适用于VDSL系统的Zipper双工方式

甚高比特率数字用户线(VDSL)的基本思想是使用单一的调制解调器，在双绞线上支持对称和非对称的速率高达数十兆比特每秒的数据传送，综合采用先进的双工、调制、纠错编码和滤波技术，使系统的总体性能最佳，同时实现与同一束电缆内的其他业务(如POTS,ISDN,ADSL等)在频谱上的兼容，在下行和上行传输方向之间以对称或非对称的方式共享最大速率达50 Mbit/s以上的总吞吐量，为商业和住宅用户提供宽带多媒体业务。

　　然而，实现高的数据传输速率是以传输距离的缩短为代价的，所以VDSL系统要与光纤结合应用于光纤到路边(FTTC)这样的结构中。在这种结构中，中心局(CO)与光网络单元(ONU)之间用光纤连接，而在ONU到末端用户之间的双绞线对上可使用VDSL调制解调器提供高速数据业务，同时还提供模拟电话或ISDN业务。这种新的FTTC结构的推广应用需要有一个过程，且需要有大量的资金投入。基于上述考虑，目前其应用重点放在基于CO的VDSL系统(即光纤到交换局??FTTE结构)上。在FTTE结构中，频谱兼容性问题可能是妨碍VDSL与同一束电缆内其他现有数字用户线(DSL)业务混合的最大问题。的确，VDSL面临的最大问题是相邻线对间的串话干扰。

　　离散多音(DMT)调制和Zipper双工技术，对于克服基于CO的VDSL系统所面临的困难以及处理FTTC结构所遇到的问题都是非常适用的。

　　1 VDSL系统中的双工方式问题

　　在某一可用的给定频带内，电话线能够支持一个确定的总吞吐量。如何在上、下行传输方向上共享这个总吞吐量，以及如何实现不对称比率，这就得靠双工方式来确定。不对称比率是指下行与上行数据传输速率之比。双工方式的一个重要特性就是能够为电缆束内的所有环路合理分配数据传输速率。

　　如果电缆束中的上行和下行传输同时使用同一频带，则可用的信道容量将受到近端串扰(NEXT)的严重影响。避免NEXT影响的双工方式基本上有两种：一种是时分双工(TDD)，另一种是频分双工(FDD)。如果将上行和下行传输在时间上分隔开，则在不同时间段里可使用同一频带进行上/下行传输。如果电缆束内的所有上/下行传输都是按时间同步，则NEXT就可以避免，此为时分双工，不对称比率就是下行传输时间与上行传输时间之比；在频分双工方式中，可用频带被划分成不同的子带，上行或下行传输分别使用不同的子带，这就要求同一束电缆中的所有系统都使用同一子带集，不对称比率就是分配给下行传输方向的带宽与分配给上行传输方向的带宽之比。

　　由于本地环路并非捆在同一束电缆中，TDD的实现有一定的难度，在VDSL的标准化(如G.vdsl标准)中暂不考虑采用TDD方式，所以本文从VDSL系统的环境、频谱兼容性等方面对FDD(特别是Zipper)方式进行讨论。

　　1.1 VDSL系统的环境

　　从原理上来说，特定电话线的可用信道容量是由接收端的信噪比(SNR)决定的。接收信号的功率取决于发送信号的功率谱密度(PSD)以及电话线引入的衰减。衰减随电缆长度的增加和频率的提高而增大。噪声因电话线的不同而不同，可能存在以下几种不同的噪声源。

　　(1)背景噪声：是指除由网络传输系统产生的噪声(如热噪声)之外的所有噪声的总称。标准化委员会(如ITU-T的SG-15/Q4、ANSI的TIE1.4、ETSI的TM6小组等)的约定是将背景噪声按功率谱密度为-140 dBm/Hz的加性高斯白噪声(AWGN)进行模拟。然而，实际上背景噪声的功率谱密度不可能是均匀的，其值通常与-140 dBm/Hz有较大的偏差。

　　(2)自串扰：当多个VDSL系统同时工作在同一束电缆内时，它们会通过自串扰相互干扰。即使理论上可通过双工方式来消除自近端串扰(self-NEXT)，但仍会存在远端串扰(FEXT)。由于FEXT信号跟有用信号朝着同一方向传输而经受同样的衰减，自远端串扰(self-FEXT)功率将小于自近端串扰功率。然而对于较短的线路来说，FEXT通常是主要的噪声源。

