(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＭＴ送信を用いるＤＳＬシステムのベクトル化送信方法であって、
前記ＤＳＬシステムは、少なくとも１つの送信器及び少なくとも１つの受信器をそれぞれ有する複数の通信回線を含み、前記複数の通信回線間のクロストーク干渉が送信中に生じ、
前記ベクトル化送信方法は、
複数のトーン内の信号をプリコーダ・ブロックに提供する工程と、
前記複数の通信回線の回線及び信号特性と通信適応化ユニットを用いて前記プリコーダ・ブロックのパラメータを決定する工程と、
前記プリコーダ・ブロックと前記決定されるパラメータを用いて前記複数のトーン内の前記信号を予め歪める工程と
前記複数の通信回線の少なくとも１つで前記予め歪められる信号を送信する工程であって、同期化されたブロック送信及びブロック受信を行ってクロストークの除去又は減少を促進する前記ＤＳＬシステムを用いることによって前記複数の通信回線の少なくとも１つで前記予め歪められる信号を送信することによって前記クロストーク干渉が除去又は減少され、前記クロストークの干渉の除去又は減少は、少なくとも１つのアフィックスを含む、送信のブロック境界の調整を用い、前記ブロック送信は、少なくとも最小長さの境界のアフィックスを有するブロックの送信を参照する、工程と、
を含む、ベクトル化送信方法。
【請求項２】
前記クロストーク干渉の除去又は減少は前記複数のトーンの各々で独立して行われる、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【請求項３】
前記プリコーダ・ブロックのパラメータは、チャネル行列及びノイズ共分散行列の少なくとも１つの知見に依存して決定される、請求項１または請求項２に記載のベクトル化送信方法。
【請求項４】
ＤＭＴ送信を用いるＤＳＬシステムのベクトル化送信方法であって、
前記ＤＳＬシステムは、少なくとも１つの送信器及び少なくとも１つの受信器をそれぞれ有する複数の通信回線を含み、前記複数の通信回線間のクロストーク干渉が生じ、
前記ベクトル化送信方法は、
前記複数の通信回線の少なくとも１つから複数のトーン内に信号を受信する工程と、
前記複数の通信回線の回線及び信号特性と通信適応化ユニットを用いてキャンセラー・ブロックのパラメータを決定する工程と、
前記キャンセラー・ブロックと前記決定されるパラメータを用いて、前記複数の通信回線の少なくとも１つから受信される前記信号の前記複数のトーン内の各々の前記クロストークを除去又は減少する工程と、
前記キャンセラー・ブロックから各トーン内に信号を受信する工程と、
クロストークの除去又は減少を促進する前記ＤＳＬシステムを用いて同期化されたブロック送信及びブロック受信を行う工程であって、前記クロストークの干渉の除去又は減少は、少なくとも１つのアフィックスを含む、送信のブロック境界の調整を用い、前記ブロック送信は、少なくとも最小長さの境界のアフィックスを有するブロックの送信を参照する、工程と、
を含む、ベクトル化送信方法。
【請求項５】
前記クロストーク干渉の除去又は減少は前記複数のトーンの各々で独立して行われる、請求項４に記載のベクトル化送信方法。
【請求項６】
前記キャンセラー・ブロックのパラメータは、チャネル行列及びノイズ共分散行列の少なくとも１つの知見に依存して決定される、請求項４または請求項５に記載のベクトル化送信方法。
【請求項７】
初期化中にトレーニングベースのチャネルＩＤにより前記チャネル行列の知見を得る工程を更に含む、請求項３または請求項６に記載のベクトル化送信方法。
【請求項８】
前記送信は上り送信と下り送信の少なくとも１つである、請求項１〜７の何れか一項に記載のベクトル化送信方法。
【請求項９】
ベクトル化送信のためのＤＳＬシステムであって、
複数の通信回線でＤＭＴ送信を用いるように構成される複数の送信器であって、前記複数の通信回線間のクロストーク干渉が送信中に生じる、送信器と、
複数のトーン内に信号を受信し、複数のパラメータに対応して前記複数のトーン内の前記信号を予め歪め、前記複数の通信回線の少なくとも１つでの送信中に前記予め歪められる信号を前記複数の送信器の少なくとも１つに提供するように構成されるプリコーダ・ブロックと、
前記複数の通信回線の回線及び信号特性に基づいて前記プリコーダ・ブロックの前記パラメータのセットを決定するように構成される通信適応化ユニットであって、前記複数の通信回線の少なくとも１つで前記予め歪められる信号を送信することによって前記クロストーク干渉が除去又は減少される、通信適応化ユニットと、
を含み、
前記送信器は、ブロック送信を行うと共に前記ブロック送信を同期化してクロストークの除去又は減少を促進するように構成されかつ配置され、前記クロストークの干渉の除去又は減少は、少なくとも１つのアフィックスを含む、送信のブロック境界の調整を用い、前記ブロック送信は、少なくとも最小長さの境界のアフィックスを有するブロックの送信を参照する、
ＤＳＬシステム。
【請求項１０】
前記プリコーダ・ブロックは、前記複数のトーンの各々で独立して予め歪めることによって前記クロストーク干渉を除去又は減少するように構成される、請求項９に記載のＤＳＬシステム。
【請求項１１】
ベクトル化送信のためのＤＳＬシステムであって、
複数の通信回線から複数のトーン内に信号をＤＭＴ送信するように構成される複数の送信器であって、前記複数の通信回線間のクロストーク干渉が生じる、送信器と、
キャンセラー・ブロックのパラメータを用いて前記複数の通信回線の少なくとも１つから受信される前記信号の前記複数のトーン内の各々の前記クロストークを除去又は減少し、前記トーンの内の各々に信号を提供するように構成されるキャンセラー・ブロックと、
前記複数の通信回線の回線及び信号特性を用いてプリコーダ・ブロックの前記パラメータのセットを決定するように構成される通信適応化ユニットと、
を含み、
前記送信器は、ブロック送信を行うと共に前記ブロック送信を同期化してクロストークの除去又は減少を促進するように構成されかつ配置され、前記クロストークの干渉の除去又は減少は、少なくとも１つのアフィックスを含む、送信のブロック境界の調整を用い、前記ブロック送信は、少なくとも最小長さの境界のアフィックスを有するブロックの送信を参照する、
ＤＳＬシステム。
【請求項１２】
前記通信適応化ユニットは、チャネル行列及びノイズ共分散行列の少なくとも１つの知見に依存して前記パラメータのセットを決定するように構成される、請求項９〜１１の何れか一項に記載のＤＳＬシステム。
【請求項１３】
前記通信適応化ユニットは、初期化中にトレーニングベースのチャネルＩＤにより前記チャネル行列の知見を得るように構成される、請求項１２に記載のＤＳＬシステム。
【請求項１４】
前記複数の送信器は上り送信と下り送信の少なくとも１つであるように構成される、請求項９〜１３の何れか一項に記載のＤＳＬシステム。
【請求項１５】
同期化されたブロック送信及びブロック受信を行うことは、上り送信を提供する全てのユーザの前記ブロックが同時に受信されるように、上り送信のために前記ブロック境界を揃えることを更に含む、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【請求項１６】
同期化されたブロック送信及びブロック受信を行うことは、初期化中にブロックレベルの同期化を行うことを更に含む、請求項１５に記載のベクトル化送信方法。
【請求項１７】
