JP5139452B2 - ディジタル加入者線ネットワークにおける方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークにおける方法及び装置に関するものである。特に、本発明は、ＤＳＬネットワークにおけるクロストークの悪影響を最小限に抑える方法及び装置に関するものである。

ディジタル加入者線は、高速インターネットアクセスを提供する最も重要な手段である。ＤＳＬネットワークにおける性能劣化の主要原因の１つとして、クロストークが知られている。クロストークは、同じケーブル内で伝送している異なるライン（lines）間の電磁結合の影響である。この現象は、図１に示すように、１つのラインの信号が周辺の全てのラインに漏れ込むものとして解釈できる。クロストークをバランシングすることが一補償策であるが、送信電力を低減することによりクロストークを減少させ、それによってシステム性能を向上させることには、通常、個々のラインの性能の低下を伴う。クロストークは、ネットワークの転送速度及び到達距離を改善する上での主要な障害であり、ひいては、より良いサービスの提供及びこの技術によりサービスを受けるユーザ数の増加を制限する最も重大な要因の１つである。

近年、クロストークに対処する新しい方法が開発されている。所与の対象受信部に対するクロストーク干渉は、対象ユーザ以外の全てのユーザの送信部の電力スペクトラル密度（ＰＳＤ）とこれらの送信部から対象受信部への結合関数との、２つの要因に基本的に依存する。ケーブル内のクロストーク利得を操作することが可能な方法は存在しないものの、システムのデータ転送速度を維持したまま、場合によってはデータ転送速度を増加さえさせながら、クロストークを最小限に抑えるように、ユーザのＰＳＤを設計することは可能である。ユーザのＰＳＤを最適化及びカスタムに設計する方法は、動的スペクトラム管理（ＤＳＭ、Dynamic Spectrum Management）と呼ばれる。

ＤＳＬのＤＳＭ問題に関しては２つの主要なアプローチがあり、それらは、転送速度適応（ＲＡ、Rate Adaptive）問題（非特許文献１）とも称されることが多い転送速度最大化問題（ＲＭＰ、Rate Maximization Problem）と、固定マージン（ＦＭ、Fixed Margin）問題（非特許文献１）とも称されることが多い電力最小化問題（ＰＭＰ、Power Minimization Problem）とである。

利用可能なスペクトラムをＫ個のトーンに分割する、Ｎユーザのマルチキャリヤシステムを検討する。ｐ^k _nをユーザｎのトーンｋにおけるＰＳＤとする。全てのｐ^k _nのマトリクスの配列Ｐ_(N×K)を次のように考える。
左上隅の要素は、ユーザ１の第１のトーンのＰＳＤを意味する。右下隅の要素は、Ｎ番目のラインのトーンＫのＰＳＤを意味する。Ｐ_nと称するマトリクスＰの１行は、ユーザｎの全てのトーンにわたるＰＳＤ分布を表し、即ち、Ｐ_n＝［ｐ¹ _n，ｐ² _n，...，ｐ^K-1 _n，Ｐ^K _n］である。Ｐ^kと表されるマトリクスＰの１列は、１つのトーンにわたる全てのユーザのＰＳＤの割り当てを表し、即ち、Ｐ^k＝［ｐ^k ₁，ｐ^k ₂，...，ｐ^k _N-1，Ｐ^k _N］である。

ＲＭＰは、所与の１人のユーザ（例えば、ユーザ１）のデータ転送速度を最大化する一方で、ネットワーク内の他の全てのユーザの所望の最低転送速度Ｒ^min _nを達成し、かつ各ユーザに対する限られた電力割当量を順守するような所与のマトリクスＰを見つけるタスクとして定式化してもよい。ＲＭＰの１つの式であって、これに限定されない定式化は、
である。上式で、転送速度Ｒ^min _nは、前述の最低転送速度を意味し、Ｐ^max _nは、前述の最大電力の拘束条件を意味する。Ｐ^tot _nは、式（０）のｎ番目の行の合計と定められてもよく、Ｒ_nは、マルチキャリヤシステムのユーザｎの各トーンにおける転送速度の合計と定められてもよい。

上記のように、ＲＭＰの背景にある主要な目的は、所与の拘束条件のセットのもとでＰＳＤを最適化することである。

ＲＭＰ問題の目的関数は、重み付けされた転送速度の合計値の最大化として、ユーザｎの重み又は優先度ｗ_nの特定のセットを使用して、
と書き直されてもよい。ｗ_nを制御することによって、最大化の目的を達成するために１つのラインがどの程度の（電力に関する）リソースを使用できるか、又は使用しなければならないかを制御する。当該解決手段では、ｗ_nのセットは、最低転送速度の拘束条件によって一意に定められるため、何れの拘束条件も無視されることはない。たいていは、
とさらに見なされる。実際には、正しいｗ_nは事前にわからないが、全ての転送速度の拘束条件が順守されるように（繰り返し）見つけられる。この場合、これらの変数は、各ユーザが（少なくとも）特定の最低転送速度を達成するために必要なチャネルリソースの量として解釈できる。たいてい、第１のユーザは、「残りの最大」、即ち、
を得るはずである。ｗの解釈はさらに展開され、Ｃ＝１に設定する場合、ｗは比例の意味を有する。

ＰＭＰは、所与の最低データ転送速度のセットを達成するためにネットワークに割り当てられる総電力を最小限に抑えるように、全てのユーザに対するＰＳＤのセットを見つけるタスクとして定式化され得る。従って、ＰＭＰ問題は、以下のように（非限定的に）記述され得る。
上式で、ｗ_ｎは、ＲＭＰの場合と同一の重み又は優先度の解釈を有する（式（２）も参照されたい）。