　　在下行传输方向上，FEXT的干扰对工作在同一束电缆内的所有系统的影响是相同的；而在上行传输方向上，FEXT的干扰问题变得较为复杂，由于电缆束内线对的长度各不相同，在功率谱密度相同的情况下，VDSL调制解调器工作在短线路上的FEXT比工作在长线路上的要强。当然，短线路上VDSL调制解调器的有用信号也较强。所以，短线路调制解调器线对不会受损害。然而，当这种强的FEXT加到来自远端调制解调器的信号(该信号已经过长线路衰减)上时，如果不进行适当处理，则长线路上可用的信道容量会受到严重影响。

　　(3)外串扰：除了上述几种噪声源之外，考虑工作在同一多线对电缆中的其他种类的DSL系统产生的噪声，称为外串扰噪声，它们主要工作在1.1 MHz以下的频段。但由于非理想的低通发送滤波，在高端频率处仍存在不少的带外功率，它们也是组成外串扰噪声的成份之一。外串扰和背景噪声一起通常用所谓的噪声掩模(Noise Masks)来建模。由于拓扑结构的不同，网络端的噪声掩模不同于用户端的噪声掩模。在用户端，调制解调器通常在物理上是分离的(即位于不同的公寓、房屋中)；而在网络端，它们甚至可能在单块印刷电路板上实现。
如何将各种噪声综合成单一的噪声模型来考虑，已成为标准化组织热烈讨论的课题。现已有研究证明，在多线对电缆中仅仅增加信号功率会带来很不利的后果。

　　1.2 频谱的兼容性

　　VDSL系统能与铜线网络中现有的其他系统同时存在是一个非常重要的问题。尤其对运营商和管理者来说，在设计新系统时，必须考虑与现有系统的频谱兼容性。频谱兼容的VDSL系统是指不影响同一束电缆内其他DSL系统的性能而正常工作的系统。

　　由于电缆束中的不同环路通常有不同的长度，向所有的用户提供所期望的不对称比率可能有困难，所以人们通常希望向同一束电缆中的所有用户提供相同的不对称比率。这样，对同一束电缆内的所有线对，双工方案可根据所期望的不对称比率尽可能合理地分配可用的信道容量。如果这一目标无法实现，则VDSL的推广应用就存在问题。由于环路的长度不同以及与频率有关的衰减，如果使用频带很少的传统FDD系统，则要想使短环路和长环路保持同样的不对称比率是不可能的。其原因是任何两个频带上的SNR不会完全相同地以长度的函数而变化。当然，只对某一特定的环路长度可以保持所期望的不对称比率。处理不对称噪声和SNR定标的解决办法是使用大量的传输频带。有了较多的频带，就有较大的自由度，上行和下行信道的容量就能更好地根据电缆束的长度来分配。此外，有了较多的频带，就能更好地利用不对称SNR和上行功率补偿。因此，将信道划分为大量频带的Zipper双工方式(在目前的标准提议中采用4 096个正交子载波)为频谱分配提供了一个有效的解决方案。

　　2 Zipper双工方式

　　Zipper双工技术使用数字的方式分割上行频带和下行频带。其主要优点是不需要隔离频带；频谱的利用可编程，可以随时对频谱的使用作调整；无需工作人员来到接入节点，远端的调制解调器不需要用户的任何干预就能采用新的频谱分配方案。

　　Zipper双工方式基于DMT调制技术，通过在上行和下行传输方向上分别使用不同的正交子载波来分配信道的有用带宽，它是一种无滤波器的数字频分双工技术。Zipper的概念，最早由Telia Research AB的研究人员提出。目前，从事Zipper-VDSL研究的主要是瑞典的Telia Research AB公司与STMicroelectronics公司。Zipper的意思是指将不同传输方向的带宽像拉链似地交错在一起(如图1所示)，以使双绞线的上下行速率配置更为灵活。

图1 Zipper-DMT的频谱分配示意图

　　Zipper双工方式实际上可看成是一种具有很多频带的FDD。具有2 048个正交子载波的Zipper系统可看成是具有2 048个频带的FDD系统。然而，这里的不同频带是相互重叠，但在数学上是相互正交的。每个频带可以按需动态灵活地分配给上下行信道，所以可以实现任意的不对称比率，且通过软件可灵活设置对称与非对称模式。Zipper在分配频带上的灵活性可以使Zipper-VDSL调制解调器能够支持目前无法预料到的一些新业务。例如，在上班时间，许多用户想用会议电视系统进行远程交流，这就需要对称的数据传输速率；但在晚上，大部分用户又可能需要不对称的数据传输速率进行网上冲浪、视频点播等等。