前記送信器は、電話局及び／又は光ネットワークに位置されている、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのアフィックスは、少なくともサイクリック・プリフィックスを含む、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのアフィックスは、少なくともサフィックスを含む、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのアフィックスは、サイクリック・プリフィックス及びサイクリック・サフィックスの両方を含む、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【請求項２１】
前記クロストークの干渉の除去又は減少は、各ユーザについて独立して決定され、前記複数の通信回線に同時に送信されるエネルギーの配分を用いる、請求項１に記載のベクトル化送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、デジタル通信システムを管理するための方法、システム及び装置に関する。詳細には、本発明は、ＤＳＬシステム等の通信システムの性能に影響するシステムパラメータの動的制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、伝送媒体が一般的に銅配線であるデジタル通信システムに関するものである。通常、銅配線は、幾つかの製造仕様書に従って分類される（例えばＡＷＧ−２６、ＡＷＧ−２４、ＣＡＴ−３、ＣＡＴ−５、ＣＡＴ−６等）撚り対線（twisted pair）（「回線」又は「ループ」とも呼ばれる）で構成される。銅配線を用いる通信システムの一般的なものとしては、ＩＳＤＮ、ＨＤＳＬ、ＡＤＳＬ及びＶＤＳＬ等のデジタル加入者回線（ＤＳＬ）システムや、イーサネット（登録商標）等のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）が挙げられる。銅配線を組み込んだ通信回線の各末端には、トランシーバ（例えばユーザモデム）が設けられる。
【０００３】
既存の電話回線は、何らかの方法で「束ねられる（bundled）」のが一般的である。幾つかの対線を（バインダで又は別様で）「束ねる」ことにより、単一のユーザに対するサービスの向上を図るか又は複数のユーザに対するサービスを可能にすることができる。例えば、１０００−ＢａｓｅＴイーサネット（登録商標）は、１つの対線当たり２５０Ｍｂｐｓのデータ速度、即ち１Ｇｂｐｓの合計速度を達成するために、４つの撚り対線を用いる（図１に示す）。図１では、データストリーム１１０が第１のトランシーバ１２０に供給され、そこでデータストリーム１１０は複数のコンポーネントデータストリーム１３０に分解され、所望の場合には変調器１４０を用いて変調される。変調されたコンポーネントデータストリームは撚り対線１５０を介して復調器１６０に伝送され、第２のトランシーバ１７０で再構成される。上述した各種構成要素の役割を逆にすることにより、データを逆方向に送ってもよい。
【０００４】
別の適用例は、ＤＳＬサービス用の電話ループ設備の使用であり、その一例を図２に示す。各加入者宅内機器（ＣＰＥ）２２０から出た撚り対線２１０は１つ以上のバインダ２３０でグループ化され、電話局（ＣＯ）、光ネットワークユニット（ＯＮＵ）又は遠隔端末（ＲＴ）等の終点２４０で収束する。当然ながら、ＤＳＬの単一の顧客による、その顧客の全体的なデータ速度の向上を目的とした複数の対線の使用等といった、ハイブリッドな筋書きも生じ得る。
【０００５】
撚り対線を束ねるのは、必要性（例えば、既存の電話ループインフラ）又は性能向上の利点（例えば、１０００−ＢａｓｅＴイーサネット（登録商標））のためである。しかし、いずれの場合にも、これらの設定における通信では、隣接する対線間の電磁的な結合から生じる「クロストーク」干渉と呼ばれる干渉の問題がある。これは、撚り対線の末端のモデムが受信した任意の信号が、概して、その特定の対線の送信信号（それ自体もある程度歪む傾向がある）のみでなく、隣接する対線で送信された歪んだ信号も含むことを意味する。従って、特定の対線の伝送特性（例えば、その対線の送信電力）が、誘発されたクロストークによって隣接する対線の通信に実質的に影響し得ることは明らかである。従って、互いに隣接する複数の対線（特に、１つの束に属する又は同じバインダを共有する対線）での送信が、ある種の方法で結合される。通常、干渉信号はノイズとして扱われる。しかし、クロストークを識別可能な状況も幾つかある。（本明細書に参照して援用する米国特許出願第０９／７８８，２６７号（米国特許出願公開第２００２−０１３６３９７号）参照。）クロストーク結合関数を認識できれば、クロストーク干渉の除去が可能になり得る。
【０００６】
「ばら売り（unbundling）」は、現職の地域電話会社（ＩＬＥＣ）が競合する地域電話会社（ＣＬＥＣ）に電話回線又はその帯域幅の一部をリースすることを含む。ＤＳＬサービスで現在実施されているばら売りは、通常、ＣＬＥＣが、時として「ダークコパー（dark copper）」のリースとも呼ばれるリースされた物理的な銅対線の電話回線に、変調信
号を直接流すことを許可するものである。このようなばら売りされた信号がサービスを提供してもよく、従って、これらの信号は、様々なサービスプロバイダ間で異なるスペクトルを用いる。スペクトルの違いは、近接して存在する回線間の電磁的な漏洩（リーク）によって生じるクロストークの不適合性を更に悪化させ得る。ＩＬＥＣ及びＣＬＥＣは、様々なＤＳＬサービスが使用できる周波数帯域及び電力スペクトル密度を標準化することにより、相互のスペクトルの適合性を確実にする試みを行っている。しかし、多くのＤＳＬのタイプ及び帯域幅が存在すると共に、サービスプロバイダはしばしば競合者であるので、このようなスペクトルの管理は複雑である。更に、スペクトルの監督機関及びＤＳＬ標準団体の協力及びつながりはまだ発展の初期段階であるので、監督機関がスペクトル管理で予定されているものとは異なる営業の実施を許可することもあり得る。
【０００７】
ＤＳＬスペクトル管理は、同一バインダ内で展開され得る複数のＤＳＬ間のクロストークを制限するために、様々なＤＳＬサービスのスペクトルを定めることを試みている。このようなクロストークは、様々なループの範囲で提供されるＤＳＬサービスのデータ速度及び対称性を決定する際の制限要因になり得るので、スペクトル管理は、同時に展開され得る様々なＤＳＬサービス提供間で、或るレベルの妥協を見出すことになる。スペクトル管理の検討は、或る典型的且つ最悪のループ状況を特定してから、サービス間の相互の劣化を低減するために、各タイプのＤＳＬに対して固定されたスペクトルを定める傾向がある。このような固定されたスペクトルの割当ては、検討での仮定状況と異なる状況においては所望のレベルの妥協を生じない場合がある。
【０００８】
制定された規則によって通信パラメータに厳しい制限が課され、システム内の全当事者の伝送を一様に制限することにより、クロストークに起因する性能低下を制御する。一般的に、規則のセット全体を、実際のクロストーク環境（例えば、隣接する対線が実際に信号を伝送しているか否か）に関係なく等しく適用することにより、最悪の場合の筋書きに対する防御を設ける。
【０００９】
現在のところ、物理層における通信パラメータ（送信電力、送信帯域幅、送信電力スペクトル密度、時間／周波数におけるエネルギー配分、時間／周波数におけるビット配分等）は、１対のモデム及びそれらの撚り対線回線に関する静的な情報に基づいて決定されている。図３に示されるように、既存のシステム３００は、撚り対線回線３１２によって接続された複数のモデム対３１０、３１１を有する。通信適応化モジュール３１５には、各リンクに対する標準化された要求及び制約３１４が供給される。幾つかのケースでは、回線３１２に対応するモデム対３１０、３１１の動作を補助するために、所与の回線のモジュール３１６によって、回線３１２の測定された回線及び信号特性を通信適応化モジュール３１５にフィードバックすることが可能である。しかし、図３に示されるように、各リンク及びそのモデム対の外部へ回線及び／又は信号特性が通信又は伝達されることはない。更に、１つ以上のモデム対及び回線の動作についての知見又は様々な対の相互作用（例えば、回線間のクロストーク）についての知見を有する独立企業体はない。その代わりに、クロストークや他の障害の最悪の状況に対処するために、動作中のシステムの実際の状態に関わらず、図３に示されるような回線及びモデムに適用される規則、要求及び制約が立案される。
