專利名稱：用于基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中的功率最小化的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于多頻音(multi-tone)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，例如數(shù)字 訂戶線路(DSL)系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及用于功率最小化譜均衡 的方法和i殳備。
背景技術(shù)：
諸如數(shù)字訂戶線路(DSL)系統(tǒng)之類的基于多頻音的通信系統(tǒng)被 廣泛用作向終端用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入的最后一英里解決方案。在這些 系統(tǒng)中，通過(guò)傳統(tǒng)上僅用于電話通訊的銅線對(duì)來(lái)傳送數(shù)據(jù)。通過(guò)使用 現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)提供寬帶接入，DSL系統(tǒng)成為富有吸引力且成本有效 的最后 一英里接入的解決方案。示例性DSL技術(shù)(有時(shí)被稱為xDSL ) 包括高數(shù)據(jù)率數(shù)字訂戶線路(HDSL )、非對(duì)稱數(shù)字訂戶線路(ADSL ), 具有較低上傳速度的DSL版本、甚高比特率數(shù)字訂戶線路(VDSL)。
DSL系統(tǒng)所使用的銅線對(duì)通常被布置在集束(binder)中，所述 集束可以包含許多銅線對(duì)。銅線對(duì)之間的接近性導(dǎo)致電磁耦合，這樣 來(lái)自于一條線路的信號(hào)與其他信號(hào)相互干擾。這種損害被稱為串?dāng)_， 串?dāng)_是限制在DSL系統(tǒng)中可獲得的數(shù)據(jù)率以及到達(dá)范圍(reach)的 主要因素之一。串?dāng)_能夠被解釋成一條線路的信號(hào)泄漏到所有相鄰線 路，如

圖1中所示。事實(shí)上，如圖1中所示，當(dāng)傳輸起始自中央局時(shí)，
輸。、該問(wèn)題會(huì)降低條^差的用戶的數(shù)據(jù)率 從而使得僅能夠提供有限 服務(wù)集。
所關(guān)心的接收機(jī)中的串?dāng)_干擾基本上取決于兩個(gè)因素除所關(guān)心 的用戶之外的所有用戶的總發(fā)射功率譜密度(PSD)和從發(fā)射機(jī)到所 關(guān)心的接收機(jī)的耦合函數(shù)。
功率譜密度(PSD)描述了信號(hào)功率在頻率上是怎樣分布的。盡 管如此，應(yīng)當(dāng)注意，在以下描述中，頻音上的信號(hào)的PSD近似為該信 號(hào)所負(fù)載的功率。
在集束中，無(wú)法輕易地控制串?dāng)_增益，盡管如此，可以設(shè)計(jì)用戶的PSD以便使串?dāng)_最小化并使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率最大化。 一種對(duì)照彼此來(lái)
優(yōu)化數(shù)據(jù)率、功率和到達(dá)范圍的策略是動(dòng)態(tài)譜管理(DSM) 。 DSM 允許根據(jù)物理信道統(tǒng)計(jì)在多用戶環(huán)境中將頻譜適應(yīng)性地分配給各個(gè) 用戶以滿足某些性能度量。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用DSM無(wú)需任何種類的 新基礎(chǔ)設(shè)施，并且利用了該設(shè)施，原因是其在網(wǎng)絡(luò)中智能地執(zhí)行管理。 盡管如此，為DSM問(wèn)題找到最優(yōu)解決方案是極為復(fù)雜的。由于 功率限制，將功率加載到一個(gè)頻音上會(huì)影響相同線路上其他頻音的剩 余的功率預(yù)算。同時(shí)，由于串?dāng)_， 一個(gè)頻音上的功率對(duì)其他線路性能 也有直接影響。因此，頻音上的功率不僅影響使用該頻音的線路，而 且影響所有頻音處的所有線路。
DSL系統(tǒng)中的DSM有兩種途徑速率最大化問(wèn)題(RMP )和功 率最小化問(wèn)題(PMP)。因而，RMP方法專注于在給定功率預(yù)算的情 況下使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率最大化，而PMP方法則專注于在確保最小數(shù)據(jù) 率同時(shí)使系統(tǒng)的功率最小化。
現(xiàn)在，考慮具有N個(gè)用戶和K個(gè)頻音的系統(tǒng)。對(duì)于所有基于多頻 音的通信系統(tǒng)而言，頻音是預(yù)定的頻率范圍，并且假設(shè)不同的頻音之 間并無(wú)相互干擾。用戶n在頻音k上用于傳輸?shù)墓β时粯?biāo)識(shí)為P/。所 有頻音上所有用戶用于傳輸?shù)墓β时槐硎緸?A1 Pf
<formula>formula see original document page 6</formula>
P是矩陣，其中左上角的元素將表示用戶1在第一頻音上的功率。 右下角的元素將表示第N個(gè)用戶在頻音K上的功率。P的一行(將被 稱作Pn),將表示用戶n在所有頻音上的PSD，即，P,[pK…，pr1,^]。 P的一列(將被稱為Pk)將表示所有用戶在一個(gè)頻音上的PSD,即
RMP專注于在系統(tǒng)中的每個(gè)用戶的有限功率預(yù)算的情況下找到 所允許的最大數(shù)據(jù)率。能夠?qū)⑵溆霉奖硎境梢韵氯蝿?wù)尋找上述給 定矩陣P,以使得給定用戶的數(shù)據(jù)率最大化而網(wǎng)絡(luò)中的所有其他用戶 分別獲得所期望的最小數(shù)據(jù)率iCn ，且同時(shí)遵從每個(gè)用戶的有限功率 預(yù)算。每個(gè)用戶的有限功率預(yù)算還可以被表示為存在每個(gè)用戶最大允 許發(fā)射功率。事實(shí)上，在DSL標(biāo)準(zhǔn)中，PSD屏蔽(mask)被定義為其限制發(fā)射PSD,其繼而限制了用戶的允許發(fā)射功率。在近來(lái)的DSM 研究中，RMP已經(jīng)成為主要研究焦點(diǎn)。下文中將描述四種適于求解 RMP的7>知方法。
