超高速数字用户线VDSL技术问题概述

超高速数字用户线 （VDSL） 技术能够以高达 52 Mb/s 的速度传输信息。所使用的高频频段（高达20 MHz）提出了许多当前DSL中不存在的挑战，其中包括频谱分配，FEXT（远端串扰）噪声环境中的传输，RF干扰源。我们在这里讨论与VDSL技术部署相关的问题。

1. 简介

VDSL能够提供与电缆调制解调器相当的数据速率。光纤用于将数据传输到住宅区;从那里数据通过现有的铜缆基础设施传输。目前正在美国（ANSI T1E1）、欧洲（ETSI）和国际电信联盟（ITU）努力为这项技术制定标准。使用的宽频率带宽（高达20 MHz）带来了一些技术挑战。下面介绍最重要的问题，因为它们将在标准化委员会中进行讨论。

2. VDSL 部署配置

由于双绞线上高频信号衰减较大，VDSL的部署仅限于距离信号源小于4500英尺的环路长度。图 1 显示了两种可能的配置。对于靠近中心局 （CO） 的客户，VDSL 可以通过 CO 的铜缆部署（图 1a），这种配置称为光纤到交换 （FTTEx）。对于更远的客户，光纤运行到光网络单元（ONU），使用现有基础设施从该单元分发数据（图1b）。此配置称为光纤到机柜 （FTTCab）。

图 1a. FTTEx 配置

图 1b. FTTCab 配置

目前的频谱分配建议也使用VDSL下游的ADSL下行频段。从ADSL和VDSL之间的串扰的角度来看，图1中的两种配置之间存在细微差异。在FTTEx情况下，VDSL的存在不会影响ADSL性能，因为VDSL功率谱密度（PSD）小于ADSL PSD。相反，同一粘合剂中存在ADSL可能会对VDSL性能产生严重影响。在FTTCab配置中，情况正好相反。来自ONU的VDSL信号可能会为ADSL下游信号产生不可接受的噪声水平，因为它在从CO到ONU的路径上会严重衰减[1]。

3. 数据速率和频谱分配

表1描述了美国考虑用于标准化的一些数据速率。

表 1：VDSL 数据速率

 

轮廓	非对称服务 数据速率		对称 服务
	下游 兆字节/秒	上游 兆字节/秒	每个方向 Mb/s
短环（1500英尺）	51.84	6.48	25.96
	38.88	4.32	19.44
中环（3000英尺）	25.92	3.24	12.96
	19.44	2.43	9.72
	12.96	1.62	6.48
长环路（4500英尺）	6.48	1.62

 

预计将在美国市场占据主导地位的非对称服务包括视频分发（包括高清电视）和互联网应用。在欧洲，人们对针对业务应用程序的对称服务更感兴趣。在每个服务类别中，数据速率取决于从客户驻地到ONU（CO）的距离。

选择频分复用（FDM）作为分离上行和下游数据传输的多路复用方法。对于非对称业务，下行和上行数据速率之间的比率接近10：1，因此大部分带宽应分配给下游。对于对称服务，带宽应平均分配给两个方向。标准的要求是两种类型的服务应在同一根电缆上共存。在这些条件下，没有频谱分配方法可以同时优化非对称和对称服务数据速率。

一种解决方案是定义两个频谱分配：一个针对非对称服务进行优化，同时将某些对称数据速率作为次要目标;另一个更倾向于对称服务。此外，由于短环配置文件需要相当大的带宽，因此认识到很难将它们与其他服务容纳在同一活页夹中。这就是为什么标准化工作目前集中在中环配置文件上的原因;这种光谱分配也适用于长环路情况。国际电联内部原则上就频谱分配达成了协议，该频谱分配包含4 kHz至138 MHz频率范围内的12个频段（两个下行和两个上游）。图2显示了北美[2]的这种频谱分配示例。2500/22 Mb/s 非对称服务的范围为 3 英尺，1700/13 Mb/s 对称服务的覆盖范围为 13 英尺。为了在较长的环路上降低数据速率，可以使用第一个上游/下游频段。未来分配12 MHz以上的频谱将允许在短环路上传输更高的数据速率。

图2.VDSL北美频率规划

4. 桥接水龙头

图3显示了具有桥接抽头的环路及其在不同抽头长度下的衰减，L = 0， λ/4， 5λ/4， 101λ/4，其中λ是波长。最短桥接抽头在通道特性中产生深度零点。对于VDSL频谱计划，如图2所示，这种桥接抽头将显著降低下游2通道中的数据速率。下行和上行数据速率之间的比率将受到短桥抽头的显著影响。较长的桥接抽头的影响较小，因为反射波被线路中的损耗衰减。仍然存在SNR损耗，因为发射的信号功率在插入点的线路和桥接抽头之间分配。不同之处在于，在长桥抽头上，SNR损耗在两个方向之间均匀分布。这就是为什么ETSI标准没有桥接抽头规定的原因;但是，它们仍然是美国标准要求的一部分。

 