【００１０】
現在のマルチユーザ通信システムの短所の１つは電力制御である。干渉が制限された一般的な通信システムでは、各ユーザの性能は、各自の電力配分のみでなく、他の全ユーザの電力配分にも依存する。従って、システム設計は、一般的に、複数の異なるユーザ間での重要な性能のトレードオフを含む。ＤＳＬ環境は、相互干渉の存在下で、複数のＤＳＬモデムに対する大半の又は全ての達成可能データ速度からの選択を最大化するか又は可能にする、進歩した電力配分法を利用したマルチユーザシステムであると見なすことができる。
【００１１】
上述したように、ＤＳＬ技術は、普通の電話回線の銅の対線を介して高速データサービスを提供する。複数の異なるユーザからの電話回線が電話局からの途中で束ねられ、その束の中の複数の異なる回線が頻繁に相互のクロストークを生じるので、ＤＳＬ環境はマルチユーザ環境であると見なされる。このようなクロストークは、ループ中の主要なノイズ源となり得る。しかし、ＡＤＳＬやＨＤＳＬ等の初期のＤＳＬシステムは、シングルユーザシステムとして設計されている。シングルユーザシステムは設計がかなり容易であるが、実際のマルチユーザシステム設計は、シングルユーザシステム設計よりも遙かに高いデータ速度を実現できる。
【００１２】
より高速のデータ速度への要求が高まり、通信システムが、クロストーク問題がより顕著な高い周波数帯域へと移るにつれ、スペクトルの適合性及び電力制御は中心的な問題となっている。これは特に、上が２０ＭＨｚまでの周波数を使用可能なＶＤＳＬについて当てはまる。
【００１３】
ＤＳＬ環境は、たとえループ毎に異なっていても経時的には変化しないので、ＤＳＬシステムにおける電力制御は、無線システムにおける電力制御とは異なる。フェージング及びモビリティは問題ではないので、チャネルについての完璧な知見を有するという仮定が妥当する。これにより、洗練された集中式電力制御法の実施が可能になる。一方、しばしばフラットフェージングを前提とし得る無線の状況とは異なり、ＤＳＬループは周波数を厳密に選択する。従って、いかなる進歩した電力配分法も、各ユーザに配分された電力の合計量だけでなく、各周波数における電力配分をも考慮することを必要とする。特に、ＶＤＳＬシステムは、電話局から異なる距離に位置する２つの送信器が共に電話局との通信を試みる際の、遠近問題（near-far problem）を有する。一方の送信器が他方の送信器よりも遙かに電話局に近い場合には、近い方の送信器に起因する干渉が、遠い方の送信器からの信号をしばしば圧倒する。
【００１４】
ＤＳＬモデムは、伝統的な音声帯域よりも高い周波数を用いて高速データを搬送する。周波数を厳密に選択する電話チャネルで符号間干渉と戦うために、ＤＳＬ送信は、周波数帯域を多くのサブチャネルに分割して、各サブチャネルに別個のデータストリームを運ばせる、ＤＭＴ（Discrete Multitone）変調を用いる。ＤＭＴ変調の使用により、各周波数のトーンにおける任意の電力配分が実施可能になり、スペクトル整形が可能になる。
【００１５】
図４に示されるように、ＤＳＬの束４１０は、束ねられた多くの加入者回線４１２で構成でき、これらは近接していることによりクロストークを生じる。近端クロストーク（ＮＥＸＴ）４１４とは、受信器と同じ側に位置する送信器によって生じるクロストークのことである。遠端クロストーク（ＦＥＸＴ）４１６とは、反対側に位置する送信器によって生じるクロストークのことである。一般的に、ＮＥＸＴはＦＥＸＴよりも遙かに大きい。本明細書で呈示する本発明の例は、説明の目的で、二重周波数（frequency duplexed）システムを用いる。
【００１６】
現在のＤＳＬシステムはシングルユーザシステムとして設計されている。システムの合計電力の制約に加えて、各ユーザも、静的電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の制約を受ける。電力スペクトル密度制約は、任意のモデムから生じる最悪の状況の干渉レベルを制限する。従って、各モデムを最悪の状況のノイズに耐えるように設計可能である。このような設計は、現実的な展開の筋書きは最悪の状況のノイズよりも遙かに低い干渉レベルを有することが多いという意味で、保守的であり、現在のシステムはこの事実を利用するようには設計されていない。更に、モデムの地理的な位置に関係なく、同じ電力スペクトル密度の制約が全てのモデムに一様に適用される。
【００１７】
それぞれ異なる場所にいる異なるユーザのための異なる電力配分が存在しないことは、上述した遠近問題により、問題となる。図５は、同一バインダ内の２つのＶＤＳＬループ５１０が、電話局５１２から遠い加入者宅５１４及び近い加入者宅５１６へと出ている構成を示している。ＣＰＥ側の両方の送信器が同じ電力スペクトル密度で送信すると、回線の減衰の差に起因して、短い回線が生じたＦＥＸＴ５２６が、長い回線のデータ信号を圧倒し得る。従って、長い回線の上り性能が、短い回線の上り送信によって深刻な影響を受ける。この、短い回線と長い回線との間のスペクトルの適合性問題を改善するために、短い回線は、長い回線に対して不公平な干渉を生じないように、上り電力スペクトル密度を低減しなければならない。この上り送信電力スペクトル密度の低減は、上り電力バックオフ（back-off）として知られている。なお、下り方向では、たとえＣＯ側の全ての送信機が同じ電力スペクトル密度で送信しても、それらが相互に生じるＦＥＸＴはＣＯからの任意の固定距離において同一なので、下り方向にはこのような問題はない。この下りＦＥＸＴレベルは、一般的にデータ信号よりも遙かに小さいので、下り送信に対して深刻な問題を課すことはない。
【００１８】
ＶＤＳＬでは、幾つかの上り電力バックオフ法が提案されている。現在の電力バックオフ法は全て、短いループに長いループの挙動をエミュレート（模倣）させることにより、短いループによって生じる干渉の発散を低減することを試みている。例えば、一定電力バックオフ法では、特定の基準周波数において、短いループからの受信ＰＳＤレベルが長い基準ループからの受信ＰＳＤと同じになるように、上り送信帯域の周波数にわたって一定の係数を適用する。
【００１９】
この方法を一般化したものは基準長法と呼ばれ、全ての周波数において、短いループの受信ＰＳＤが或る長い基準ループと同じになるように、周波数にわたって様々なレベルのバックオフ（低減）が実施される。しかし、通常、高周波数帯域は、長いループで用いるには減衰が大き過ぎるので、短いループに全周波数帯域にわたって同じＰＳＤ制限を課すことは、過剰に制限的になる場合がある。従って、高周波数帯では、短いループが干渉を気にせず送信可能になるべきである。
【００２０】
この観察は、多基準長法に導くものである。この方法では、各上り周波数帯域に異なる基準長が設定される。上述の方法の全ては、短いループのＰＳＤレベルを、或る長い基準ループのＰＳＤレベルと等しくするものである。これらの方法は幾つかのケースでは容易に実施され得るが、代わりに、干渉レベル自体を等しくすると、更に良好な性能を得ることが可能である。そのような手法の例は、短いループによるＦＥＸＴの発散を長い基準ループからのＦＥＸＴと等しくさせる等化ＦＥＸＴ法、及び、ＦＥＸＴの発散をより一般的な基準ノイズと等しくさせる基準ノイズ法である。現在のところ、１つの方法が特に支持されてはいないが、スペクトル整形を可能にする基準ノイズ等の柔軟な方法が、より良好な性能を提供しそうなことは明らかである。