ＲＭＰ及びＰＭＰを解決する異なる方法の４つの特性、即ち複雑性、集中化、性能、及び要求される知識が重要である。複雑性は、要求される動作の数と単純に説明され得るのに対して、性能は、達成されたＲ_ｎの関数として通常説明される。達成可能な転送速度同士は関連しているので、転送速度の範囲の拡大を求めるのは標準的な手順であり、広ければ広いほど良い。集中化は、各ユーザに対するＰＳＤ決定間の調整を指す。非集中型の方式（通常、自律型と称される）では、ＰＳＤは、他のラインについてのさらなる知識（例えば、それらのＰＳＤ又はチャネル情報）なしで決定される。対照的に、完全集中型の方式では、全てのユーザの動作及びチャネルについての知識が前提とされ、利用される。この場合、中央管理は、この知識及び全ての動作を集中させることを前提とすることが多い。要求される知識は、様々な方式が機能するために必要又は前提とされる情報量である。複雑性及び性能は、「好み」の問題と考えることができるが、集中化と要求される知識には差し迫った重要性がある。チャネル測定は、時間及び費用がかかり、集中化は、ラインの分離（unbundling）及び異なるサービスプロバイダ間の競争にかかわる重大な問題である。

以下では、既存のアルゴリズムについて年代順に簡潔に説明する。

ＤＳＭ問題に対する完全自律型の解決手段の最も代表的な例は、非特許文献２に開示されている反復注水（ＩＷＦ、Iterative water filling）法である。ＩＷＦは、各ユーザが所与の最低データ転送速度を達成するために必要な最小電力を使用して、ネットワーク全体で周知の注水法を反復使用する。この方法は、複雑性が少ない自律的実施を享受し、クロストークに関するチャネルの知識を必要としない。しかし、遠近シナリオにおいては、明らかに準最適である。

ＯＳＢ（最適スペクトル・バランシング、Optimal Spectrum Balancing）は、完全なチャネル知識を中央エージェントに十分に集中化したシステムを要求する。その複雑性はユーザ数に応じて指数関数的に増減するため、大規模なネットワークにおける使用を非常に難しくする。ＯＳＢは、転送速度の領域が凸状であると想定し、周波数にわたる問題を切り離すためにラグランジュ変数を使用して、トーン当たりの最大化を解決し、ＤＳＭ問題に対する最適な結果を見つけ出す。ＯＳＢについては、特許文献１に記載されている。ＩＳＢ（反復スペクトル・バランシング、Iterative Spectrum Balancing）は、ＯＳＢの反復バージョンである。ＩＳＢは、より少ない計算要求でＲＭＰを最適に解決するが、依然として集中化された動作及び完全なチャネル知識を必要とする。

非特許文献３に開示されているＳＣＡＬＥは、元の非凸状の目的関数に凸状の近似を利用して、この近似が元の関数にできるだけ近くなるまでそれを反復する。

非特許文献４に記載されているＡＳＢは、各モデムから他のモデムへの影響を表す基準ラインの概念を使用する。当該基準ラインは、ケーブル内で悪影響を受けた典型的なラインを表す。この状況では、ラインＡの悪影響を受けるラインは、このラインＡのクロストークにより最も性能が劣化するラインと見なされる。基準ラインは、それぞれのラインに対して別々に行われる２ライン最適化方式における相手のラインとして使用され、そのＰＳＤ、ユーザｎから基準ラインへの想定されるクロストーク利得、及び背景雑音によって分類される。ＡＳＢは、静的で事前に定められた（即ち、最適化が行われる前の）基準ラインの定義によってさらに特徴付けられ、その定義は、変更されずに使用され、最適化される全てのラインに対して同一である。

そのために、以下の欠点を伴う。
・ＡＳＢ法は、何よりも各モデムが基準ラインのパラメータを必ず知ることを要求する。言い換えると、ネットワークは初期設定を必要とする。
・基準ラインの定義は静的であり、ネットワークの動的な性質を考慮していない、すなわち、新しいラインやシステムから出て行くラインなどのシステムの変更が考慮されていない。
・基準ラインによる方法の利用及び性能は、その最も都合のよい定義の前提に基づいている。当該定義が実際には何であるべきかは、通常は事前にわからない。
・それどころか、悪影響を受ける「典型的な」ラインがどのようであり得るかをさらに考慮し始めるためにでさえ、完全なチャネル知識が必要である。実際のところ、このチャネル知識は、状況によっては、不正確か、又は全く入手できないことがある。
・基準ラインは、物理的なラインの各々に対して個別に定義されていない、即ち、全てのラインに対して同一に定義されている。このことは、少なくとも最適性を妨げるはずであり、関係及びチャネルの広がり、並びにシステムの特性に起因して、大規模なネットワークでは恐らく不可能である。

１つの基準ラインの定義だけが存在し、かつ、これが事前に定義されなければならないという事実のために、システムのいかなる変化も、基準ラインの初期設定のやり直しによって、同時に全てのラインに影響を及ぼす。

欧州特許出願公開第０１４９２２６１号明細書

Starr, Sorbara, Cioffi, Silverman,"DSL Advances", Prentice Hall W. Yu, G. Ginis, and J. Cioffi,"Distributed multiuser power control for digital subscriber lines,"IEEE Journal on Selected Areas of Communications, vol 20, pp. 1105-1115, 2002. J. Papandriopoulos and J. S. Evans,"Low-complexity distributed algorithms for spectrum balancing in multi-user DSL networks," IEEE International Conference on Communications (ICC), 2006. J. Huang, R. Cendrillon, M. Chiang, and M. Moonen"Autonomous Spectrum Balancing (ASB) for Frequency Selective Interference Channels,"IEEE International Symposium Information Theory (ISIT), Seattle, 2006. R. Cendrillon, W. Yu, M. Moonen, J. Verlinden, and T. Bostoen"Optimal Multi-user Spectrum Management for Digital Subscriber Lines,"in Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC) 2004, pp. 1-5.

