一种多用户数字通讯系统的功率控制

1.背景技术

数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）技术是一种通过无屏蔽双绞线（Unshielded Twist Pair，UTP）进行数据传输的高速传输技术，包括非对称数字用户线（ADSL）、第二代非对称数字用户线（ADSL2）、第二代非对称扩展频段的数字用户线（ADSL2plus）、第二代甚高速数字用户线（VDSL2）等。

目前DSL的调制解调器中应用线路驱动器（Line Driver，LD）来驱动UTP进行数据传输。DSL技术主要是采用频分复用的离散多音频（Discrete Multi Tone，DMT）技术调制信号，DMT信号具有较高的峰均比（Peak-to-Average Ratio，PAR），为了防止DMT信号的峰值部分出现消波，LD的供电电压需要一直维持一个较高电平来满足峰值部分的输出幅度，而DMT信号的幅度大多数时间为低电平，仅仅只有大约20%的概率会出现峰值，从而造成LD的工作效率低下，一般只有14%左右。现有的Class H类的LD可以根据输出的DMT信号的幅度大小来调整供电电压，从而避免一直保持高电平的供电电压，提高LD的工作效率。在满足用户带宽要求的前提下，最大限度的降低线路驱动器的发送功率，就可以大大降低电源模块的供电电压，从而降低DSL系统的能耗。

2.系统建模

在多对线的数字用户线系统中，为了使用户获得更高的接入带宽，一般都是基于速率最大化的动态频谱管理模型来调整线路上的发送功率谱的大小。然而，在许多情况下，大多数用户的数据速率可能在速率可达范围之内，电信运营商对降低设备功耗更感兴趣。一方面，局端设备运行和机房空调散热的电费开支日益增加电信运营商的运营成本；另一方面，随着新的环保法律通过，节能减排这个问题在世界范围内已得到重视。下面通过系统建模解决DSL网络中的功耗问题。

假设一个DSL线路系统中有N个用户，使用K个子载波发送信号，每个调制解调器的接收端将其它调制解调器对它的干扰作为噪声。那么在满足所有用户的数据速率要求的前提下，最大限度降低调制解调器的发射功率问题可以转化为对偶优化问题：

其中，wn为第n条线路的速率权重因子，nλ为第n条线路的功率惩罚因子，发射功率，表示第n个调制解调器在第k个子载波上的发射功率谱密度值，第n线的数据传输速率为表示n个调制解调器在第k个子载波上的比特承载。

3.最小化供电电压控制算法

步骤一：首先根据每个线路的DSL业务传输类型和国际标准电信联盟对功率谱限制相关规定，给出每个线路的业务目标速率，总功率限制。由于DMT是频分复用的调制方式，各个频率子载波上的子优化函数不相关，只需要对每个频率子载波的目标函数进行分别优化：

利用二分法对权重因子wn，惩罚因子λn进行搜索，得到每个频率子载波的功率谱密度的局部最小值。

步骤二：由步骤一得到各个线路的最小发送功率，由于所有线路都是使用同一个电源模块进行供电，计算所有线路的最小发射功率中的最大值，并根据公共最小发射功率值，计算满足所有线路所需的线路驱动供电电压值，从而避免尤其是重训练时发射信号的幅度过大，造成输出信号的幅度超过供电电压，而引起信号消波的风险。

步骤三：降低业务板的电源模块的供电电压值为公共最小电压值，当业务板上所有线路的最小发射功率的最大值小于13dBm时，首先关闭CLASS H类的LD的电荷泵，将LD的供电电压降低到12.5V；若供电电压降至12.5V后，功耗还有浪费，即LD仍然支持继续降低电压到12.5V以下时，则根据计算得到的降电压值，进一步降低LD的供电电压。

4.仿真结果

假设局端非对称数字用户线（ADSL）的长度为5000米，最大可达速率约为1.5Mbps，用户实际开通的业务速率为1Mbps，远端非对称数字用户线为3000米，最大可达速率为9Mbps，用户实际开通的业务速率为3Mbps。线路最大的发送功率为20.5dBm，运营商的目标是在保障用户开通的业务速率的同时，最大限度地减少其接入网络设备功耗。根据应用场景进行系统建模后，运用最小化供电电压控制算法进行仿真，当最小发射功率等于14.5dBm时，可以同时满足局端用户和远端用户开通的业务速率。

5.结论

本文通过对数字用户线通讯系统进行系统建模，得到了最小化供电电压控制算法，仿真结果显示该算法在满足业务速率的同时，将线路的发射功率和设备的供电电压降至最低，大大降低了运营商接入设备的功耗和用电成本。

[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.