首先， 一種被稱為最優(yōu)譜均衡(OSB)的方法對(duì)數(shù)據(jù)率區(qū)域的凸 性(convexity)作假設(shè)。OSB引入拉格朗日變量以在數(shù)學(xué)上用公式表 示該問(wèn)題，并且能夠通過(guò)對(duì)偶分解來(lái)在頻率上對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解耦 (decouple )并解決每頻音最大化，以找到RMP的最優(yōu)解。盡管如此， 其需要集中式處理并且十分復(fù)雜。此外，其僅對(duì)于最多4個(gè)用戶的網(wǎng) 絡(luò)是可行的。Cendrillon等人的 "Optimal Multi-user Spectrum Management for Digital Subscriber Lines", Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC), Paris, 2004年的1-5頁(yè)中描述了 OSB算法。OSB方法還在專利申請(qǐng)EP1492261中被公開(kāi)。
第二, Cendrillon等人的"Iterative Spectrum Balancing for Digital Subscriber Lines", IEEE International Conference on Communications (ICC)， 2005年的1937-1941頁(yè)中描述了被稱為迭代譜均衡(ISB )的 OSB方法的迭代版本。其能夠被解釋為IWF(下文中將對(duì)其進(jìn)行描述) 和OSB的最有利方面中的某些方面之間的折衷。其從IWF繼承了其 迭代特性并從OSB繼承了對(duì)拉格朗日變量、對(duì)偶分解和加權(quán)速率和 的使用。它降低了復(fù)雜度。因此，對(duì)于更大的網(wǎng)絡(luò)而言，ISB是可行 的，并且其提供近似最優(yōu)的結(jié)果。盡管如此，其和OSB —樣，是集 中式的解決方案。
第三，被稱為低復(fù)雜度連續(xù)凸性逼近(SCALE)的算法采用原始 非凸目標(biāo)函數(shù)的凸性逼近，并且通過(guò)該函數(shù)進(jìn)行迭代直到該逼近盡可 能地接近原始公式。和OSB —樣，其也使用拉格朗日變量以及加權(quán) 速率和。其可進(jìn)行分布式實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜度低并且性能近似最優(yōu)。 Papandriopoulos等人的 "Low-Complexity Distributed Algorithms for Spectrum Balancing in Multi-User DSL Networks", 2005 中描述了 SCALE算法。
最后，迭代注水(IWF)算法是最初公布的譜優(yōu)化算法之一。通 過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓奖硎荆琑MP和PMP這二者都能夠被解 決。對(duì)于RMP而言，IWF算法在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)迭代地使用注水法， 其中每個(gè)用戶利用功率預(yù)算，以獲得最大數(shù)據(jù)率。對(duì)于PMP而言，IWF
7算法在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)迭代地使用注水法，其中每個(gè)用戶利用必要的 最小功率，以獲得最小數(shù)據(jù)率。迭代注水采用迭代過(guò)程，由此每個(gè)發(fā) 射機(jī)依次應(yīng)用經(jīng)典注水方案，即增加或減少其自身的功率分配，直到 達(dá)到收斂點(diǎn)。其具有低復(fù)雜度且自動(dòng)實(shí)施的特點(diǎn)，即處理是分布在網(wǎng)
絡(luò)中的。Yu等人的 "Distributed multiuser Power Control for Digital
Subscriber Lines,", IEEE Journal on Selected Areas of Communications,
vol. 20， 2002年第1105—1115頁(yè)中公開(kāi)了 IWF算法。
PMP問(wèn)題不像RMP問(wèn)題那樣已經(jīng)被經(jīng)常地解決。能夠?qū)MP用
公式表示為以下任務(wù)在所有頻音上尋找一組最優(yōu)PSD，即P矩陣中
功率分配的給定組合，以使系統(tǒng)中所分配的總功率最小化，從而獲得
一組給定的最小所需數(shù)據(jù)率。即<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，最小所需數(shù)據(jù)率7 ，被用作最優(yōu)PSD的標(biāo)志。此外，/r是
用戶n在所有頻音上的總分配功率，即向量p"中所有元素之和。/rx是
用戶n在所有頻音上的最大允許功率，而i "是用戶n所獲得的數(shù)據(jù)率。 為了求解該問(wèn)題，能夠使用與該問(wèn)題的性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)函數(shù)。 該目標(biāo)函數(shù)確定了給定解解決該問(wèn)題的優(yōu)劣程度。PMP(l)的目標(biāo) 函數(shù)能夠被寫(xiě)成加權(quán)功率和的最小化，其中將適當(dāng)?shù)卮_定一組給定加 權(quán)因子％,<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，氣是用戶n的權(quán)重或優(yōu)先級(jí)。所有用戶的權(quán)重之和是恒定
的，^> =0，。=常數(shù)。
O"SB、 ISB和SCALE方法將需要額外的計(jì)算步驟以對(duì)被表示成方 程(2)的PMP進(jìn)行求解。因此，復(fù)雜度將會(huì)增加并且收斂速度會(huì)降 低，這使得它們不適于求解PMP。