準最適のＩＷＦを除く先行技術のアルゴリズムは、一般に、完全かつ十分なチャネル知識を前提とするが、それは実際には、通常、入手できない。また、良好な性能も、より高度な複雑性を伴うことが多い。従って、本発明の目的は、チャネル知識に可能な限り依存しない、最適に近く、複雑性の低い方式を実現することである。

本発明の目的は、いわゆるゴースト・ラインの導入によって達成される。ゴースト・ラインは仮想的なラインであり、特定のラインの伝送による残りのラインへの影響を反映する。中央エージェントは、現在のネットワーク状態に従ってゴースト・ラインのパラメータを調整する責任を有する。中央エージェントは、送信モデムと中央エージェントとの間のメッセージ伝達ステップを通して、ゴースト・ラインのパラメータを調整できる。

本発明の第１の態様によれば、ＤＳＬネットワークの第１のラインのクロストークを低減する方法が提供され、第１のラインを除外してＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入される。当該方法は、第１のラインの第１のモデムと、少なくとも第２のラインの第２のモデムとから、クロストークの影響を示すそれぞれの測定値（ＣＤＲ）を受信するステップと、クロストークの影響を示す受信した測定値（ＣＤＲ）に基づいて、第１のモデムに関する判定変数（Φ）を計算し、かつ、第１のモデムに関する判定変数（Φ）に基づいて、第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータ（Ｇ）を計算するステップと、第１のモデムが、送信されるゴースト・ラインのパラメータに基づいて第１のラインに割り当てられる電力を更新できるように、計算したゴースト・ラインのパラメータを第１のラインのモデムへ送信するステップとを含む。

本発明の第２の態様によれば、ＤＳＬネットワークの第１のラインのモデムのための方法が提供され、それにより、第１のラインを除外してＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入され、かつ、初期ゴースト・ラインが決定される。当該方法は、ゴースト・ラインに対して最適化された第１のラインに対して初期電力を割り当てるステップと、ＤＳＬネットワークの中央エージェントに対して、クロストークの影響を示す測定値を送信するステップとを含む。応答として、更新されたゴースト・ラインのパラメータが受信され、それにより、更新されたゴースト・ラインのパラメータが、クロストークの影響を表す測定値に基づいて少なくとも決定される。その後、更新され受信されたゴースト・ラインのパラメータに基づいて、第１のラインに割り当てられる電力が更新される。

第３の態様によれば、ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークの第１のラインのクロストークを低減する中央ユニットが提供され、第１のラインを除外してＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入される。当該中央ユニットは、第１のラインの第１のモデムと、少なくとも第２のラインの第２のモデムとから、クロストークの影響を示すそれぞれの測定値（ＣＤＲ）を受信する受信機と、クロストークの影響を示す受信した測定値（ＣＤＲ）に基づいて、第１のモデムに関する判定変数（Φ）を計算し、かつ、第１のモデムに関する判定変数（Φ）に基づいて、第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する計算機と、第１のモデムが、送信されるゴースト・ラインのパラメータに基づいて第１のラインに割り当てられる電力を更新できるように、計算したゴースト・ラインのパラメータを第１のラインのモデムへ送信する報告機とを備える。

第４の態様によれば、ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークの第１のラインのモデムが提供され、それにより、第１のラインを除外してＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入され、かつ、初期ゴースト・ラインが決定される。当該モデムは、ゴースト・ラインに対して最適化される第１のラインに対して初期電力を割り当てる。当該モデムは、ＤＳＬネットワークの中央エージェントに対して、クロストークの影響を示す測定値（ＣＤＲ）を送信する送信機と、クロストークの影響を表す測定値に基づいて少なくとも決定される、更新されたゴースト・ラインのパラメータを、応答として受信する受信機と、更新され受信されたゴースト・ラインのパラメータに基づいて、第１のラインに割り当てられる電力を更新するＰＳＤ計算機とを備える。

本発明の利点は、本発明が離散型マルチトーン方式の伝送システムにおいて伝送性能を向上させる方法を与えることである。本発明は、ＤＳＬ伝送に関連するクロストークの問題に対する解決手段を見いだすことを可能にし、このことは、システムレベルでデータ転送速度を最大化し、又は電力を最小化するように、ネットワーク内のあらゆるユーザ及びあらゆるトーンに対して送信ＰＳＤを見いだすことを意味する。当該方法は、信頼性を有し、かつ、安定している。

数値実験が示すところでは、提案の方法は、特に既存の解決手段と比較した場合に、最適に近い性能を、驚くほどの低い複雑性で、かつチャネルの事前知識について非常に限られた要求のみで達成する。

電話局からの送信に影響を及ぼす、リモート端末に由来するクロストークを示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態で使用されるクロストーク悪影響率を示す図である。 図１に示されるシナリオに対する転送速度の範囲を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る方法を示すブロック図である。 本発明の方法を先行技術の方法と比較するためにシミュレーションを行ったシナリオを示す図である。 図６のシナリオのシミュレーションの、転送速度の範囲を示す図である。

本明細書では、転送速度最大化問題に重点的に取り組んでいるが、提案の方法及び装置は、電力最小化問題にも適用可能である。

本発明の基本的な考え方は、ネットワーク内のユーザ（即ち、ライン）にゴースト・ライン、即ちネットワーク内の残りのユーザに生じる悪影響を反映すべき仮想のラインを提供し、各ユーザが割り当てるＰＳＤが、ＲＭＰ又はＰＭＰに従って、このゴースト・ラインに対して最適化されるように、各ユーザがＰＳＤを割り当てることである。ゴースト・ラインとＡＳＢの基準ラインとの違いは、ゴースト・ラインは静的でないことである。中央エージェントは、全てのモデムからクロストークの影響を示す測定値を収集して、ゴースト・ラインを継続的かつ個別に更新する。クロストークの影響を示す当該測定値は、モデムがどの周波数でどのくらいクロストークの悪影響を受けるかについての情報を含むことが好ましい。この測定値は、モデムから送信され、スペクトラム管理センタ（ＳＭＣ、Spectrum Management Centre）と称する中央エージェントによって収集される。中央エージェントは、モデムからクロストークの影響を示す更新済みの測定値を受信すると、更新済みのゴースト・ラインのパラメータを計算でき、さらに繰り返すことによって、更新済みのゴースト・ラインのパラメータは、各モデムと残りのモデムとの間の現在のクロストークの状況を反映するはずである。中央エージェントは、続いて全てのモデムに更新済みゴースト・ラインのパラメータＧを送信する。次に、各モデムは、割り当てるＰＳＤが更新済みゴースト・ラインに関して最適化されるように、ＰＳＤを割当て得る。この手順は、各モデムに対して反復されることが好ましい。上述のように、このようなラインごとの最適化の工程は、各ラインに個別に実行され、転送速度を最大化又は電力を最小化することを目標とし得る。