【００２１】
先に提案された電力バックオフ法は、短いループの電力又はノイズスペクトルが、基準ループ又は基準ノイズに従うことを要する。各ループに必要なのは、各自の電力スペクトルを基準に従って調節することのみであり、ネットワーク構成のいかなる知識も必要としないので、これらの手法の実施は簡単である。しかし、そのネットワークのループ及び結合特性が、ループ自体又は中央の第三者に知られている場合には、電力スペクトルレベルを適応的に調整できるので、より良好なシステム性能が可能になる。
【００２２】
しかし、これに伴う最適化の問題は、変数の数が多い結果として複雑であると共に、この問題の非凸性に起因して、多くの局所的な最小値が存在する。この問題を解決するための初期の試みは、全送信器の電力スペクトル密度が同じ、又は、全てのＰＳＤが或る意味において対称である等の制約を追加する手段に訴えることが多かった。真の大局的最適値を求めるための最初の試みは、各ユーザに対する速度の制約を受ける合計エネルギーを最小化するための量子アニーリングに基づくものである。
【００２３】
当業者には分かることであるが、上述した初期の方法は様々な短所を有していた。これらの方法の幾つかは実施が簡単であったが、このような簡単さのために、得られる性能が犠牲になっていた。一方、より高い性能レベルの実現を試みた方法は、複雑過ぎて実用的ではなかった。システム性能の実質的な改善を達成可能な比較的簡単な方法及びシステムは、当該技術分野の重要な進歩を表すものであろう。
【００２４】
上述したように、ＤＳＬシステムは、加入者電話回線を介して、高速のデータ速度で信頼性が高い配信が可能なブロードバンドアクセス技術として、急速に人気を獲得している。非対称ＤＳＬ（ＡＤＳＬ）システムの良好な展開は、この技術の可能性を明らかにする一助となった。現在の努力は、上が２０ＭＨｚまでの帯域幅の使用を可能にするＶＤＳＬに焦点をあてている。ＡＤＳＬは６Ｍｂｐｓまでの下り速度に到達可能であり、一方、ＶＤＳＬは、下り速度５２Ｍｂｐｓまでの非対称サービス及び速度１３Ｍｂｐｓまでの対称サービスの提供を目的としている。しかし、ＤＳＬ通信は依然としてその全能力を発揮するには至っておらず、ループが徐々に「短縮化」していることにより、速度及び性能の向上を達成可能な進歩した方法を開発する機会が示されている。
【００２５】
進歩したＤＳＬサービスでは、回線端末（ＬＴ又は「電話局側」）及びネットワーク端末（ＮＴ又は「加入者宅側」）の場所は様々であり得る。即ち、全てのＬＴモデムが同じ物理的位置にあるわけではない。その場所はＯＮＵ又はキャビネットであることも多く、この場合には、ＣＬＥＣ装置の配置及び取り付けが、物理的に不可能ではなくても技術的に困難なこともある。ＯＮＵへのＣＬＥＣのファイバアクセスは制限されることもあり、且つ／又は、ＯＮＵは新たな各ＣＬＥＣの棚／ラックを収容するのに十分な大きさがないこともあるので、困難が生じる。電話局内の場合、ダークコパー用にそのようなＣＬＥＣの装置を配置することは、しばしば「コロケーション」と呼ばれる。そのような、ダークコパーをばら売りするための電話局のコロケーションの空間及び設備は、法律で指示される場合もあり得るが、ＩＬＥＣが、実質的にはＬＴ端末におけるパケットのばら売りであるものを提供するだけの場合もある（即ち、物理レイヤではなくレイヤ２又はレイヤ３プロトコルレベルでリースされるサービス帯域幅）。このことは、多くのスペクトル研究において仮定されるアーキテクチャの変化を表している。
【００２６】
単一のサービスプロバイダが全ての物理レイヤ信号を制御することにより、ＤＳＬサービスの性能に有益となり得る方法で、送信信号を調和させることができる。回線自体の物理レイヤを直接的にリースするのではなく、撚り対線上でデジタル帯域幅を使用可能にするパケットのばら売りは、ＤＳＬサービスの進化において生じ得るステップであると考えられる。
【００２７】
図６には、発達中のＤＳＬシステムのトポロジーが示されている。幾つかの撚り対線６１６がＣＯ６１０から出て、加入者宅６１４に至っている。（ＣＯ６１０と１つ以上及びのＣＰＥ６１４との間の点に）ＯＮＵ６１２を設置することにより、ループ長６１８が短くなるので、ＤＳＬサービスの範囲及び性能が向上する。一般的に、ＯＮＵ６１２は、ファイバリンク６２２を介してＣＯ６１０に接続される。対線６１６及び６１８は、同じバインダ６２０を占めることが可能である。
【００２８】
クロストーク結合は、１つのバインダグループ内の対線間で最も強い。従って、１つのバインダグループ内の自己ＦＥＸＴを解消又は緩和することは、性能上の最大の利益を有する。複数の異なるサービスプロバイダの「ばら売りされた」回線が１つのバインダグループを共有する場合もあり、その結果、ＣＯのトランシーバ装置のコロケーションがなくなり得る。しかし、複数の異なるサービスプロバイダがＯＮＵに至るファイバリンク（例えば、図６のリンク６２２）（個々のユーザ回線はそこから出ると共にそこに収束する）を「共有」しなければならないこともあるので、ＯＮＵが展開すると、或るタイプのベクトル化された送信が必要なアーキテクチャに導かれるという示唆もある。具体的には、ＯＮＵが設置されると「回線のばら売り」の現在のアーキテクチャは非実用的になる。それは、回線のばら売りが、各サービスプロバイダがＯＮＵへの専用接続を提供するために独自の個別のファイバを用いることと、ＯＮＵが各サービスプロバイダの棚又はラックを収容するために十分に大きくなければならないこととを意味するからである。これはしばしば非現実的又は不可能である。これらの問題により、物理レイヤではなくトランスポートレイヤのサービス帯域幅がリースされる「パケットのばら売り」の発達へと導かれ得る。この場合には、ベクトル化送信は、実質的な性能改善及び制御の向上を提供できるので、より魅力的なものになる。
【００２９】
従来は、クロストーク問題は幾つかの短所を伴ったまま対処されてきた。例えば幾つかのシステムでは、ＭＩＭＯ最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）線形等化器が生成された。別の従来の方法では、送信器及び受信器のコロケーションを前提として、クロストークのキャンセルを達成するために特異値分解が用いられる。その他の初期の方法としては、「ナイキストに制限された（Nyquist-limited）」送信器と比較して性能的長所を提供することが示された「ナイキストより広い（wider than Nyquist）」送信器、及び、より高いＳＮＲ値を生じることが示されたオーバサンプリング法と組み合わせたクロストークの周期定常性（送信器の同期化によって誘導される）が挙げられる。
【００３０】