即^f吏將IWF方法作為一種求解RMP的方式而引入，IWF方法對(duì)于此目的而言是極為不理想的，原因是其沒(méi)有考慮到變化對(duì)其他線路 的影響。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是獲得一種用于功率最小化譜均衡的改進(jìn)方
法和i殳備。
目標(biāo)問(wèn)題是如何在所有頻音上找到一組PSD,即矩陣P中功率分 配的組合，以使系統(tǒng)中所分配的總功率最小化，從而獲得一組最小所
需數(shù)據(jù)率。
根據(jù)第 一方面，本發(fā)明涉及用于在基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中 為至少一個(gè)頻音確定多個(gè)用戶在物理信道上的PSD的方法。所述多個(gè) 用戶中的每個(gè)用戶具有最小所需數(shù)據(jù)率，并且具有最大允許功率。該 方法包括以下步驟a)為每個(gè)用戶初始化權(quán)重w"; b)為每個(gè)用戶初 始化拉格朗日乘子A; c)為至少一個(gè)頻音確定在所述物理信道上的 PSD,以使得對(duì)于每個(gè)頻音而言在所述物理信道上的所述PSD使關(guān)于 功率的拉格朗日公式最小化，并且由此拉格朗日7>式包括權(quán)重和乘 子；d)根據(jù)所確定的PSD為每個(gè)用戶確定所獲得的數(shù)據(jù)率；e)調(diào)整 每個(gè)用戶的拉格朗日乘子；f)重復(fù)c)至e),直到每個(gè)用戶所獲得 的數(shù)據(jù)率分別等于每個(gè)用戶的最小所需數(shù)據(jù)率；g)確定每個(gè)用戶的 總分配功率；h)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重；i)重復(fù)步驟c)至h),直到 每個(gè)用戶在至少一個(gè)頻音上的總分配功率小于或等于每個(gè)用戶的最 大允許功率，該方法是多線路通信系統(tǒng)中PMP問(wèn)題的改進(jìn)解決方案。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，拉格朗日公式是所有用戶中每個(gè)用戶在所述 頻音上的功率與權(quán)重氣之積的和，減去所有用戶中每個(gè)用戶在所述頻 音上的比特加載與4i格朗日乘子// 之積的和。
優(yōu)選地，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)率與最小所需數(shù)據(jù)率之差乘以步長(zhǎng)值 來(lái)調(diào)整拉格朗日乘子// 。此外，根據(jù)用戶在所有頻音上的總傳輸功率
與用戶的最大允許功率之差乘以步長(zhǎng)值來(lái)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重w"。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種發(fā)射機(jī)單元，其適于為至少一個(gè) 頻音確定多個(gè)用戶在物理信道上的PSD。所述多個(gè)用戶中的每個(gè)用戶 具有最小所需數(shù)據(jù)率，并且具有最大允許功率。該發(fā)射機(jī)單元包括 用于為每個(gè)用戶初始化權(quán)重w。的初始化裝置；用于為每個(gè)用戶初始化拉格朗日乘子A的初始化裝置；確定裝置，用于為至少一個(gè)頻音確定 在所述物理信道上的PSD,以使得對(duì)于每個(gè)頻音而言，在所述物理信 道上的所述P S D使關(guān)于功率的拉格朗日公式最小化，并用于根據(jù)所確 定的PSD為每個(gè)用戶確定所獲得的數(shù)據(jù)率。拉格朗日公式包括權(quán)重和 乘子。發(fā)射機(jī)單元還包括用于調(diào)整每個(gè)用戶的拉格朗日乘子的調(diào)整 裝置；第一控制器，其適于反復(fù)地控制確定裝置和調(diào)整裝置的操作， 直到每個(gè)用戶所獲得的數(shù)據(jù)率分別等于每個(gè)用戶最小所需數(shù)據(jù)率；用 于確定每個(gè)用戶的總分配功率的確定裝置；用于調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重 的調(diào)整裝置；以及第二控制器，適于反復(fù)控制用于確定所述PSD和所 述所獲得的數(shù)據(jù)率的裝置、和用于調(diào)整拉格朗日乘子的裝置、和第一 控制器、和用于確定每個(gè)用戶的總分配功率的裝置、以及用于調(diào)整每 個(gè)用戶的權(quán)重的裝置的操作，直到每個(gè)用戶在至少一個(gè)頻音上的總分 配功率小于或等于每個(gè)用戶的最大允許功率。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述拉格朗日公式是所有用戶中每個(gè)用戶在 所述頻音上的功率與權(quán)重氣之積的和，減去所有用戶中每個(gè)用戶在所 述頻音上的比特加載與拉格朗日乘子// 之積的和。
優(yōu)選地，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)率與最小所需數(shù)據(jù)率之差乘以步長(zhǎng)值 來(lái)調(diào)整拉格朗日乘子^。此外，根據(jù)用戶在所有頻音上的總發(fā)射功率 與用戶的最大允許功率之差乘以步長(zhǎng)值來(lái)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重w 。
本發(fā)明為與多頻音傳輸相關(guān)聯(lián)的PMP問(wèn)題提供了一種解決方案。 因而，目標(biāo)問(wèn)題是通過(guò)使用本發(fā)明中的方法來(lái)解決的，由此，能夠找 到這樣的PSD，其在滿足給定數(shù)據(jù)率和發(fā)射功率約束的情況下在網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)使用最小所需傳輸功率。該方法是可信的、穩(wěn)定的并且針對(duì)每種所 分析的情況均找到了收斂。本方法在PMP方面明顯是最優(yōu)的。本方 法能夠在沒(méi)有在兩個(gè)循環(huán)中重復(fù)的限制的情況下通過(guò)數(shù)據(jù)率區(qū)域中 的可行點(diǎn)的整個(gè)區(qū)域。其他現(xiàn)有技術(shù)水平的DSM解決方案也同樣能 做到這一點(diǎn)，但是需要增加額外的外部循環(huán)從而增加了復(fù)雜度。這意 味著本發(fā)明是已知的能夠在沒(méi)有限制的情況下繪制整個(gè)數(shù)據(jù)率區(qū)域 的、復(fù)雜度最低的方案。