このようにして、ＤＳＬチャネルの動的な性質が考慮され、ネットワークは、初期状態と関係なく、自ネットワークを、より有利でかつ理にかなった状態に調整する。ここで、各モデムは、その転送速度又は電力の要件を知っており、他のラインに対する影響も知っている。

従って、本発明は、ＤＳＬネットワークにおける第１のモデム２０１についてのクロストークを低減するための方法及び装置に関するものである。ここで図２を参照すると、本発明の例示的な実施形態が示されている。本発明は、ＤＳＬネットワーク２００の中央エージェント２０４及びモデム２０１〜２０３に関するものである。中央エージェントは、電話局（central office）に設置されるのが好ましい。中央エージェント２０４は、最低転送速度Ｒｎ＿ｍｉｎ及び最大電力Ｐｎ＿ｍａｘの要件の少なくとも１つを与えられる。本発明に従って、第１のラインに対するゴースト・ラインが導入されるが、当該ゴースト・ラインは、第１のラインを除くＤＳＬネットワークの複数のラインの置換としての役割を果たすことになっている。全てのモデムのゴースト・ラインは、各ラインに対して個別に決定され、対応する個別の各ラインに対して提供される。従って、第１のラインのゴースト・ラインは他のラインに与えられない。

初期ゴースト・ラインに対する最適化である初期ＰＳＤ割り当ては、各モデム２０１〜２０３においてＰＳＤ計算部２０９ｂ、２１１ｂ、２１３ｂで決定される。初期ゴースト・ラインは、固定設定でもよいし、また電話局から示されてもよい。各モデム２０１〜２０３は、クロストーク報告部２０８、２１０、２１２を用いて、中央エージェント２０４に、各関連モデム、即ち第１のモデム及び当該第１のモデムの周辺のモデム２０２、２０３に対するクロストークの影響を示すそれぞれの測定値ＣＤＲ１、ＣＤＲ２、ＣＤＲ３を送信する。当該測定値は、以下に説明するように、パラメータＣＤＲ（クロストーク悪影響率、Crosstalk Damage Ratio）でもよく、追加としてパラメータｗ_ｎでもよい。当該測定値は、クロストークの影響についての情報を与えるどのようなパラメータでもよく、追加のパラメータは、最低限の要件を達成するために、どの程度の（わずかな）チャネルリソースがゴースト・ラインと共有されなければならないかについての情報を与える、どのようなパラメータでもよい。その結果、中央エージェント２０４は、受信部２０５で当該測定値を受信し、ゴースト・ライン計算部２０６において、報告された情報の関数として更新済みのゴースト・ラインのパラメータを決定する。

更新済みの結合を含む、更新済みのゴースト・ラインのパラメータＧ１が、中央エージェントの報告部２０７から第１のモデム２０１に報告され、受信部２０９ａで受信される（２１１ａ及び２１３ａは、それぞれモデム２０２及び２０３の受信手段を示す）。変更される唯一のゴースト・ラインのパラメータは、クロストーク利得ｈ^k _n,Gであることに留意すべきである。第１のモデム２０１は、当該報告に基づき、ＰＳＤ計算部２０９によってＰＳＤを割り当てる。更新済みのゴースト・ラインのパラメータは、第１のモデム２０１の各トーンに対して計算され、第１のモデムに対する上記の手順は、ＤＳＬネットワークの残りのモデム２０２、２０３に対しても繰り返されるべきであることに留意すべきである。

以下では、本発明の別の実施形態についてシーケンス及びテキストで説明する。

最低限必要な転送速度Ｒ^min _nが、各モデムｎに対して決定される。入力は、最低転送速度の要件である（入力：Ｒ^min _n∀ｎ≧１）。出力は、各ラインに対して１つの最適化されたＰＳＤのセットであり、Ｐで示す（出力：Ｐ）。

1．ｐ^k _n,G及びｈ^k _n,G∀ｎを均一のレベルに設定
2．繰り返し
3． ｎ＝１，...，Ｎの各々について、繰り返し
4． ＰＳＤ割当て：各ラインはゴースト・ラインに対して最適化されたＰＳＤを決定及び利用
5． 中央エージェント：
と、ｗ_n（式(２)及び(２ｂ)を参照）∀ｎ，ｋとを受信
6． 中央エージェント：処理
7．
8．
9． ｎ＝１，...，Ｎの各々について、繰り返し
10． ｋ＝１，...，Ｎの各々について、繰り返し
11．
12． Φ^k _n＞Ｌ^k _supの場合（IF）
13．
14． Φ ^k _n ＜Ｌ ^k _inf の場合（else IF）
15．
16． 中央エージェント：ｈ^k _n,g∀ｎ，ｋを送信
17．収束するまで繰り返し

１． 初めに、初期ゴースト・ラインのＰＳＤ Ｐ^k _n,G、及びあるラインとその割り当てられたゴースト・ラインとの間の初期クロストーク利得ｈ^k _n,Gとが、全てのｎ、即ち全てのモデムについて、所定のレベルに設定される。