　　对于传统的FDD，为了抑制由近端回波和NEXT产生的干扰，通常用模拟滤波器来分割频带。这些滤波器复杂且昂贵，并以隔离频带的形式浪费了有用的频谱。此外，模拟滤波器一旦被实现就不易改变，如遇问题需到接入节点处理，从而提高了网络运营管理的成本。而Zipper技术允许在上行和下行信道之间按几乎任意的比例动态地分割带宽，且无需复杂的可调通带模拟滤波器组。

　　2.1 近端回波和正交性

　　在图2中，A端有两个DMT发送机：Tx A和Tx B。如果每个发送机分别使用可用载波集中的不同子载波，而且它们发送的每个DMT符号的边界在时间上是对齐的(即发送的符号定时是相同的)，则可以将Tx A和Tx B的发送信号相加后在线路上传输。如果符号的边界不对齐，则B端的接收机Rx的解调过程会失去子载波间的正交性。

图2　Tx A和Tx B信号的叠加

　　如图3所示，将图2中的Tx B移到B端。B端的接收机Rx B将解调来自Tx A的接收信号，发送机Tx B使用Tx A所用载波集的补集向对端发送DMT符号。对于理想信道，这种用不同的子载波来分割频谱的方法是相当直截了当的。然而实际上，一部分Tx B发送信号会产生泄漏或反射，并叠加到来自Tx A的接收信号上，称之为近端回波。它是由线路上的阻抗变化(即线径变化或桥接抽头)及通过非理想的混合电路产生的泄漏而引起的。

图3 Rx Bd的接收信号是Tx A的发送信号和Tx B发送信号的泄漏的叠加

　　为了便于讨论，我们假设只有一个反射点，则只有一个Tx B发送信号的副本叠加到Tx A信号上。最坏的情形是来自Tx B的泄漏信号没有延迟，实际上这是最强的混合电路泄漏。那么，是否有可能将来自Tx A的有用信号的符号边界与泄漏信号的符号边界对齐，使得Rx B将它们看成是来自同一DMT发送机的信号(即接收信号中的所有子载波是正交的)？倘若考虑传播延迟，则答案是肯定的。如果两端的发送机是同步的，并在同一时刻开始发送每个DMT符号，则由于不同的传播延迟，信号将在不同的时刻到达Rx B。

　　为了保持正交性，要让Tx B等待一会，稍后发送；或延伸DMT符号的循环扩展，使之能掩盖信道的传播延迟。如果采用前一种方法，即调节Tx B或Tx A的发送定时，当扩展到双工传输时，在另一端也存在同样的问题。所以，在Zipper方案中，不是使用调节定时的办法，而是使用附加循环后缀(CS)的扩展方法。这样对于同时发送，由于有了足够长的循环后缀，接收信号和回波信号将对齐叠加，所以每一个由快速傅里叶变换处理的数据块都将保持正交性。

　　2.2 循环后缀和符号定时

　　Zipper双工方案通过使用循环后缀(CS)和两端发送机的同步符号定时来解决回波问题。CS是附加在DMT符号末尾的第2个隔离保护时间，并用若干个符号首部的样本值填充。CS的时间长度至少是电缆的单方向传播延时，以保证接收到的有用信号与所有延时不超过单方向传播延时的回波信号是正交的。在Zipper-VDSL标准的提议中，循环前缀和循环后缀的联合长度的缺省取值能掩盖信道的传播延迟和脉冲响应，因而不需要时域均衡器。

　　2.3 自近端串扰与网络同步

　　如果同一束电缆内的所有系统使用同样的上下行方向的载波集，则完全可以把NEXT当作近端回波处理。由于NEXT起源于与接收机同处电缆同一端的发送机，所以，使NEXT与近端回波信号一样跟接收信号呈正交是可能的。然而，这要求同一束电缆内的所有发送机都要在时间上同步。仅当所有的发送机具有相同的符号定时和符号速率(即所有的DMT系统需要有相同长度的CS)时，才能保持正交性。由于存在许多不同运营商的网络，要使所有的发送机保持严格的时间同步是很困难的。以下讨论的脉冲成形与加窗技术将使Zipper-VDSL也能在异步模式下工作，即放宽了对系统同步的要求。