與現(xiàn)有解決方案相比，本發(fā)明將始終為可行數(shù)據(jù)率區(qū)域中的給定 操作點(diǎn)分配必要的最小發(fā)射功率。由該減少所產(chǎn)生的剩余功率能夠被 用于增加噪聲容限或僅降低網(wǎng)絡(luò)中的功耗。本方法能夠達(dá)到數(shù)據(jù)率區(qū)域中所有點(diǎn)，所以允許系統(tǒng)操作者在網(wǎng)絡(luò)資源管理方面擁有更高的靈 活度，即能夠更為容易且精確地控制數(shù)據(jù)率對(duì)達(dá)到范圍、功率對(duì)噪聲容限。
此外，本發(fā)明可以在具有可用頻譜管理中心(SMC)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò) 中實(shí)施，其中在SMC中完成所有的處理。
附圖簡(jiǎn)述
下文將參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
圖1圖示了典型DSL系統(tǒng)中源自遠(yuǎn)程終端的串?dāng)_；
圖2描繪了一種其中適用本發(fā)明的所關(guān)心的情形；
圖3示出了針對(duì)所關(guān)心的情形、利用本發(fā)明所繪制的點(diǎn)的例子；
圖4示出了利用本發(fā)明的重復(fù)序列而獲得的不同速率曲線的例
子；
圖5示出了標(biāo)示雙線路情形的信道定義； 圖6用流程圖闡釋了根據(jù)本發(fā)明的方法；和 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射機(jī)單元。
詳纟田4笛述
在以下描述中，出于解釋而非限制的目的，闡釋了特定細(xì)節(jié)，例 如步驟的特定序列、信令協(xié)議和設(shè)備配置，以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹 理解。對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，很明顯的是，可以在脫離這些 特定細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中實(shí)踐本發(fā)明。
此外，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，可以使用結(jié)合了經(jīng)編程的 微處理器或通用計(jì)算機(jī)的軟件功能、和/或使用專用集成電路(ASIC) 來(lái)實(shí)現(xiàn)本說(shuō)明書(shū)下文中所解釋的功能。還應(yīng)意識(shí)到，盡管主要是以方 法和設(shè)備的形式來(lái)描述本發(fā)明的，但是本發(fā)明還可以體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)程 序產(chǎn)品以及包括計(jì)算機(jī)處理器和耦合到處理器的存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，其 中利用可執(zhí)行在此所公開(kāi)的功能的 一個(gè)或多個(gè)程序來(lái)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行 編碼。
本發(fā)明的基本思想是通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的通過(guò)在數(shù)學(xué)上用公 式表示PMP ( 1 )、引入拉格朗日乘子并通過(guò)使用PMP ( 2 )的目標(biāo) 函數(shù)的對(duì)偶分解法來(lái)以每頻音為基礎(chǔ)求解PMP。拉格朗日乘子能夠被用于在服從約束的情況下尋找函數(shù)的極值。例如，S Boyd和L Vandenberghe的"Convex Optimization", Cambridge University Press 2004中公開(kāi)了在最優(yōu)化理論中使用拉格朗日乘子。在本發(fā)明中，通過(guò) 將搜索分解成頻音獨(dú)立的搜索來(lái)避免先前描述的P矩陣中的窮舉搜索。
使用拉格朗日乘子并利用對(duì)偶分解來(lái)求解凸問(wèn)題(convex problem)是公知并被廣泛使用的方法。近來(lái)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用上述工具 能夠最優(yōu)地解決某些非凸問(wèn)題。條件是信道響應(yīng)應(yīng)當(dāng)是頻率的慢變 函數(shù)，即，相鄰頻音中的信道響應(yīng)將呈現(xiàn)平緩變化。在DSL系統(tǒng)中， 頻音間隔足夠小，故其滿足該條件。本發(fā)明利用這個(gè)事實(shí)來(lái)為PMP 問(wèn)題開(kāi)發(fā)出 一種改進(jìn)的解決方案。
在以下描述中，將給出有關(guān)引入拉格朗日乘子以及對(duì)在本發(fā)明的 方法中所使用的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行對(duì)偶分解的其他細(xì)節(jié)。
該方法開(kāi)始于以下步驟將PMP(2)的目標(biāo)函數(shù)在其拉格朗日對(duì)偶 域L中重寫(xiě)為以下形式，該域是主要問(wèn)題為PMP(l)的對(duì)偶問(wèn)題域，
P = arg min丄=arg min
(3)
其中A是拉格朗日乘子。方程(3)將仍需要在P矩陣中對(duì)所有 頻音上所有用戶的發(fā)射功率的所有可能組合進(jìn)行完整窮舉搜索，即全 局搜索。
盡管如此，如下文所述，可以通過(guò)4巴對(duì)整個(gè)P矩陣的拉才各朗日對(duì) 偶(方程(3))完整全局窮舉搜索分解為對(duì)P矩陣的列的局部窮舉 搜索，來(lái)最優(yōu)地求解PMP。