图3.桥接抽头环路的幅度响应。

5. 串扰噪声源

图4显示了双绞线上的串扰噪声源。近端串扰（NEXT）噪声是在相反方向传播的信号之间产生的。NEXT与功率为1.5时的频率成正比。由于输入信号在接收器输入端衰减，因此只有一个这样的干扰源会显著降低VDSL性能。该噪声源可以通过为上行和下游方向分配不同的频段来控制（图 2）。

图4.双绞线串扰噪声源。

远端串扰（FEXT）噪声是在电缆中沿同一方向传播的信号之间产生的。FEXT是VDSL中主要的串扰噪声源。其功率谱密度：

PSDFEXT = kLƒ2 |Hch(ƒ)|2 ≅ kL f e–(2 Lα(f))

取决于频率f，两个信号并行运行的电缆段长度L，以及通道传递函数Hch（f）。由于通道传递函数是L的指数函数，因此对于较大的L值，FEXT噪声的功率谱密度较小，对于低L值，FEXT噪声的功率谱密度相对较高。在上游方向（图4），发射器Tx4US比Tx2US和Tx3US更接近ONU。Tx4US 将在对 2 和 3 中注入相对高水平的 FEXT 噪声。来自这些对的上行信号在注入FEXT噪声的点处严重衰减。结果是，在上游方向，来自靠近ONU（CO）的源的FEXT噪声将显着降低远离ONU的源的SNR，并置在同一粘合剂中。解决方案包括根据发射器位置到ONU（CO）的距离来降低发射功率。此问题在下游方向不存在（所有发射器都位于 ONU/CO）。

6. 射频干扰

欧洲和美国标准都允许在VDSL频谱内使用六个相对较窄（100-200-kHz）的业余无线电频段。VDSL 信号与业余无线电台的信号之间可能存在重大干扰。原因包括屏蔽不当（缺乏），高频时电话线平衡减少（可低至10-30dB）以及使用未扭曲的引入线。这些干扰源存在三个问题：

出口抑制。通过将无线电业余频段中VDSL信号的功率谱密度限制为80 dBm/Hz，可以限制这些频段中的VDSL干扰。

入口抑制。VDSL 接收器输入端的业余无线电信号干扰可高达 0 dBm。在转换为数字信号之前，最好衰减这种干扰，否则需要能够处理信号和干扰信号的高分辨率ADC。

业余无线电信号是一种非平稳信号，其特征是开/关周期。消除该信号在数字域中的影响（甚至衰减）并非易事。

7. 行代码

向标准组织提交了三项关于线代码的提案：

单载波调制（QAM），将输入数据分成两个流，其调制同相正弦波和正交正弦波，这种方法目前在大多数调制解调器中使用。必须注意的是，对于如图2所示的频段分配，每个上游和下游方向都需要两个这样的系统。

离散多音调制（DMT），将频段分成大量通道;每个单独的通道都使用 QAM 调制。一种有效的编码/解码方法是在发射器上使用IFFT和在接收器上使用FFT;它还确保了载体之间的正交性。这种调制方法用于ADSL。

滤波多音（FMT）调制[3]可以看作是其他两种方法的组合。调制是通过将数据分成几个流来实现的，每个流都应用于滤波器组的一个输入。由于实现的复杂性，通道的数量比DMT少得多。尖锐的滤波器可以消除QAM中使用的保护带。线性或决策反馈均衡器对于消除码间干扰（ISI）是必要的。

下面根据VDSL的具体问题对QAM和DMT调制进行了比较。在大多数情况下，读者将能够推断FMT的结果。

DMT 信号具有高斯幅度分布。15 dB的峰均比（PAR）是将削波降低到可接受的水平所必需的。适应如此高的信号峰值需要扩展发射器缓冲器的范围，并增加模拟前端的功耗。单载波调制的一些优势已经丧失，因为线路信号是两个QAM通道的总和（见图2）。

每个方向需要两个QAM发射器/接收器用于单载波调制;DMT 需要帧同步和监督;并且定时恢复更加困难。因此，这两种方法的复杂性大致相同。

循环前缀/后缀（DMT调制）和保护带（QAM）引起的数据速率损耗相似。

射频出口。为了将落在发射频带内的每个无线电业余频段的发射PSD降低到-80 dBm/Hz，单调制系统需要陷波滤波器。这些滤波器使均衡更加困难。在DMT系统中，不使用落在业余无线电频段内的箱子。作为一般观察，DMT调制在控制整个VDSL频谱的PSD方面具有更大的灵活性，可能会转化为更高的性能。

8. 结论

VDSL 允许使用现有的双绞线传输高达 52 Mb/s 的高数据速率。标准组织就使用138 kHz至12 MHz频率范围内的四个频段（两个用于上游，两个用于下游）的频分复用达成协议。频谱分配的细节尚未确定。FEXT噪声是主要的串扰损伤。它需要在上游方向断电。短桥抽头可以显著改变上行和下游数据速率之间的比率，这就是ETSI标准中未指定它们的原因;但是，它们仍然是美国标准的一部分。最后，T1E1和ETSI同意在现行标准中包括所有三个线路代码。从长远来看，这些标准可能会演变为最有能力面对VDSL带来的困难技术问题的行代码。