従来の方法又はシステムはどれも、有線通信システムにおけるクロストーク干渉の比較的簡単且つ効果的な低減を提供していない。しかし、（本発明で定義するような）ベクトル化送信は、不当な複雑性を持たずに高度のクロストーク低減を達成できる。更に、ベクトル化送信を用いると、ＤＳＬサービスに迫りくる、従来のシステム及び方法の短所を克服可能な動的なシステム管理の機会を提供する、アーキテクチャの変化に対応することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２−０１３６３９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は、ＤＳＬシステム等のデジタル通信システムを動的に制御するための方法、装置及びシステムに関する。本発明の幾つかの実施形態では、隣接する通信回線及び／又は伝送環境に関する或るレベルの知見（例えば、システム内の通信回線の１つ以上のグループの回線及び信号特性を決定するもの）を、一部又は全ての回線の性能を向上させるために用いる。一般的に、本発明は、伝送環境に関して得られた情報に基づいて物理レイヤの通信パラメータを決定してから、対応するリンクに関する最適化基準を評価する方法を含む。通信パラメータの適応化は、１回（例えばモデムの初期化中）、周期的又は連続的に行われてもよい。この同時適応化（joint adaptation）を実行する目的は、チャネル特性に関する情報並びにリンク要求及び制約に関する情報を利用するためであり、これにより、サービスの提供を改善することができる。本発明の幾つかの実施形態は、全てのリンクの情報が収集されるが、これらのリンクのサブセットのみ（単一のリンクの場合もある）に同時適応化が適用される方法を含む。
【００３３】
幾つかの実施形態では、全てのリンクの回線特性及び信号特性に関する情報を、独立企業体と共有するか又は独立企業体に提供することができる。回線特性は、ループトポロジー、伝達関数及びクロストーク結合関数等の要素を含むことが可能である。例えば、クロストーク結合についての知見があると、１つ以上の隣接するリンク上における伝送に起因する信号の劣化の量を正確に推測できるので、クロストーク結合についての知見は性能の向上を可能にし得る。従って、隣接するリンクを劣化させずに性能を向上させるために、システムの動作の変更（例えば、送信電力の増加）を決定してもよい。
【００３４】
信号特性は、送信電力スペクトル密度、用いられる帯域幅、変調タイプ及びビット配分を含み得る。この情報を本発明と共に用いると、隣接するリンク間の影響が最小になるような使用可能電力の周波数配分が可能になり得る。
【００３５】
回線及び信号特性に関する共有情報に加えて、送信されたビットストリームについての知見を利用する同時信号処理法を用いることができる。この調和レベルは「ベクトル化」送信の概念に直接関係し、クロストークが実質的に除去される。ここでも、所望の要求を達成するために全てのリンクの電力及び周波数リソースを最適に配分可能な、異なる種類の適応化法が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
具体的には、本発明の一実施形態では、デジタル通信システムは、システム内の複数のデジタル通信回線に関する情報を収集して、それらのデジタル通信回線の回線及び信号特性を適応的及び／又は動的に決定することによって制御される。決定された特性及び所望の性能パラメータに基づいて、デジタル通信システムの性能を向上させるか又は別様で制御するために複数のデジタル通信回線の動作が調整される。情報の収集及び処理は、システム内のユーザではない当事者によって行われてもよい。この独立した当事者が、システムの動作特性及びパラメータを制御してもよい。幾つかの実施形態では、本発明を用いて、ＤＳＬシステム等のシステム内の通信回線の複数のグループに対して誘発され得るクロストーク等の信号干渉が解消又は低減される。
【００３７】
別の実施形態では、デジタル通信システムは多くの通信回線を有し、各回線は１人のユーザによって使用され、システム内で１人のユーザが使用可能な合計電力は電力制約によって制限される。システムの動作の制御方法は、各ユーザに対する合計電力制約に初期値を割り当て、次に、各ユーザに対する競合的最適データ速度を決定することを含む。競合的最適データ速度は、各ユーザに各自の電力配分を繰り返し最適化させた結果、ユーザの合計電力制約内における電力配分を決定することによって確定される。ユーザの競合的最適データ速度は、そのユーザが到達した電力配分に基づき、その競合的最適データ速度をそのユーザの目標速度と比較することによって評価される。競合的最適データ速度とそのユーザの目標速度との比較に応じて、そのユーザの電力制約が変更され得る。ユーザに対する電力制約は、そのユーザの競合的最適データ速度が目標速度よりも低い場合には増加され、そのユーザの競合的最適データ速度が目標速度を少なくとも所定の差異だけ超える場合には電力制約が低減され、そのユーザの競合的最適データ速度が目標速度と等しいか、又は、そのユーザの競合的最適データ速度が目標速度を超えた量が所定の差異より低い場合には、電力制約はそのままである。この実施形態は、回線ばら売り環境で用いられ得る。
【００３８】
本発明の別の実施形態では、デジタル通信システムは信号が送受信される複数の通信回線を有し、信号は伝送中の干渉によって影響される。各通信回線は１人のユーザによって使用されると共に、少なくとも１つの送信器及び少なくとも１つの受信器を有する。このシステムを制御する方法は、複数の通信回線の回線特性、信号特性及び干渉特性に関する情報を収集する工程と、それらの通信回線の回線特性、信号特性及び干渉特性のモデルを生成する工程とを含む。信号から干渉を除去するための、このモデルを用いた信号処理を可能にするために、送信器と受信器との間での信号の伝送が同期化される。この実施形態はパケットばら売り環境で用いられ得る。
【００３９】
本発明の更なる詳細及び長所は、以下の詳細説明及び添付の図面で示される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】集合情報ストリームの伝送に用いられる１組の撚り対線電話回線の模式図である。
【図２】既存の電話ループ設備を利用したＤＳＬシステムの模式図である。
【図３】リンク要求及び制約並びに回線ごとの回線及び信号特性情報を用いる通信システムの模式図である。
【図４】１つのバインダ内の送信回線の束を示す、ＤＳＬシステムの模式図である。
【図５】ＦＥＸＴクロストークが生じた遠近問題を示す模式図である。
【図６】幾つかの回線が、ＣＯとＯＮＵとの間の１本のファイバ又は他のリンクを共有する場合の、１つのバインダ内の送信回線の束を示す、ＤＳＬシステムの模式図である。
【図７】同時通信適応化構成で、複数のＤＳＬ回線の回線及び信号特性に関する情報が共有されて用いられる、本発明の一実施形態の模式図である。
【図８】ＤＳＬ回線間のクロストーク干渉を示す、干渉チャネルモデルを示す図である。
【図９】ＣＯ／ＯＮＵにおけるブロック送受信の同期化を示すタイミング図である。
【図１０】１６４０フィートの長さのループのＦＥＸＴ結合の測定値を示す図である。
【図１１】ＤＭＴシステムにおける１つのトーンに対応する、本発明の一実施形態のキャンセラーブロックを示す図である。
【図１２】全てのトーンのキャンセラーブロックを組み合わせた、上り用ベクトル化ＤＭＴ送信のためのシステムを示す図である。
【図１３】ＤＭＴシステムにおける単一のトーンに対応する、本発明のＭＩＭＯプレコーダを示す図である。
【図１４】全てのトーンに対する本発明のプレコーダを組み合わせ、且つ、ＤＭＴ送信器及び受信器を含む、下り送信のためのベクトル化ＤＭＴシステムを示す図である。
【図１５】２つの可能な順序付けのＱＲ分解を示す図である。
【図１６】ループ長の関数としての、本発明の一実施形態で使用可能なデータ速度の差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の詳細説明及び添付の図面によって本発明が容易に理解されよう。図面中、同一参照番号は同一構成要素を示す。
【００４２】