首先，引入每頻音拉格朗日公式"
P -argnjin丄=argniin
(4)
其中如前所述，"是頻音k上用戶n的用于傳輸?shù)墓β?，并且《?br> 用戶n在頻音k上的比特加載，即用戶n在頻音k中傳送的比特?cái)?shù)。
比特加載《基本上取決于"，其間關(guān)系為 ^ =log2(l + .S《)
其中a是給定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并且用戶n在頻音k上的信噪比 SA^是所接收到的信息信號(hào)功率與該頻音上的噪聲水平之間的比值。
12用戶n在頻音k中的噪聲由背景噪聲cr;:加上所有線路的串?dāng)_噪聲來(lái)確 定，其中下標(biāo)w-w。
A卞
S層f =
其中《是頻音k上發(fā)射機(jī)j與接收機(jī)i之間的傳遞函數(shù)的值，如 圖5中所示。因?yàn)樯鲜霰忍丶虞d方程不允許整數(shù)解，所以在實(shí)際中， 能夠最終使用四舍五入后的形式。
第11個(gè)用戶的數(shù)據(jù)率能夠被計(jì)算為及 =/;^>:,其中x是標(biāo)準(zhǔn)化離
散多頻音(DMT)符號(hào)速率。因?yàn)閥;是常數(shù)項(xiàng)，故其不干預(yù)優(yōu)化。因 此，在公式中其能夠被忽略。此外，在上述公式中能夠忽略項(xiàng)2>入，，
原因是其在所有用戶在一個(gè)頻音上的PSD pA上是恒定的。因此，方 程4^皮簡(jiǎn)化為
P =argniinJL =argn}in
(5)
方程(5)將原始問(wèn)題簡(jiǎn)化為更小的子問(wèn)題，僅涉及一個(gè)單一頻 音。以上最小化的結(jié)果將是對(duì)于給定頻音k而言包含了所有用戶的 PSD的向量，即等價(jià)于原始P矩陣中的一列。因此，必須針對(duì)每個(gè)頻 音來(lái)求方程(5)的值，以使得P矩陣能夠被完全確認(rèn)。
為了顯示原始問(wèn)題的解與對(duì)偶分解的解是相同的，將方程(3) 寫(xiě)成
P = argminZ = argmin P p
(6)
同樣，方程(6)中的中間項(xiàng)Z/vC。在P矩陣上是恒定的，并且
因此能夠?qū)⑵鋸脑摴街泻雎缘簟，F(xiàn)在將方程(6)的每頻音分解考 慮成
P = arg m_in jL = arg min
(7)
其能夠被再次重寫(xiě)為<formula>formula see original document page 14</formula>(8)
因此，該方法使得可以通過(guò)針對(duì)每個(gè)頻音進(jìn)行其對(duì)偶域分解來(lái)求 解PMP。也就是，原始問(wèn)題的解與對(duì)偶分解的解是相同的。
方程(5)是在本發(fā)明中所使用的方程，原因是其僅需要獨(dú)立地 求每個(gè)頻音的值以獲得完整的最優(yōu)解。以這種方式，沒(méi)有必要搜索P 的所有可能組合，僅需搜索pt的所有組合，即對(duì)每個(gè)頻音進(jìn)行一次搜 索。該方法使得復(fù)雜度大為降低。當(dāng)分別為每個(gè)頻音最小化拉格朗日 公式P時(shí)，PMP(2)在其拉格朗日對(duì)偶域內(nèi)的原始目標(biāo)方程L也被最小 化。
此外，PMP的全局最小化(即在所有頻音上進(jìn)行)與方程(5) 的局部最小化(即在 一 個(gè)頻音上進(jìn)行)之間的聯(lián)系是拉格朗日乘子// 。 拉格朗日乘子^能夠被解釋為用于用戶n的比特加載的成本約化 (cost-scaling)變量，這意味著如果增加// ,則對(duì)于用戶n的任意頻
音
而言，比特加載將永遠(yuǎn)不會(huì)降低(
為了獲得在滿足給定數(shù)據(jù)率和傳輸功率約束的情況下在網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 使用最小所需傳輸功率的PSD，根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行以下步驟。1.
V";
2. 初始化// 任意V";
3. 重復(fù)4.
重復(fù)
對(duì)于A;-l:〖，6.7.8.9.10.
P = arg min
直到 i 《in V" 如果C > P max V",
錯(cuò)誤=>期望點(diǎn)是不可能的;
1411. 否則，
12 w = w + ew (尸"'。'- P max) V";
13.直至'J戶 加《尸;"狀v"
在步驟1中，初始化每個(gè)用戶的權(quán)重w",并且將其設(shè)定為適當(dāng)值，
優(yōu)選是用戶之間針對(duì)其存在完美均衡的值。在步驟2中，初始化每個(gè) 用戶的拉格朗日乘子A并將其設(shè)定為任意值。
該方法由兩個(gè)循環(huán)組成。 一旦所有數(shù)據(jù)率都已經(jīng)達(dá)到它們的最小 期望值，最里面的循環(huán)(步驟4到8)就會(huì)收斂。對(duì)于每個(gè)子信道k (步驟5)，即基于多頻音的通信系統(tǒng)中的頻音，在W空間中掃描 (sweep)所有組合(即所有用戶在一個(gè)頻音上的PSD)并且尋找使 拉格朗日公式P最小化的集合是必要的。因而，如步驟6中所示，確 定對(duì)于每個(gè)頻音而言使拉格朗日公式f最小化的所有用戶的PSD。
通過(guò)從每個(gè)用戶的功率的加權(quán)和(方程(5 )中右面第一項(xiàng))中 減去每個(gè)用戶的比特加載之和乘以拉格朗日乘子// (方程(5)中右 面第二項(xiàng))，拉格朗日公式zM尋以形成。每個(gè)用戶的功率搜索空間乂 由DSL標(biāo)準(zhǔn)中的頻譜屏蔽的限制來(lái)限定。比特加載《通過(guò)用戶n在頻 音k上的信噪比幼《來(lái)確定，如上所描述的那樣。此外，每個(gè)用戶所 獲得的數(shù)據(jù)率/ 通過(guò)比特加載《來(lái)確定。
每個(gè)用戶的比特加載之和中的乘子// 被解釋成每子信道比特的 成本約化變量。因而，如果用戶n的^增加，則將分配更多比特，即 對(duì)于每個(gè)頻音而言，將加載更多比特，或者如果// 減小，將為每個(gè)頻 音分配更少的比特。