これらは、１回目の繰り返しにおいて、全てのユーザに対するＰＳＤの割り当てに影響を及ぼす値である（４．を参照）。ＰＳＤの割り当ては、ゴースト・ラインに対する最適化の手順において行われる。ここで、各ユーザは、その目標、即ち所与のＰＳＤ又は電力制限に対する最小又は最大の転送速度を達成することを試みる一方で、ゴースト・ラインの伝送にできるだけ悪影響を与えないようにするべきである。非特許文献５に開示されている双対分解（dual decomposition）アプローチのような既知の方法が適用可能であるが、それらに限定されない。

Ｐ^k _n,G（基準ＰＳＤ）及びｈ^k _n,G（ラインとそのゴースト・ラインとの間のクロストーク利得）の均一な初期値は、実際のチャネル状態を表さず、本方法の実行中に調整される。σ^k _n,Gは、基準背景雑音である。ゴースト・ラインに対するビットローディングは、次のように計算され得る。
ビットローディングの計算は単純であり、既に熟練された手順である（ＤＭＴ方式の全てのＤＳＬ標準規格を参照されたい）。

２．及び３． ＰＳＤ割り当てが収束するまでの間、即ち、もはやあまり大幅に変化しなくなるまでの間、各１≦ｎ≦Ｎの各々、即ち、全てのＮ個のモデムの各々について、以下の手順が繰り返される。

４． 現在のゴースト・ラインに対するＰＳＤの割り当てを決定する。クロストークの情報がモデムからまだ受信されていない場合、初期ゴースト・ラインが使用される。ＰＳＤの割り当ては、ＲＭＰ法又はＰＭＰ法の何れかを使用して行われ得る。何れを使用するかに関係なく、ゴースト・ラインは、可能な範囲で最高の転送速度を達成可能なはずである。その理由は、何れの場合においても、ネットワークの残りの部分へのクロストークを最小にすることを確実にすることである。

５． 各モデムは、その背景雑音の固定推定値を自由に有するべきであり、今日のモデムのハードウェアは、その背景雑音を容易に測定できる。これらの値は、次の関係を計算するために必要である。
以下ではこれを、トーンｋにおけるユーザｎのクロストーク悪影響率（ＣＤＲ）と称する。ＣＤＲは、ユーザｎが経験するクロストーク妨害の量と解釈し得る。ここで、ｂ^k _n,xt+bgは、雑音がクロストーク及び背景雑音の場合のビットローディングであり、ｂ^k _n,bgは、背景雑音のみが存在する場合のビットローディングである。クロストークを考慮すると、可能なビットローディングは、クロストークなしよりクロストークありの方が常に低いので、０≦ｂ^k _n,xt+bg≦ｂ^k _n,bgである。その結果として、ＣＤＲ^k _n∈［０，１］である。２つの極端な事例、即ち、ＣＤＲ＝０及びＣＤＲ＝１の事例が存在する。ＣＤＲ＝０の場合、クロストークは、達成可能なビットロードに影響を及ぼさず、そのために（少なくとも背景雑音と比較して）小さい。ＣＤＲ＝１の場合、情報伝送がもはや不可能な程度までの、大きなクロストークの影響が存在する。前述のように、他の全ての事例はその間にある。これは、図３ａにも示されており、このため、ＣＤＲは、クロストークを表す品質の測定値として使用され得る。計算機シミュレーションによれば、あらゆる良好なＤＳＭ解決手段は、可能な限り低いクロストーク悪影響率を有することが分かっている。一連の繰り返しによって、中央エージェントは、かなり低いＣＤＲ値が提供されるように、ゴースト・ラインのパラメータに関する新たな値を示すであろう。

本実施形態によれば、モデムは、ゴースト・ラインと比較して使用される必要があるチャネルリソースの量に関する情報を与える値も、中央エージェントに報告し得る。式（２）又は（２ｂ）に関連して定義された値ｗ_nが使用され得るが、注水ベースのアプローチの水レベルベースの品質等の、他の品質も適している。この値も０から１の範囲で変動するが、この値は、ゴースト・ラインの競合する最適化において、ユーザｎが転送速度の要件を満足するために必要とする優先度の量と解釈され得る。

要求のラインが何であるかを説明するために、図１のシナリオについて検討する。当該シナリオでは、図４のような転送速度の範囲が存在する。破線は、ユーザ間にクロストークがない場合を示す。実線は、当該シナリオに関する仮想的な転送速度の範囲を示し、この場合、１人のユーザのデータ転送速度の増加は、他のユーザの転送速度の減少を伴うことが多い。実線がＲ_RT軸及びＲ_CO軸と接する点（図の点（Ｒ^max _RT，０）及び（０，Ｒ^max _CO））は、１人のユーザのみが送信中であることを意味し、即ち、これらの点は単一ユーザの点を表し、この場合、ユーザのうちの１人のみによってネットワークが使用されている。同一の関係は、あるラインとそのゴースト・ラインにも当てはまる。点（Ｒ^max _line，０）及び（０，Ｒ^max _Ghostline）は、ｗ＝１及びｗ＝０に付随し、他の全ての点は、例えば式（２）の解において一意のｗ∈（０，１）に相当するであろう。従って、特定の最低転送速度の要件とｗの直接的な関係が確立されてもよく、重み又は優先度から、要求目標がｗの引数に基づいて決定されてもよい。その結果、これらの点の何れかまでの動作点の距離は、最適化中にどの程度の強調が対応するラインに与えられなければならないかの指針として解釈され得る。

全てのｗ_n（モデムにつき１つのｗ_nのみ）が送信された後で、中央エージェントは、図（３ｂ）に示される許容クロストーク範囲の極限を選択する。ｗ_n（ｎ＞１）の最大値は、一般にＬ_supの関数に設定されてもよく、同様に最小値は、Ｌ_infの関数に設定されてもよい。ｗの種類についての信頼性のある情報が入手できない場合、固定された極限でも可能である。図４に関連して示されたように、ｗに関する極限の選択は妥当であり、１人のユーザ（即ち、モデム）が大きなｗ_nを送信する場合、それは要求する要件を有することを意味する。このことは、このユーザが他のユーザに対してより多くのクロストークを発することを許容されており、逆もまた同様であることを意味する。

