1.背景技術(shù)

數(shù)字用戶線（Digital Subscriber Line，DSL）技術(shù)是一種通過無屏蔽雙絞線（Unshielded Twist Pair，UTP）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚賯鬏敿夹g(shù)，包括非對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL）、第二代非對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL2）、第二代非對(duì)稱擴(kuò)展頻段的數(shù)字用戶線（ADSL2plus）、第二代甚高速數(shù)字用戶線（VDSL2）等。

目前DSL的調(diào)制解調(diào)器中應(yīng)用線路驅(qū)動(dòng)器（Line Driver，LD）來驅(qū)動(dòng)UTP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DSL技術(shù)主要是采用頻分復(fù)用的離散多音頻（Discrete Multi Tone，DMT）技術(shù)調(diào)制信號(hào)，DMT信號(hào)具有較高的峰均比（Peak-to-Average Ratio，PAR），為了防止DMT信號(hào)的峰值部分出現(xiàn)消波，LD的供電電壓需要一直維持一個(gè)較高電平來滿足峰值部分的輸出幅度，而DMT信號(hào)的幅度大多數(shù)時(shí)間為低電平，僅僅只有大約20%的概率會(huì)出現(xiàn)峰值，從而造成LD的工作效率低下，一般只有14%左右?，F(xiàn)有的Class H類的LD可以根據(jù)輸出的DMT信號(hào)的幅度大小來調(diào)整供電電壓，從而避免一直保持高電平的供電電壓，提高LD的工作效率。在滿足用戶帶寬要求的前提下，最大限度的降低線路驅(qū)動(dòng)器的發(fā)送功率，就可以大大降低電源模塊的供電電壓，從而降低DSL系統(tǒng)的能耗。

2.系統(tǒng)建模

在多對(duì)線的數(shù)字用戶線系統(tǒng)中，為了使用戶獲得更高的接入帶寬，一般都是基于速率最大化的動(dòng)態(tài)頻譜管理模型來調(diào)整線路上的發(fā)送功率譜的大小。然而，在許多情況下，大多數(shù)用戶的數(shù)據(jù)速率可能在速率可達(dá)范圍之內(nèi)，電信運(yùn)營商對(duì)降低設(shè)備功耗更感興趣。一方面，局端設(shè)備運(yùn)行和機(jī)房空調(diào)散熱的電費(fèi)開支日益增加電信運(yùn)營商的運(yùn)營成本；另一方面，隨著新的環(huán)保法律通過，節(jié)能減排這個(gè)問題在世界范圍內(nèi)已得到重視。下面通過系統(tǒng)建模解決DSL網(wǎng)絡(luò)中的功耗問題。

假設(shè)一個(gè)DSL線路系統(tǒng)中有N個(gè)用戶，使用K個(gè)子載波發(fā)送信號(hào)，每個(gè)調(diào)制解調(diào)器的接收端將其它調(diào)制解調(diào)器對(duì)它的干擾作為噪聲。那么在滿足所有用戶的數(shù)據(jù)速率要求的前提下，最大限度降低調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射功率問題可以轉(zhuǎn)化為對(duì)偶優(yōu)化問題：

其中，wn為第n條線路的速率權(quán)重因子，nλ為第n條線路的功率懲罰因子，發(fā)射功率，表示第n個(gè)調(diào)制解調(diào)器在第k個(gè)子載波上的發(fā)射功率譜密度值，第n線的數(shù)據(jù)傳輸速率為表示n個(gè)調(diào)制解調(diào)器在第k個(gè)子載波上的比特承載。

3.最小化供電電壓控制算法

步驟一：首先根據(jù)每個(gè)線路的DSL業(yè)務(wù)傳輸類型和國際標(biāo)準(zhǔn)電信聯(lián)盟對(duì)功率譜限制相關(guān)規(guī)定，給出每個(gè)線路的業(yè)務(wù)目標(biāo)速率，總功率限制。由于DMT是頻分復(fù)用的調(diào)制方式，各個(gè)頻率子載波上的子優(yōu)化函數(shù)不相關(guān)，只需要對(duì)每個(gè)頻率子載波的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分別優(yōu)化：

利用二分法對(duì)權(quán)重因子wn，懲罰因子λn進(jìn)行搜索，得到每個(gè)頻率子載波的功率譜密度的局部最小值。

步驟二：由步驟一得到各個(gè)線路的最小發(fā)送功率，由于所有線路都是使用同一個(gè)電源模塊進(jìn)行供電，計(jì)算所有線路的最小發(fā)射功率中的最大值，并根據(jù)公共最小發(fā)射功率值，計(jì)算滿足所有線路所需的線路驅(qū)動(dòng)供電電壓值，從而避免尤其是重訓(xùn)練時(shí)發(fā)射信號(hào)的幅度過大，造成輸出信號(hào)的幅度超過供電電壓，而引起信號(hào)消波的風(fēng)險(xiǎn)。

步驟三：降低業(yè)務(wù)板的電源模塊的供電電壓值為公共最小電壓值，當(dāng)業(yè)務(wù)板上所有線路的最小發(fā)射功率的最大值小于13dBm時(shí)，首先關(guān)閉CLASS H類的LD的電荷泵，將LD的供電電壓降低到12.5V；若供電電壓降至12.5V后，功耗還有浪費(fèi)，即LD仍然支持繼續(xù)降低電壓到12.5V以下時(shí)，則根據(jù)計(jì)算得到的降電壓值，進(jìn)一步降低LD的供電電壓。

4.仿真結(jié)果

假設(shè)局端非對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL）的長度為5000米，最大可達(dá)速率約為1.5Mbps，用戶實(shí)際開通的業(yè)務(wù)速率為1Mbps，遠(yuǎn)端非對(duì)稱數(shù)字用戶線為3000米，最大可達(dá)速率為9Mbps，用戶實(shí)際開通的業(yè)務(wù)速率為3Mbps。線路最大的發(fā)送功率為20.5dBm，運(yùn)營商的目標(biāo)是在保障用戶開通的業(yè)務(wù)速率的同時(shí)，最大限度地減少其接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗。根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行系統(tǒng)建模后，運(yùn)用最小化供電電壓控制算法進(jìn)行仿真，當(dāng)最小發(fā)射功率等于14.5dBm時(shí)，可以同時(shí)滿足局端用戶和遠(yuǎn)端用戶開通的業(yè)務(wù)速率。

5.結(jié)論

本文通過對(duì)數(shù)字用戶線通訊系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模，得到了最小化供電電壓控制算法，仿真結(jié)果顯示該算法在滿足業(yè)務(wù)速率的同時(shí)，將線路的發(fā)射功率和設(shè)備的供電電壓降至最低，大大降低了運(yùn)營商接入設(shè)備的功耗和用電成本。

[1]ITU-T G.992.1,Asymmetric digital subscriber line(ADSL)transceivers.

[2]K.B.Song,S.T.Chung,G.Ginis,J.M.Cioffi.Dynamic spectrum management for next-generation DSL systems.IEEE Communications Magazine,40(10):101-109,Oct.2002.

[3]T.Starr,J.M.Ciof fi ,P.J.Silverman.Understanding digital subscriber lines.Prentice Hall,1999.