如在步驟7中所見(jiàn)，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)率與最小所需數(shù)據(jù)率之差 乘以步長(zhǎng)值、來(lái)調(diào)整乘子^。為達(dá)到收斂，每個(gè)用戶必須具有與其最 小數(shù)據(jù)率成比例的拉格朗日乘子A。如步驟2中所示，能夠用任意值 來(lái)初始化乘子A。隨著乘子被更新，其總是會(huì)收斂至對(duì)于任意可能的 最小所需數(shù)據(jù)率《n而言的最優(yōu)值。該方法重復(fù)進(jìn)行步驟5 - 7直到每 個(gè)用戶所獲得的數(shù)據(jù)率等于每個(gè)用戶的最小所需數(shù)據(jù)率。
此外，每個(gè)用戶在所有頻音上的總分配功率if'，即向量P。中所有 元素之和被確定。如果每個(gè)用戶的總分配功率超過(guò)了最大允許功率 iTx,則搡作點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)率容量被超過(guò)，因此不是可行的結(jié)果。另 外，當(dāng)每個(gè)用戶的總分配功率小于或等于最大允許功率iT1，則執(zhí)行對(duì)變量W,的調(diào)整，如在步驟12中所示。
拉格朗日變量w"使得能夠?qū)τ脩糁g的信道資源的最優(yōu)折衷進(jìn)
行協(xié)商j艮據(jù)用戶n在所有頻音上的總分配功率Pj。'與用戶n在所有頻 音上的最大允許功率Pr之差乘以步長(zhǎng)值"來(lái)調(diào)整權(quán)重、(步驟12)。 本方法重復(fù)步驟3- 13直到每個(gè)用戶在所有頻音上的總分配功率小于 或等于每個(gè)用戶的最大允許功率。因此，在最外面的循環(huán)(步驟3到 13)收斂時(shí)，在滿足所需數(shù)據(jù)率與功率約束的情況下，找到了一組 PSD。
對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，很明顯的是，能夠以多種不同方
式來(lái)調(diào)整乘子與變量這二者，只要這種調(diào)整與各自所獲得的數(shù)據(jù)率、 功率與各自所期望的數(shù)據(jù)率與功率之間的差成比例。例如，如果所獲
得的數(shù)據(jù)率與最小期望數(shù)據(jù)率之間的差為負(fù)，則可以將乘子減小預(yù)定 值，并且如果該差為正，則可以將乘子增加預(yù)定值。
因而，本發(fā)明涉及用于基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中的功率最小 化的方法。圖6中的流程圖闡釋了根據(jù)本發(fā)明的方法，該方法包括以 下步驟
-a)為每個(gè)用戶初始化^又重w";
-b)為每個(gè)用戶初始化拉格朗日乘子// ;
-c)為至少一個(gè)頻音確定在所述物理信道上的PSD，以使得對(duì) 于每個(gè)頻音而言在所述物理信道上的所述PSD使關(guān)于功率的拉格朗 日公式最小化，并且由此拉格朗日公式包括所述權(quán)重和所述乘子；
-d)根據(jù)所確定的PSD為每個(gè)用戶確定所獲得的數(shù)據(jù)率；
-e)調(diào)整每個(gè)用戶的拉格朗日乘子；
-f)重復(fù)c)至e),直到每個(gè)用戶所獲得的數(shù)據(jù)率分別等于每 個(gè)用戶的最小所需數(shù)據(jù)率；
-g)確定每個(gè)用戶的總分配功率； -h)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重；
-i)重復(fù)步驟c)至h),直到每個(gè)用戶在至少一個(gè)頻音上的總 分配功率小于或等于每個(gè)用戶的最大允許功率。
參見(jiàn)圖2,其描繪了所關(guān)心的情形，其將被用作對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一 步描述中的參考系統(tǒng)。在這種情況下，所關(guān)心的情形是2-用戶，即2 條線路21和22，下游ADSL系統(tǒng)，如圖2中所示。這種拓樸對(duì)于頻譜管理而言是最為復(fù)雜的情況之一，原因是中央局(CO)的下游接收
機(jī)(即收發(fā)機(jī)單元23 ),經(jīng)受源自遠(yuǎn)程終端(RT)的下游發(fā)射機(jī)(即 收發(fā)機(jī)單元24)的大量串?dāng)_。
在圖7中，圖示了本發(fā)明的發(fā)射機(jī)單元700。例如位于中央局的 發(fā)射機(jī)單元，適用于基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中的功率最小化，并 且所述發(fā)射機(jī)單元包括
-用于為每個(gè)用戶初始化權(quán)重w"的初始化裝置710;
-用于為每個(gè)用戶初始化拉格朗日乘子// 的初始化裝置720;
-確定裝置730，用于為至少一個(gè)頻音確定在所述物理信道上的 PSD,以使得對(duì)于每個(gè)頻音而言在所述物理信道上的所述PSD使關(guān)于 功率的拉格朗日公式最小化并且由此拉格朗日公式包括所述權(quán)重和 所述乘子，并且用于根據(jù)所確定的PSD為每個(gè)用戶確定所獲得的數(shù)據(jù) 率；
-用于調(diào)整每個(gè)用戶的拉格朗日乘子的調(diào)整裝置740;
-第一控制器750,適于反復(fù)控制確定裝置和調(diào)整裝置的操作， 直到每個(gè)用戶所獲得的數(shù)據(jù)率分別等于每個(gè)用戶的最小所需數(shù)據(jù)率；
-用于確定每個(gè)用戶的總分配功率的確定裝置760;
-用于調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重的調(diào)整裝置770;
-第二控制器780，適于反復(fù)控制用于確定所述PSD和所述所獲 得的數(shù)據(jù)率的裝置、和用于調(diào)整拉格朗日乘子的裝置、和第一控制器、 和用于確定每個(gè)用戶的總分配功率的裝置、以及用于調(diào)整每個(gè)用戶的 權(quán)重的裝置的操作，直到每個(gè)用戶在至少一個(gè)頻音上的總分配功率小 于或等于每個(gè)用戶的最大允許功率。