以下の本発明の詳細説明は、本発明の１つ以上の実施形態を参照したものであるが、これらの実施形態に限定されない。この詳細説明は、説明的であることのみが意図されたものである。本発明の範囲はこれらの限定された実施形態を超えるので、本明細書で図面に関して与えられる詳細説明は説明目的で与えられたものであることを、当業者は容易に認識するであろう。例えば、本発明は、ＤＳＬシステムに関する幾つかの事例で説明される。しかし、本発明は、本発明によって得られる性能向上の利益を享受する他のシステムでも使用可能である。従って、本発明はＤＳＬシステムのみに限定されるものではない。更に、本明細書に記載される本発明は、主に、クロストーク干渉の低減に関する。しかしここでも、本発明は、他の望ましくない信号干渉を低減又は解消するために、或いは、本発明が用いられるシステムの性能を別様で向上させるために用いられてもよい。
【００４３】
システムの性能は、ユーザに対するデータ速度を最大化して測定されてもよい。しかし、幾つかのシステムでは、運営者がユーザに様々なサービスを提供できることを望むことがある。例えば、運営者が、１つのバンドル（束）に対する全ての使用可能速度を知っている場合には、その運営者は、或るユーザに対して「割増料金」のサービスとして、又は（病院や救急治療提供者等の）特別な需要のために、より高速のデータ速度を提供できることもある。上記から分かるように、「最適」及び「最適化」等の用語は形容詞的に定義され得るものであり、本質的に、必ずしも最高速のデータ速度のことでなくてもよい。
【００４４】
「静的スペクトル管理」は、様々なデジタル通信システムに関する、固定された柔軟性のない制約、制限及び要求を用いる。一方、スペクトルが適応的に決定されるシステムを、本明細書では「動的スペクトル管理」と呼ぶ。必然的に、静的スペクトル管理は動的スペクトル管理の特別な事例であるので、静的スペクトル管理が動的スペクトル管理を凌ぐことは決してあり得ない。実際に、動的スペクトル管理によって実質的な改善を提供できる。本発明では、改善レベルはループ特性、クロストーク結合関数、データ速度及び提供される対称性によって様々であるが、顕著なものになり得ることが示される。相対的な改善レベルは、現在のＤＳＬの進歩で生じ得るように、ループ長が短くなり且つデータ速度が対称に近づくほど高まる。重要なのは、本発明による動的スペクトル管理が、同一バインダ内における高性能の非対称及び対称サービスのより高い調和を可能にすることである。
【００４５】
本発明は、一般的にデジタル通信システムに関して説明される。しかし、動的スペクトル管理の文脈には、ＤＳＬサービス用の回線のばら売り及びパケットのばら売りの具体例によって対応される、通信サービスのばら売りに関する２つの状況がある。「回線のばら売り」は、複数の異なるサービスプロバイダが、１つの電話ケーブル内の銅線の回線に電気的物理レイヤ信号を流す場合に生じるものであり、これは、回線の末端が電話局にある場合に現在実施されているものである。本発明の説明的な具体例（スペクトルのバランス調整）を以下に示す。これは、回線ばら売り環境で適用可能である。「パケットのばら売り」は、代わりに、サービスプロバイダが、１つの電話ケーブル上の全ての信号を管理する単一の一般通信事業者からのビットストリームをリースする場合に生じ、複数の異なるサービスプロバイダが、同じ電話ケーブルを利用することを意味する。これは、例えば、電話局をＯＮＵに接続するためにファイバを用い、そこから複数の異なるサービスプロバイダの対線が出る場合に生じ得る。本発明の説明的な例（ベクトル化送信）を以下で説明する。これはパケットばら売り環境で適用可能である。
【００４６】
概要
幾つかの実施形態では、本発明は、全ての対線の性能を向上させるために、隣接するシステム及び伝送環境に関する或るレベルの知見を用いる方法を用いる。簡単な例として、回線間のクロストーク結合が弱い場合には、送信上の様々な制約を、実質的な影響を生じずに緩和できる。更に、隣接する対線上のシステムが、相互に誘発されるクロストークを最小化して各自の性能目標を満たすように、各自の電力スペクトル密度を整形してもよい。
【００４７】
本発明は、更に、伝送環境全体（隣接する全ての撚り対線のセット）に関して取得された情報に基づいて物理レイヤの通信パラメータを決定及び制御する方法及び装置を含むように定義され、最適化基準は対応する全てのリンクに関係し得る。通信パラメータは、１つの対線上の送信が許可される時間も参照してもよく、これは時間分割多重アクセスに類似した仕組みを意味する。通信パラメータの適応化は、１回（例えばモデムの初期化中）、周期的又は連続的に行われてもよい。
【００４８】
同時適応化は、チャネル特性に関する情報並びにリンク要求及び制約に関する情報を用い、その結果、改善されたサービスが提供がされる。幾つかの実施形態では、全てのリンクに関する情報が収集されるが、同時適応化は、これらのリンクの単一のサブセットのみに適用される。本発明の別の実施形態では、全てのリンクに関する情報が収集されるが、同時適応化は、これらのリンクの複数のサブセットに個別に適用される。本発明の更に別の実施形態では、リンクの１つのサブセットのみに関する情報が収集され、同時適応化は、リンクの全て又は１つのサブセットに適用される。
【００４９】
図７には、本発明の一実施形態が示されている。従来のシステムと同様に、デジタル通信システム７００は、撚り対線の回線７１２によって接続されたモデム対７１０、７１１を用いる。モジュール７１４によって、システム内の全てのリンクに共通の要求及び制約（例えば、合計システム電力及び各回線に対する電力制約）を適用できる。ここでも、各回線７１２の回線及び信号特性を取得して、通信適応化モジュール７１５に供給できる。モジュール７１５の運営者は、単一のサービスプロバイダ、サービスプロバイダのグループ、又は独立企業体７１６であってもよく、システムデータを収集及び評価してユーザに指示を与えるか、或いは、幾つかのケースでは、所望の動作特性を達成するためにシステムパラメータを制御することもあろう。図７では、全ての回線（又は回線のサブセット）の回線及び信号特性を取得でき、それらを同時に調和させるか又は別様で考慮可能である。
【００５０】
本発明の幾つかの実施形態では、全てのリンクの回線特性に関する情報が共有される。本明細書に参照して援用する米国特許出願第０９／７８８，２６７号に、その一例が見出される。回線特性は、ループトポロジー、伝達関数及びクロストーク結合関数を含み得るが、これらに限定されない。例えば、クロストーク結合についての知見があると、隣接するリンク上における伝送に起因するリンクの劣化の量を正確に推測できるので、クロストーク結合についての知見は性能の向上を可能にし得る。従って、送信電力を増加させると、隣接するリンクを劣化させることなく、そのリンクの性能が向上され得る。
【００５１】
本発明の更に別の実施形態では、信号特性に関する情報も（又は代わりに）共有される。信号特性は、送信電力スペクトル密度、帯域幅の利用及び配分、変調のタイプ及びビット配分を含み得るが、これらに限定されない。これにより、隣接するリンク間の影響が最小になるような使用可能電力の周波数配分を含むもの等の、新たな種類の方法及び装置の適用が可能になり得る。
【００５２】
回線及び／又は信号特性に関する情報の共有に加え、送信ビットストリームについての知見を利用する同時信号処理方法を用いることができる。この調和レベルは「ベクトル化」送信の概念に直接関係し、クロストークが実質的に除去される。ここでも、所望の要求を達成するために全てのリンクの電力及び周波数リソースを最適に配分可能な、異なる種類の適応化法が可能になる。
【００５３】
ここで、本発明の２つの具体的な実施例を示す。第１のものは、ＶＤＳＬシステムに適用された一例として示される、適応的マルチユーザ電力制御方法を用いるものである。このようなシステムは、複数の異なるサービスプロバイダが、１つのバインダ内の複数の異なる回線へのアクセスを有し得ると共に／又は、そのバインダ内の複数の回線上で、互いに悪影響を及ぼす可能性がある複数の異なるサービスが提供されるような、回線ばら売り環境で有用である。