６．〜８． 図３ａに示すように、中央エージェントは、特定の各シナリオについて、ＣＤＲの線の中に許容範囲及び禁止範囲の属性を有する。図３ｂに描くように、この区分は、本実施形態によれば許容領域の上限値Ｌ_sup及び下限値Ｌ_infによってそれぞれ特徴付けられる。上限のみが使用されてもよいことに留意すべきである。許容範囲及び禁止領域についてのこの判定は、図３ｂに示す「硬」判定とは対照的に、重み付けされた許容範囲に関してなだらかでもよい（図３ｃを参照）。例えば上述のように、極限Ｌ_sup又はＬ_infをなだらかにすることが可能である。即ち、図３ｃに示すように、許容条件の程度を反映する要素又は重みを導入することが可能であり、図３ｃでは、異なる範囲を示す色調が暗い又は明るい色調に徐々に変化している。この要素は、結果として生じる変化に対して重みを与えるために使用され、それにより、さらなる増加又は減少が当該変化に生じる。以下では、図３ｂに示す硬判定の代替手段について検討する。前述のように、及び本実施形態に従って、極限Ｌ_sup及びＬ_infはそれぞれ、ｗ_nの関数でもよい。許容範囲もまた、ＣＤＲの関数でもよい。

９〜１１． 許容範囲の選択後、本方法は、これよりゴースト・ラインのパラメータの調整へ進む。変更される唯一のゴースト・ラインのパラメータは、クロストーク利得ｈ^k _g,nである。従って、判定変数Φ^k _kは、あらゆるユーザ及びあらゆるトーンについて、報告されたＣＤＲの関数として計算される。当該判定変数は、１１．に従って、報告されたＣＤＲに加えて報告された品質ｗ_nの関数として計算されてもよいことに留意すべきである。ｗ_nとＣＤＲとの線形結合は、シミュレーションで見いだされることに適しているが、非線形の従属関係が適用されてもよい。何れの場合も、最も大きな悪影響を受けるライン（most damaged victim）に強調が与えられるべきである。最も大きな悪影響を受けるラインでさえ保護されているので、他の全てのユーザも保護されていると考えることは妥当である。Φ^k _kの計算は、追加の重み行列Ｉを含み、
の形式を有し、各要素は、０又は１である（即ち、ｉ_n,j∈｛０，１｝）。（ｉ_3,1は、第３の送信部から第１の受信部への妨害である）。ｉ_n,j＝０の場合、ユーザｎがユーザｊに干渉しないことを意味する。ｉ_n,j＝１の場合、相応の干渉が存在するものと想定される。これは、原理上、唯一必要なクロストークのチャネル情報であり、このことは、頻繁なチャネル測定を回避し得ることを意味する。Ｉ行列は、２つの特定のラインの間にかなりのクロストークが存在するか否かであるから、ネットワークトポロジの初期の検査で導出され得る。異なるレベルのチャネル知識を想定して、０と１との間の値とすることを可能にする、行列Ｉに示す干渉のさらなる微調整は、結果の品質をさらに改善することが可能である。

１２．〜１５． 次に、本方法は、ゴースト・ラインのパラメータｈ^k _n,Gの調整に進む。３つの状況が可能であり、それらは次の通りである。
１）判定変数Φ^k _kが許容範囲内にある場合、ユーザｎが他のユーザに引き起こすクロストークは、所望の限界内であり、変更の必要はない。
２）Φ^k _kがＬ_supより大きい場合、ユーザｎは、この特定のトーンについて他のユーザに対して過度のクロストークを引き起こし、このことは、ｈ^k _n,Gが増加されることを意味する。これは、次の繰り返し後には、干渉を発するのが低減される結果となるであろう。ゴースト・ラインが最大転送速度を達成するのを可能にするために、ユーザｎは、このトーンへの電力割り当てに関してより注意深くなるであろうからである（ステップ４の説明も参照されたい）。
３）Φ^k _nがＬ_infより小さい場合、ユーザｎは、このトーンについて他のユーザに大きなクロストークを引き起こさず、ｈ^k _n,Gは減少され得る。従って、次の繰り返しにおいてユーザｎは、このトーンへ電力を割り当てるために、より大きな自由度を有するであろう。ｈ^k _n,Gがどのように増加／減少されるかは、まさに収束の速さに影響を及ぼし、固定的若しくは動的な増加／減少によって、又は係数αを用いて単に乗算（又は除算）することによって、行われてもよい。

１６． 各ラインについてのゴースト・ラインのクロストーク利得の調整後、中央エージェントは、ここで新たなパラメータをモデムに提供できる。モデムは、ここで再びＰＳＤを割り当て、ＣＤＲ及びｗを中央エージェントに送り返すことができる。

本発明による方法について、図５のフローチャートに示す。
５０１． モデムにおいて、それぞれの初期ゴースト・ラインに対して最適化された初期電力が、ラインに割り当てられる。
５０２． モデムからＤＳＬネットワークの中央エージェントへ、クロストークの影響を示す測定値（ＣＤＲ）を送信する。
５０３． クロストークの影響を示す受信した測定値（ＣＤＲ）に基づいて第１のモデムに関する判定変数（Φ）を計算するとともに、第１のモデムに関する判定変数（Φ）に基づいて第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する。
５０４． 計算したゴースト・ラインのパラメータ（Ｇ）を第１のラインのモデムに報告する。
５０５． 受信した更新済みのゴースト・ラインのパラメータ（Ｇ）に基づき、第１のラインに割り当てられる電力を更新し、ステップ５０２に続く。