此外，圖3中的虛線示出了操作點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)率容量，其中給定 兩條傳輸線路21、 22 (即用戶)的最大功率ir"的特定組合，能夠利 用PMP的最優(yōu)解來(lái)獲得每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)率(即分別為中央局的數(shù)據(jù) 率A。以及遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)率i^ )與每個(gè)用戶的串?dāng)_發(fā)射之間的最佳 平衡。對(duì)于曲線中的每個(gè)點(diǎn)，收發(fā)機(jī)單元23和24使用其最大功率。 超過(guò)該速率曲線的點(diǎn)被認(rèn)為是不可行的，除非為至少一條線路提高了 最大功率。
利用本發(fā)明，能夠達(dá)到可獲得數(shù)據(jù)率區(qū)域的邊界點(diǎn)，如圖3中所 示。圖3示出了對(duì)于所關(guān)心的情形、利用本發(fā)明繪制的點(diǎn)(用十字叉
17標(biāo)記)的例子。
圖3還示出了數(shù)據(jù)率區(qū)域內(nèi)部的四個(gè)示例性點(diǎn)。這些點(diǎn)也是利用
本方法來(lái)達(dá)到的。其他現(xiàn)有技術(shù)中的方法也可以繪出它們，但是需要 額外的計(jì)算步驟來(lái)降低在系統(tǒng)中將分配的最大功率。增加這樣的額外 步驟會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜度急劇增加。通過(guò)使用本發(fā)明的方法，僅重復(fù)一個(gè)循
環(huán)(步驟4到8),就可以直接獲得這些點(diǎn)。在搜索這些點(diǎn)時(shí)，外循 環(huán)被忽略，原因是不必對(duì)用戶權(quán)重w"進(jìn)行調(diào)整。圖2中所描繪的系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)率區(qū)域內(nèi)部的若干點(diǎn)是利用本方法而獲得的。為這些點(diǎn)中的每
個(gè)點(diǎn)使用該方法產(chǎn)生一組總分配功率，即對(duì)所有用戶而言，用戶n在 所有頻音上的總分配功率《。'。如果這組總分配功率被用作RMP的最 優(yōu)解的輸入，則將會(huì)發(fā)現(xiàn)，結(jié)果與所提出的方法的結(jié)果相同。這個(gè)事 實(shí)證明了所提出的方法對(duì)于PMP而言的最優(yōu)性。
如果達(dá)到數(shù)據(jù)率區(qū)域內(nèi)部的點(diǎn)，則利用本發(fā)明能夠以小于最大允 許傳輸功率的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的所需數(shù)據(jù)率。系統(tǒng)操作者可以將剩 余功率用于提高噪聲容限，或根本就不使用這些剩余功率，由此獲得 了噪聲更少的集束并且降低了冷卻要求。
所提出的方法并不局限于僅尋找速率區(qū)域的子集。如圖3中所示， 根據(jù)本發(fā)明的該方法允許通過(guò)整個(gè)理論可到達(dá)的數(shù)據(jù)率區(qū)域，包括內(nèi) 部和邊界點(diǎn)，并且僅在兩次循環(huán)中重復(fù)。對(duì)于數(shù)據(jù)率區(qū)域邊界處的給 定點(diǎn)，本方法的最內(nèi)循環(huán)的第一次重復(fù)，即步驟4至8，將收斂于其 中一個(gè)用戶違反其功率預(yù)算的情況。外循環(huán)，即步驟3至13，此后會(huì) 校正用戶權(quán)重以便避免違反功率預(yù)算。此后該重復(fù)序列會(huì)在外循環(huán)中 找到適當(dāng)權(quán)重，以使得內(nèi)循環(huán)能夠收斂于其中每個(gè)用戶的功率約束都 得以遵守的情況。圖4圖示了本方法的重復(fù)序列以及利用每次重復(fù)所 獲得的不同區(qū)域。
盡管所有所提出的細(xì)節(jié)都是針對(duì)DSL傳輸系統(tǒng)而解釋的，但本申 請(qǐng)并不僅僅局限與此，而是本發(fā)明適用于所有滿足平滑信道響應(yīng)條件 的多頻音傳輸系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)針對(duì)特定實(shí)施例(包括某些設(shè)備配置和各種方法內(nèi)的某 些步驟次序)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員會(huì)意識(shí) 到，本發(fā)明并不局限于本說(shuō)明書(shū)中所描述并闡釋的特定實(shí)施例。因此， 應(yīng)當(dāng)理解，本公開(kāi)僅僅是說(shuō)明性的。因而，本發(fā)明意在僅由所附權(quán)利要求的范圍來(lái)限定。
權(quán)利要求
1. 一種用于在基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中為至少一個(gè)頻音確定多個(gè)用戶在物理信道上的功率譜密度(PSD)的方法，由此所述多個(gè)用戶中的每個(gè)用戶具有最小所需數(shù)據(jù)率，并且由此存在每個(gè)用戶的最大允許功率，其特征在于，所述方法包括以下步驟-a)為每個(gè)用戶初始化權(quán)重wn；-b)為每個(gè)用戶初始化拉格朗日乘子μn；-c)為至少一個(gè)頻音確定在所述物理信道上的PSD，以使得對(duì)于每個(gè)頻音而言在所述物理信道上的所述PSD使關(guān)于功率的拉格朗日公式最小化，并且由此拉格朗日公式包括所述權(quán)重和所述乘子；-d)根據(jù)所確定的PSD為每個(gè)用戶確定所獲得的數(shù)據(jù)率；-e)調(diào)整每個(gè)用戶的拉格朗日乘子；-f)重復(fù)c)至e)，直到每個(gè)用戶所獲得的數(shù)據(jù)率分別等于每個(gè)用戶的最小所需數(shù)據(jù)率；-g)確定每個(gè)用戶的總分配功率；-h)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重；-i)重復(fù)步驟c)至h)，直到每個(gè)用戶在至少一個(gè)頻音上的總分配功率小于或等于每個(gè)用戶的最大允許功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述拉格朗日公式 是所有用戶中每個(gè)用戶在所述頻音上的功率與權(quán)重w"之積的和，減 去所有用戶中每個(gè)用戶在所述頻音上的比特加載與拉格朗日乘子A 之積的和。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于根據(jù)所 獲得的數(shù)據(jù)率與最小所需數(shù)據(jù)率之差乘以步長(zhǎng)值來(lái)調(diào)整拉格朗曰乘