【００５４】
適応的電力制御方法
デジタル加入者回線（ＤＳＬ）環境はマルチユーザシステムと見なすことができる。本発明の一実施形態は、相互干渉の存在下で複数のＤＳＬモデムに対する最大到達可能データ速度を識別するために、電力配分を最適化するよう意図される。以下の議論ではＶＤＳＬを一例として用いて、進歩した電力配分法を有するマルチユーザシステム設計が、マルチユーザの態様を考慮しないシングルユーザ設計と比べて、実質的に性能が向上したシステムを提供できることを示す。この進歩した電力配分法は、集中式又は分散式で実施可能である。集中式の手法は、チャネル及びクロストーク結合関数についての知見を取得して、各ユーザに対する所望の信号特性及びパラメータを決定し、最終的に各ユーザにこれらの伝送特性及びパラメータの使用を指示する、企業体が存在することを前提とする。
【００５５】
別の実施形態では、クロストーク結合関数についての知見は必要ない。このような実施形態では、各ユーザのモデムは、各ユーザが、他のユーザに対して引き起こすクロストークを最小化しつつ各自の所望の性能レベルを得る目的で、各自の信号特性を個々に調整するフェーズに入る。この実施形態でも集中式の企業体は存在してもよいが、その役割は、各ユーザの目標性能レベルを設定することに制限される。
【００５６】
以下の議論では、マルチユーザ検出は行われず、ネットワーク内の各ユーザに対する進歩した電力配分のみに焦点が当てられた伝送技術を評価する。図８には干渉チャネルのモデル８００が示されている。ネットワーク８００内には、Ｎ個の送信器８１０−１〜８１０−Ｎと、Ｎ個の受信器８２０−１〜８２０−Ｎとがある。ユーザｉからユーザｊまでのチャネルはＩＳＩチャネルとしてモデル化されており、このチャネルの周波数領域における伝達関数はＨij（ｆ）として示され、ここで、０≦ｆ≦Ｆs、Ｆs＝１／２Ｔsであり、Ｔsはサンプリング速度である。各受信器は、干渉ノイズに加えて背景ノイズも参照し、その電力スペクトル密度はσi（ｆ）として示される。各送信器の電力配分はＰi（ｆ）として示され、これは次式の電力制約を満たさなければならない。
【数１】
0005735582.tif 000002
【００５７】
全ての干渉をノイズとして扱った場合の各ユーザに対する達成可能データ速度は、次式で表される。
【数２】
0005735582.tif 000003
【００５８】
式中、ΓはＳＮＲギャップを示し、これは誤差の確率、変調方法及び適用される符号化に依存する。情報理論的能力に近い符号化及び変調方法では、Γ＝０ｄＢである。
【００５９】
このシステム設計の目的は、式（１）の電力制約を受ける速度の集合｛Ｒ1，…，ＲN｝を最大化することである。各送信器の任意の周波数帯域における電力を増加させると、そのデータ速度が増加することは、当業者には明らかである。しかし、このような増加は、他のユーザに対する干渉も増加させるので、他のユーザの送信に対して障害となる。従って、最適化又は他の進歩した設計は、全ユーザのデータ速度間のトレードオフを考慮しなければならない。
【００６０】
現実的なＤＳＬの展開には、全ユーザに対して複数のサービス速度がサポートされる必要があることが多く、各ユーザの要求サービスレベルは任意のものであり得る。従って、１つの性能指数だけでシステム性能を表すのは適切でない場合が多い。また、上述したように、システム内の複数のユーザに対する全ての達成可能データ速度の組み合わせを知ることが望まれる場合がある。例えば、目的が合計速度を最大化することであれば、どのユーザに対しても最小データ速度は保証されない。
【００６１】
ユーザ間及びユーザが使用可能な達成可能データ速度間のトレードオフを完全に特徴付けする簡便な方法は、次式で定義される速度領域の概念を用いたものである。
【数３】
0005735582.tif 000004
【００６２】
速度領域は、全ユーザ間の全ての可能なデータ速度の組み合わせを特徴付ける。理論的には、速度領域は、全ての可能な電力配分を網羅的に検索することによって、又は、データ速度の重み付き合計を含む一続きの最適化を行うことによって求められるが、これらの手法の計算上の複雑さは、一般的に実行不可能なほど高い。これは、速度公式が電力配分の非凸関数であるからである。従って、通常の数値アルゴリズムでは、局所的な最大値を求めることのみが可能であって、大局的な最大値は求められない。本発明は、競合的最適性という異なる概念を定めることにより、これらの問題を回避する。本発明の実施形態の方法では、上記に定義した速度領域内の全ての点は得られないが、それでも現在のＤＳＬシステムよりは遙かに良好な性能を示す。
【００６３】
本発明は、大局的最大値を求める代わりに、競合的最適性を用いる。これは、局所的最適解を与えるという長所を有し、全てのユーザがこの局所的最適解に向かって動く動機を有する。これらの競合的最適点の特徴付けは容易であり、これらは、従来の方法と比べて多くの長所を提供する電力制御方法に導く。第１に、各ＶＤＳＬ送信器に対して、その干渉発散レベルのみに基づきＰＳＤレベルを設定する従来の方法とは異なり、本発明の新たな電力配分方法は、各ユーザのデータ速度の最大化と各ユーザが発する干渉の最小化との間でバランスをとる。特に、チャネルの周波数選択性が明示的に扱われる。第２に、全てのループの伝達関数及び交差結合（cross-coupling）を（集中式制御を行う企業体を用いる実施形態では直接的に、分散式方法を用いる実施形態では暗黙的に）考慮することにより、本発明の方法は、複数のループに、電力及び周波数の有効利用のために互いに交渉する機会を与える。第３に、干渉を制御する目的で設けられた通常のＰＳＤ制約は、もはや必要ではない。合計電力制約のみが適用される。第４に、実際のサービス要求に関わりなく各ループに対するデータ速度を固定する従来の方法とは異なり、新たな方法は、複数の異なるループにおける複数のサービス要求を自然にサポートする。第５に、ここに提案される方法は、基準ノイズ又は基準長を任意に決定することを含まない。最後に、システム内での最大データ速度並びにサービス及び／又は速度の選択性の両方に関して、遙かに良好な性能を達成できる。
【００６４】
競合的最適性
干渉チャネルの伝統的な情報理論的観点は、複数の異なる送信器がそれぞれ独立したデータストリームを送信しながら、それらの個々の符号化戦略において、受信機で干渉のキャンセルが生じ得るように協力的になることを可能にする。そのような協力を前提にできない場合には、干渉チャネルを、非協力的なゲームとして、より良好にモデル化できる。この観点では、各ユーザが、その性能を最大化するという目的のみをもって、他の全ユーザを無視して、データ速度のために競合する。この筋書きは、同一バインダ内の複数の異なるループが複数の異なるサービスプロバイダに属し得る現在のばら売り環境では特に現実的であり、実際に、ローカルアクセス市場ではサービスプロバイダが競合している。ここで、各モデムの電力割当量は固定されているので、各ユーザは、他の全ての干渉をノイズと見なして、各自の電力配分を各自のデータ速度を最大化するように調整すべきである。
【００６５】
このような電力調整が、全てのユーザに対して同時に連続的に行われると、最終的には均衡状態に到達する。均衡状態では、各ユーザが各自の局所的最大値に達しており、誰もその電力配分から離れる動機を持たないので、このような均衡状態は望ましいシステム動作点になる。ゲーム理論の観点から、この均衡点をナッシュ均衡と呼ぶ。
【００６６】