本発明の一実施形態によれば、ステップ５０３はステップをさらに以下のステップを含む。
５０６． 測定値（ＣＤＲ、又はＣＤＲ及びｗ）の関数として、判定変数Φに対して許容されるクロストークの範囲（Ｌ_sup、Ｌ_inf）を決定する。
５０７． クロストークを表す推定レベルがクロストークの許容範囲内にある場合、以前決定したゴースト・ラインのパラメータを維持する。
５０８． 判定変数Φがクロストークの許容範囲の上側の範囲外にある場合、ゴースト・ラインと第１のラインとの間の結合を増加させる。
５０９． 判定変数Φがクロストークの許容範囲の下側の範囲外にある場合、ゴースト・ラインと第１のラインとの間の結合を減少させる。

提案の方法の性能を他の解決手段と比較するために、図６のシナリオでシミュレーションを行った。下りストリームＡＤＳＬで送信する電話局（ＣＯ）及び３つのリモート端末（ＲＴ）が、当該シナリオに含まれる。この遠近シナリオに起因して、ＣＯからの下りストリームの伝送は、深刻なレベルのクロストークの影響を受けており、保護されるべきである。ＲＴ₁及びＲＴ₂に関する最低転送速度は、それぞれ２Ｍｂｐｓ及び２．２５Ｍｂｐｓに設定したのに対して、ＲＴ₃の最低転送速度は、各シミュレーションで３〜８Ｍｂｐｓの範囲で変動させた。各状況について、１０^-7のＢＥＲ及び１２ｄＢの雑音マージンで、ＣＯのユーザに対して何Ｍｂｐｓを提供可能であるかを観測した。３つの異なる最適化方法は、図７に描く転送速度の範囲を有する。ＩＳＢは、最適だが完全集中型の解決手段であるＯＳＢの反復バージョンであり、より良好に機能する一方で、増加した複雑性及びチャネル知識を要求する。ＡＳＢについて、基準ラインは、あるラインとＣＯが動作するライン（図６の上側の線）との間のクロストーク特性に設定されたが、これは、各ラインが個別の基準としての役割を果たすゴースト・ラインを有する本発明と対照的である。３つの方法の間で、ＡＳＢの性能が最も悪く、即ち、最も制約された転送速度の範囲となることが分かる。最も外側の線が最適であると言え、それ自体は当技術分野で受け入れられている。ＩＳＢが最も内側の線であり、ＢＬＩＮＤが真ん中の線である。簡単に言えば、動作点の性能が良好であればあるほど、最も外側の線に近くなる。

このＩＳＢ及びＡＳＢの２つの方法はともに、完全なチャネル知識を前提としていることを強調する価値がある。

提案の方法は、最適の方法（ＯＳＢ／ＩＳＢ、これらは最適であると一般に受け入れられている）とほぼ同等の性能であるが、相当に少ない複雑性及びチャネル知識を有する。提案の解決手段は、現実的なＤＳＭの解決手段に関する最も重要な観点である、性能、複雑性、集中化及び要求されるシステムの知識に関する観点の間で、最善のトレードオフを達成することが分かる。

さらに、本発明による方法は、マルチキャリヤ伝送システムの一般的なクラスに適用可能である。

Claims (26)

1. ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークの第１のラインのクロストークを低減するための、前記ＤＳＬネットワークの中央ユニットによって実行される方法であって、
   前記第１のラインを除外して前記ＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入され、
   前記方法は、
   前記第１のラインの第１のモデムと、少なくとも第２のラインの第２のモデムとから、クロストークの影響を示すそれぞれの測定値を受信するステップと、
   クロストークの影響を示す前記受信した測定値に基づいて、前記第１のモデムに関する判定変数を計算し、かつ、該第１のモデムに関する該判定変数に基づいて、該第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算するステップと、
   前記第１のモデムが、送信される前記ゴースト・ラインのパラメータに基づいて前記第１のラインに割り当てられる電力を更新できるように、計算した前記ゴースト・ラインのパラメータを前記第１のラインのモデムへ送信するステップと
   を含み、
   前記測定値は、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示すことを特徴とする方法。
2. クロストークの影響を示す前記測定値は、前記ＤＳＬネットワークの各ラインの個別のモデムから受信されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. クロストークの影響を示す前記測定値は、前記モデムがクロストークの悪影響を受けている周波数に関する情報を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する前記ステップは、
   前記測定値に応じて、前記判定変数に対するクロストークの許容範囲を決定するステップをさらに含み、
   ゴースト・ラインのパラメータの前記計算は、前記許容範囲と前記判定変数との間の関係に依存することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記許容範囲は、前記測定値に依存することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する前記ステップは、
   前記測定値が、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示す場合、該測定値に応じて、前記判定変数に対するクロストークの許容範囲を決定するステップをさらに含み、
   ゴースト・ラインのパラメータの前記計算は、前記許容範囲及び前記判定変数（Φ）に依存することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記測定値が、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示す場合に、前記許容範囲は、該測定値に依存することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 推定されたクロストークを表すレベルが、前記許容範囲内の場合、既に決定したゴースト・ラインのパラメータを維持するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記判定変数が、クロストークの前記許容範囲の上側の範囲外にある場合、前記ゴースト・ラインと前記第１のラインとの間のクロストーク利得を増加させるステップをさらに含み、
   前記クロストーク利得は、前記ゴースト・ラインのパラメータに含まれており、かつ、前記第１のラインと、前記第１のラインを除く前記ＤＳＬネットワークの複数のラインとの間の現在のクロストークの状況を反映することを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載の方法。
10. 前記判定変数が、クロストークの前記許容範囲の下側の範囲外にある場合、前記ゴースト・ラインと前記第１のラインとの間のクロストーク利得を減少させるステップをさらに含み、
    前記クロストーク利得は、前記ゴースト・ラインのパラメータに含まれており、かつ、前記第１のラインと、前記第１のラインを除く前記ＤＳＬネットワークの複数のラインとの間の現在のクロストークの状況を反映することを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載の方法。
11. 前記ＤＳＬネットワークの複数のライン間の干渉を示す重み行列が導入され、
    前記重み行列にさらに基づいて、判定変数を計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法。
12. ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークの第１のラインのモデムによって実行される方法であって、
    前記第１のラインを除外して前記ＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入され、かつ、初期ゴースト・ラインが決定され、
    前記方法は、
    前記ゴースト・ラインに対して最適化された初期電力を前記第１のラインに対して割り当てるステップと、
    前記ＤＳＬネットワークの中央エージェントに対して、クロストークの影響を示す測定値を送信するステップと、
    クロストークの影響を表す前記測定値に基づいて少なくとも決定される、更新されたゴースト・ラインのパラメータを、応答として受信するステップと、
    更新され受信された前記ゴースト・ラインのパラメータに基づいて、前記第１のラインに割り当てられる前記電力を更新するステップと
    を含み、
    前記測定値は、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示すことを特徴とする方法。
13. クロストークの影響を示す前記測定値は、前記モデムがクロストークの悪影響を受けている周波数に関する情報を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークの第１のラインのクロストークを低減する中央ユニットであって、
    前記第１のラインを除外して前記ＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入され、
    前記第１のラインの第１のモデムと、少なくとも第２のラインの第２のモデムとから、クロストークの影響を示すそれぞれの測定値を受信する受信機と、
    クロストークの影響を示す前記受信した測定値に基づいて、前記第１のモデムに関する判定変数を計算し、かつ、該第１のモデムに関する該判定変数に基づいて、該第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する計算機と、
    前記第１のモデムが、送信される前記ゴースト・ラインのパラメータに基づいて前記第１のラインに割り当てられる電力を更新できるように、計算した前記ゴースト・ラインのパラメータを前記第１のラインのモデムへ送信する報告機と
    を備え、
    前記測定値は、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示すことを特徴とする中央ユニット。
15. クロストークの影響を示す前記測定値は、前記ＤＳＬネットワークの各ラインの個別のモデムから受信されることを特徴とする請求項１４に記載の中央ユニット。
16. クロストークの影響を示す前記測定値は、前記モデムがクロストークの悪影響を受けている周波数に関する情報を含むことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の中央ユニット。
17. 前記第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する前記計算機は、
    前記測定値に応じて、前記判定変数に対するクロストークの許容範囲を決定する手段をさらに備え、
    ゴースト・ラインのパラメータの前記計算は、前記許容範囲と前記判定変数との間の関係に依存することを特徴とする請求項１４乃至１６の何れか１項に記載の中央ユニット。
18. 前記許容範囲は、前記測定値に依存することを特徴とする請求項１７に記載の中央ユニット。
19. 前記第１のモデムに関するゴースト・ラインのパラメータを計算する前記計算機は、
    前記測定値が、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示す場合、該測定値に応じて、前記判定変数に対するクロストークの許容範囲を決定する手段をさらに備え、
    ゴースト・ラインのパラメータの前記計算は、前記許容範囲及び前記判定変数（Φ）に依存することを特徴とする請求項１４に記載の中央ユニット。
20. 前記測定値が、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示す場合に、前記許容範囲は、該測定値に依存することを特徴とする請求項１９に記載の中央ユニット。
21. 前記計算機は、
    推定されたクロストークを表すレベルが、前記許容範囲内の場合、既に決定したゴースト・ラインのパラメータを維持する手段を備えることを特徴とする請求項１７乃至２０の何れか１項に記載の中央ユニット。
22. 前記計算機は、
    前記判定変数が、クロストークの前記許容範囲の上側の範囲外にある場合、前記ゴースト・ラインと前記第１のラインとの間のクロストーク利得を増加させる手段を備え、
    前記クロストーク利得は、前記ゴースト・ラインのパラメータに含まれており、かつ、前記第１のラインと、前記第１のラインを除く前記ＤＳＬネットワークの複数のラインとの間の現在のクロストークの状況を反映することを特徴とする請求項１７乃至２０の何れか１項に記載の中央ユニット。
23. 前記計算機は、
    前記判定変数が、クロストークの前記許容範囲の下側の範囲外にある場合、前記ゴースト・ラインと前記第１のラインとの間のクロストーク利得を減少させる手段を備え、
    前記クロストーク利得は、前記ゴースト・ラインのパラメータに含まれており、かつ、前記第１のラインと、前記第１のラインを除く前記ＤＳＬネットワークの複数のラインとの間の現在のクロストークの状況を反映することを特徴とする請求項１７乃至２０の何れか１項に記載の中央ユニット。
24. 前記ＤＳＬネットワークの複数のライン間の干渉を表す重み行列が導入され、
    前記判定変数の前記計算は、前記重み行列にさらに基づくことを特徴とする請求項１４乃至２３の何れか１項に記載の中央ユニット。
25. ディジタル加入者線（ＤＳＬ）ネットワークの第１のラインのモデムであって、
    前記第１のラインを除外して前記ＤＳＬネットワークの複数のラインの置換となるゴースト・ラインが導入され、かつ、初期ゴースト・ラインが決定され、
    前記ゴースト・ラインに対して最適化される初期電力を前記第１のラインに対して割り当てる手段と、
    前記ＤＳＬネットワークの中央エージェントに対して、クロストークの影響を示す測定値を送信する送信機と、
    クロストークの影響を表す前記測定値に基づいて少なくとも決定される、更新されたゴースト・ラインのパラメータを、応答として受信する受信機と、
    更新され受信された前記ゴースト・ラインのパラメータに基づいて、前記第１のラインに割り当てられる前記電力を更新するＰＳＤ計算機と
    を備え、
    前記測定値は、所与の最低レートを達成するために割り当てる必要があるチャネル・リソースの割合をさらに示すことを特徴とするモデム。
26. クロストークの影響を示す前記測定値は、前記モデムがクロストークの悪影響を受けている周波数に関する情報を含むことを特徴とする請求項２５に記載のモデム。