陣本發(fā)明方法提出了另一種串音抑制濾波器，該串音抑制濾波器的自更新處理過(guò)程為 a.取Yk，L的第一列yk，1，計(jì)算yk，1的廣義逆矩陣

并初始化Wk，1，Wk，1＝0，其中，

為yk，1的轉(zhuǎn)置矩陣，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)； b.計(jì)算Xk，L的第l列Xk，l和

的第l列

之間的誤差ek，l，ek，l＝Xk，l-Wk，l-1yk，l，其中，l＝2，3，…，L，L為發(fā)送信號(hào)或接收信號(hào)的長(zhǎng)度，yk，1為Yk，L的第l列，為一列向量； c.根據(jù)對(duì)串音抑制濾波器的系數(shù)進(jìn)行迭代求解，其中，

ck，l和dk，l均為中間變量， 這種串音抑制方法不僅計(jì)算復(fù)雜度低，而且能夠?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理時(shí)間延遲小。
以下給出了本發(fā)明方法仿真的環(huán)境和參數(shù)。本發(fā)明仿真的傳輸信道是由FranceTelecomm(法國(guó)電信研發(fā)部)提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)字用戶線線路長(zhǎng)度不同，分別有600m、300m、150m、75m四種信道，每種長(zhǎng)度的信道衰落和串音各有28×28(即28個(gè)用戶)組數(shù)據(jù)組成，信道頻率從0.01MHz到30MHz。子載頻間隔分別為4.3125KHz。本發(fā)明仿真了0.01MHz到8.5頻段，即子載頻數(shù)從1到1972，發(fā)送信號(hào)功率譜密度根據(jù)G.993.2 Annex A中在U0頻段(6～64)上使用-37.5dBrm/Hz的發(fā)送功率譜密度，在U1頻段(870～1200)上使用的-53dBm/Hz的發(fā)送功率譜密度，且在正常情況下噪聲的功率譜密度為-140dBm/Hz來(lái)決定的。目標(biāo)誤碼率為10-7編碼增益和噪聲容限分別為3dB和6.8dB。
圖3給出了當(dāng)用戶數(shù)為3時(shí)在本發(fā)明方法、迫零算法及無(wú)串音抑制方法下總比特速率隨發(fā)送信號(hào)的長(zhǎng)度的變化情況。從圖3中可以看出，當(dāng)發(fā)送信號(hào)長(zhǎng)度L較小時(shí)，隨著L的增加，本發(fā)明方法的串音抑制性能變好，但當(dāng)L增加到一定程度時(shí)性能不再變化。而迫零算法由于直接從串音信道出發(fā)設(shè)計(jì)濾波器，與發(fā)送信號(hào)無(wú)關(guān)，因此其性能不受發(fā)送信號(hào)長(zhǎng)度的影響，從圖3還可以看出本發(fā)明方法的比特率與迫零算法相當(dāng)，性能良好。圖4給出了在用戶數(shù)為3的條件下無(wú)串音抑制方法、迫零算法及本發(fā)明方法的比特率，從圖4中可以看出，本發(fā)明方法的性能與迫零算法相當(dāng)。圖5給出了當(dāng)用戶數(shù)為6時(shí)本發(fā)明中自更新串音抑制濾波器求解方法的性能。當(dāng)發(fā)送信號(hào)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，該串音抑制濾波器的系數(shù)收斂到一個(gè)特定值。
權(quán)利要求
1、一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中的串音抑制方法，其特征在于包括以下步驟
①定義在用戶端每個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)為發(fā)送信號(hào)，將每個(gè)用戶在第k個(gè)子載頻上發(fā)送的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)的矩陣記為
其中，L≥N，N為用戶數(shù)，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)；
②電話局端接收到被串音干擾后的發(fā)送信號(hào)，定義為接收信號(hào)，將電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣記為Yk，L，
，其中，L≥N，N為用戶數(shù)，k＝1，2，…，K，K為子載頻的總數(shù)；
③電話局端在第k個(gè)子載頻上設(shè)置有一個(gè)用于抑制接收信號(hào)中的串音干擾的串音抑制濾波器，將該串音抑制濾波器的矩陣記為Wk，L，電話局端利用串音抑制濾波器抑制接收信號(hào)中的串音干擾，得到抑制掉串音干擾后的接收信號(hào)，將抑制掉串音干擾后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣記為
其中，Yk，L為電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣；
④根據(jù)
和
，利用最小二乘準(zhǔn)則，定義
逼近于Xk，L的代價(jià)函數(shù)Jc(k)，然后根據(jù)代價(jià)函數(shù)Jc(k)得到Wk，L的最優(yōu)解，最優(yōu)解為其中，‖‖為范數(shù)符號(hào)，2代表二階范數(shù)，
為Yk，L的廣義逆矩陣，
為Yk，L的轉(zhuǎn)置矩陣；
⑤根據(jù)和得到其中，Xk，L為每個(gè)用戶在第k個(gè)子載頻上發(fā)送的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)的矩陣，Yk，L為電話局端在第k個(gè)子載頻上接收到的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的接收信號(hào)的矩陣，
為Yk，L的廣義逆矩陣，
為Yk，L的轉(zhuǎn)置矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種寬帶有線接入網(wǎng)數(shù)字用戶線中的串音抑制方法，優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)來(lái)直接設(shè)計(jì)抑制串音的濾波器，從而避免了復(fù)雜的信道估計(jì)過(guò)程，與現(xiàn)有的串音抑制算法相比，本發(fā)明大大降低了計(jì)算復(fù)雜度；同時(shí)為了進(jìn)一步快速實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明方法提出了抑制串音的濾波器自更新算法，從而達(dá)到進(jìn)一步降低計(jì)算復(fù)雜度的目的。
文檔編號(hào)H04B3/32GK101453246SQ20081016422
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者李有明, 胡觀華, 陳先福 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)