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于根據(jù)用 戶在所有頻音上的總發(fā)射功率與用戶的最大允許功率之差乘以步長(zhǎng) 值來(lái)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重w"。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于基于多 頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)是數(shù)字訂戶線路系統(tǒng)(DSL)系統(tǒng)。
6. —種基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中的發(fā)射機(jī)單元(700)，其 適于為至少一個(gè)頻音確定多個(gè)用戶在物理信道上的功率譜密度(PSD),由此所述多個(gè)用戶中的每個(gè)用戶具有最小所需數(shù)據(jù)率，并 且由此存在每個(gè)用戶的最大允許功率，發(fā)射機(jī)單元(700)的特征在 于-用于為每個(gè)用戶初始化權(quán)重w"的初始化裝置(710);-用于為每個(gè)用戶初始化拉格朗日乘子A的初始化裝置(720);-確定裝置(730 ),用于為至少一個(gè)頻音確定在所述物理信道 上的PSD,以使得對(duì)于每個(gè)頻音而言在所述物理信道上的所述PSD使 關(guān)于功率的拉格朗日公式最小化并且由此拉格朗日公式包括所述權(quán) 重和所述乘子，并用于根據(jù)所確定的PSD為每個(gè)用戶確定所獲得的數(shù) 據(jù)率；-用于調(diào)整每個(gè)用戶的拉格朗日乘子的調(diào)整裝置(740);-第一控制器(750 ),適于反復(fù)控制確定裝置和調(diào)整裝置的操 作，直到每個(gè)用戶所獲得的數(shù)據(jù)率分別等于每個(gè)用戶的最小所需數(shù)據(jù) 率；-用于確定每個(gè)用戶的總分配功率的確定裝置(760);-用于調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重的調(diào)整裝置(770);-第二控制器(780 )，適于反復(fù)控制用于確定所述PSD和所述 所獲得的數(shù)據(jù)率的裝置、和用于調(diào)整拉格朗日乘子的裝置、和第一控 制器、和用于確定每個(gè)用戶的總分配功率的裝置、以及用于調(diào)整每個(gè) 用戶的權(quán)重的裝置的操作，直到每個(gè)用戶在至少一個(gè)頻音上的總分配 功率小于或等于每個(gè)用戶的最大允許功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于所述拉格朗 日公式是所有用戶中每個(gè)用戶在所述頻音上的功率與權(quán)重w"之積的 和，減去所有用戶中每個(gè)用戶在所述頻音上的比特加載與拉格朗曰乘 子A之積的和。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一項(xiàng)所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于根 據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)率與最小所需數(shù)據(jù)率之差乘以步長(zhǎng)值來(lái)調(diào)整拉格朗 日乘子〃"。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于根 據(jù)用戶在所有頻音的上的總發(fā)射功率與用戶的最大允許功率之差乘 以步長(zhǎng)值來(lái)調(diào)整每個(gè)用戶的權(quán)重w"。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6-9中任一項(xiàng)所述的發(fā)射機(jī)單元，其特征在于基于多頻音傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)是數(shù)字訂戶線路(DSL)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在諸如數(shù)字訂戶線路系統(tǒng)之類的基于多頻音多線路的傳輸系統(tǒng)中的方法與發(fā)射機(jī)單元，其用于為至少一個(gè)頻音確定多個(gè)用戶在物理信道上的功率譜密度(PSD)，由此所述多個(gè)用戶中的每個(gè)用戶具有最小所需數(shù)據(jù)率，并且由此存在每個(gè)用戶的最大允許功率。本發(fā)明的基本思想是通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的通過(guò)在數(shù)學(xué)上用公式表示功率最小化問(wèn)題(PMP)、引入拉格朗日乘子并通過(guò)使用PMP的目標(biāo)函數(shù)的對(duì)偶分解法來(lái)以每頻音為基礎(chǔ)求解PMP。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101523836SQ200680056061
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月11日
發(fā)明者A·克勞陶, B·多特希, J·里厄斯伊里尤, R·B·莫拉斯, R·贊波洛 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司