　　2.4 脉冲成形技术与加窗技术

　　在原有系统的基础上，发送端增加脉冲成形，接收端进行加窗处理，可以使系统的性能有较为明显的提高。在进行脉冲成形之前，先在原来的DMT的符号(2N个样本值)前后分别增加β/2个附加样本值，然后通过成形滤波器对这个样本值进行成形，得到如图4所示的图样。这样做的优点是使DMT的频域边带得到了明显抑制，带外功率密度可以降低约30 dBm/Hz。由此可以使Zipper-VDSL更好地与ADSL,FDD-VDSL实现频谱兼容，即允许这些业务在同一束电缆中传输。

图4　发送端的脉冲形成和接收端的加窗处理

　　加窗技术是指在接收端采用对称的时域窗(如升余弦窗)截取所需的DMT符号。为保证DMT信息不受损失，要求窗口的滚降部分正好落在CP(循环前缀)与DMT符号之间及DMT符号与CS之间的μ个样本值的中间，如图4所示。采用加窗的方法可以有效地抑制射频干扰(RFI)，增强系统的抗干扰能力。

　　脉冲成形与加窗技术的代价是降低系统的效率，使系统效率降低约3%左右，这与它带来的系统增益相比是微不足道的。脉冲成形与加窗技术的最大好处是使异步Zipper-VDSL成为可能。发端脉冲成形可有效地减少NEXT的带外功率；收端加窗则进一步降低了接收到的非正交NEXT信号功率。

　　2.5 与ADSL的互操作性

　　VDSL和ADSL之间的互操作性问题在相关VDSL的标准化会议上很引人注意。互操作性意味着VDSL和ADSL调制解调器不仅在频谱上要兼容(尤其要有同样的子载波间隔)，而且VDSL调制解调器能够仿真ADSL调制解调器。互操作性的优点是，运营商可以在ADSL和VDSL系统中使用单一类型的线路板；如果用户想变更业务，或者有要求不同业务的新用户加入，运营商也能容易实现；用户本身也能较容易地变更业务或选择其他运营商，而无需购买新的调制解调器；有利于从基于交换局的安装平稳地过渡到FTTC结构；通过运营管理系统就能将ADSL用户升级为VDSL用户。

　　从技术角度来看，通过软件的升级，基于DMT和Zipper双工技术的VDSL调制解调器可以做到与ADSL调制解调器进行互操作。因为Zipper使用了大量的子载波，每个子载波可以动态地分配给上行信道或下行信道，从而实现在任何时间达到任意的不对称比率。也正是它在各子载波分配上的灵活性，使得Zipper-VDSL可以与其他系统灵活地实现频谱兼容。

　　3 结束语

　　Zipper多载波双工方案是FDD向数字化实现的重要突破，它是传统DMT线路编码的一种变型，通过增加循环后缀并在收发两端对DMT符号进行脉冲成形和加窗处理来实现。基于Zipper的FDD方案的固有优点是能够灵活地分配上、下行传输频带。基于DMT的Zipper-VDSL调制解调器能够很自然地与现有ADSL调制解调器实现后向互操作。这一特性可以统一ADSL和VDSL的市场，Zipper-VDSL将成为铜线宽带接入的一大技术热点。

　　参考文献

1 Sjoberg F, Isaksson M, Nilsson R, et al. Zipper: A Duplex Method for VDSL Based on DMT. IEEE Trans Comm, 1999, 47(8): 1245
2 Mestdagh J G, Isaksson M R, Odling P. Zipper VDSL: A Solution for Robust Duplex Communication over Telephone Lines. IEEE Comm Mag, 2000, 38(5): 90?96

[摘要] 文章在概述VDSL系统技术特点的基础上，针对该系统的应用局限性，介绍了一种应用于基于DMT的VDSL系统中的Zipper双工方式。该方式利用循环后缀和符号定时解决了回波问题，采用脉冲成形和加窗技术解决了异步工作的问题。

[关键词] 甚高比特率数字用户线；Zipper双工；频分双工；时分双工；离散多音

[Abstract] Based on the introduction to the characteristics of VDSL system, and also considering the system limitations, this paper introduces a novel duplex scheme called the Zipper dulpex method and used for DMT-based VDSL systems. The Zipper duplex method solves the self-echo problem by using the cyclic suffix (CS) together with synchronized symbol timing at both transmitters. The asynchronous Zipper reduces the impact of the self-NEXT by performing pulse shaping at the transmitter and windowing at the receiver.

[Keywords] VDSL; Zipper duplex; Frequency division duplex;Time division duplex; DMT