ナッシュ均衡は、各プレーヤーの戦略が他の各プレーヤーの戦略に対する最適応答である戦略プロファイルとして定義される。以下の議論では、ガウス型干渉チャネルのゲームにおけるナッシュ均衡の特徴付けを行い、現実的なチャネルにおけるその存在及び一意性を判断する。
【００６７】
２ユーザ干渉チャネルは、次の簡略化モデルを与える。
【数４】
0005735582.tif 000005
【００６８】
式中、チャネル伝達関数は１に正規化される。干渉伝達関数の二乗の大きさＡ1及びＡ2は、それぞれα1（ｆ）及びα2（ｆ）として示される。Ｎ1（ｆ）及びＮ2（ｆ）がノイズ電力スペクトル密度を示すものとする。２人の送信者は、ゲーム中の２人のプレーヤーであると考える。ゲームの構造（即ち、干渉結合関数及びノイズ電力）は、両プレーヤーの共通の知識であるものとする。各プレーヤーの戦略は、各自の送信電力スペクトルＰ1（ｆ）及びＰ2（ｆ）であり、それぞれが、ここでは決定論的な又は純粋な戦略のみを考慮した次の電力制約を受ける。
【数５】
0005735582.tif 000006
【００６９】
各ユーザのペイオフは各自のデータ速度である。干渉の強さに関わりなく干渉減算は行われないという簡略化条件の下では、データ速度は次式で表される。
【数６】
0005735582.tif 000007
【００７０】
上記の式を式（２）と比較すると、次式を認識できる。
【数７】
0005735582.tif 000008
【００７１】
従って、この簡略化モデルは一般性を失わない。
【００７２】
ここで論じるデータ速度のゲームは、合計がゼロとなるゲーム（ゼロサムゲーム）ではない。即ち、一方のプレーヤーの損失は他方のプレーヤーの利得と等しくない。ナッシュ均衡では、各ユーザの戦略が他のプレーヤーの戦略に対する最適応答であり、他のプレーヤーの所与の電力レベルに対する各ユーザの最適な電力配分は、ノイズ及び干渉の組み合わせに対する電力のウォーターフィリング（water-filling）であるので、全ユーザに対するウォーターフィリングが同時に達成されれば、ナッシュ均衡に到達する。
【００７３】
干渉チャネルにおける同時ウォーターフィリング点の完全な特徴付けを行うのは困難であり得るが、ユーザが２人のケースでは、ナッシュ均衡の存在及び一意性のための幾つかの十分条件がある。全てのα1（ｆ）α2（ｆ）＜１、∀ｆであるとき、ガウス干渉のゲームには、少なくとも１つの純粋戦略ナッシュ均衡が存在する。更に、
【数８】
0005735582.tif 000009
【００７４】
であり、且つ、
λ0＜１、又は                        （１６）
λ1＋λ2＜１／２、又は              （１７）
λ1＋λ3＜１／２                    （１８）
である場合には、ナッシュ均衡は一意であり且つ安定している。
【００７５】
反復ウォーターフィリング処理の収束は、ナッシュ均衡が一意であることを示す。これは、開始点が任意であるからであり、一意でない場合には別のナッシュ均衡になり得る。しかし、各ナッシュ均衡は各自の固定点を有するので、これは生じ得ない。また、反復手順が収束するとナッシュ均衡は安定する。
【００７６】
更に、ナッシュ均衡の存在及び一意性の条件が満たされると、各ステップで、各モデムが全ての干渉をノイズと見なして各自の電力スペクトル密度を更新する、反復ウォーターフィリングアルゴリズムが収束し、任意の開始点から一意のナッシュ均衡に収束する。
【００７７】
適応的電力制御
ＤＳＬチャネル及びＤＳＬクロストーク結合の周波数選択性により、ＤＳＬ環境の電力制御アルゴリズムは、複数の異なるユーザ間での電力配分を必要とするだけでなく、周波数領域での電力配分も必要とする。この要求により、多くの追加の変数が持ち込まれ、ＤＳＬの進歩した電力制御の設計が困難になる。しかし、競合的最適電力配分に集中し、合計電力の制約下ではナッシュ均衡の存在及び一意性の条件が満たされるものとすることにより、全ての競合的電力配分を合計電力のみで十分に表すことができる。従って、電力制御は、周波数選択性に関係なく合計電力のみに基づくことが可能である。これにより、処理が非常に簡単になる。一般的に、競合的最適解は大局的には最適でなくても、既存の電力バックオフアルゴリズムと比べれば、顕著な改善を実現できる。
【００７８】
ゴールは、各ユーザに対して、或る目標速度を達成することである。適応的処理は、２つのステージで実行される。内側ステージは、入力として、各ユーザに対する所与の電力制約を用い、出力として、競合的最適電力配分及びデータ速度を導出する。これは、反復ウォーターフィリング手順によって達成される。各ユーザに対する合計電力制約は固定されており、第１のユーザは、他のユーザのクロストークをノイズと見なして、自分の電力配分を自分のチャネルのウォーターフィリングスペクトルとして更新する。次に、ウォーターフィリングが第２のユーザ、第３のユーザ等に対して続けて適用され、各ユーザの電力配分が収束するまで、再び第１のユーザ、第２のユーザ等に対して適用される。全ユーザが順当に「対応」されるのであれば、別の（又はランダムな）順序付けをしてもよい。
【００７９】
外側ステージは、各ユーザに対する最適な合計電力制約を求める。外側の手順は、内側の反復ウォーターフィリングの結果に基づいて、各ユーザの電力制約を調整する。ユーザのデータ速度がそのユーザの目標速度よりも低い場合には、そのユーザの電力制約が既にモデムの電力限界でなければ増加され、モデムの電力限界である場合にはそのままになる。ユーザのデータ速度がそのユーザの目標速度よりも所定量だけ高い場合には、そのユーザの電力は減少される。データ速度が目標速度よりも僅かに高いだけである（所定量より低い）場合には、そのユーザの電力は変更されない。目標値の集合が達成されると、外側の手順は収束する。
【００８０】
上述した方法は、外部の代理業者又は企業体によって各ユーザの目標データ速度が「課される」という事実は別にして、各ユーザが独立して振る舞う分散式バージョンに適用される。中央の企業体が内側及び外側の反復ステップを実行して電力配分を決定し、ユーザにその採択を指示するという集中式バージョンを導き出すことは容易である。集中式バージョンは、その企業体が、一部又は全ての回線及び／又は信号特性についての知見を取得していることを意味する。
【００８１】
Ｋ人のユーザがいるシステムでは、Ｐをモデムの電力限界とし、Ｔiをユーザｉの目標速度とすると、好ましい処理は次のように要約できる。
0005735582.tif 000010
【００８２】
この処理は、δ＝３ｄＢ及び目標速度の１０％に等しいεのパラメータを用いると良好に機能する。外側の反復は、目標速度の集合が達成可能である場合にのみ収束する。残念ながら、どの目標速度の集合が達成可能であるかを先験的に知ることはできない。しかし、全てのチャネル及び干渉伝達関数についての完全な知見を有する中央の代理業者は、全ての可能な合計電力制約に対して実行することにより、１つのＤＳＬの束内にどの目標速度の集合を展開できるかを決定できる。実際には、電力配分問題は２つの部分に分けられる。中央の代理業者は、束内の各ループに対する目標速度及び電力制約を決定してもよい。その場合には、集中制御の必要無しに、ループ自体がそれぞれ、所望の速度に到達するために反復ウォーターフィリング手順を実行できる。中央の制御によって各ループに渡される必要がある情報の量は少ない。
【００８３】
本発明を従来の電力制御方法と比較すると、この新たな方法は２つの主要な長所を提供する。第１に、干渉が系統的に制御されるので、電力スペクトル密度の制約は必要なく、従って、全てのユーザが合計電力をより効率的に使用できるようになる。第２に、各ステージで単一のユーザのウォーターフィリングが実行され、他の全てのユーザをノイズとみなして各ユーザのデータ速度が最適化されるので、この反復ウォーターフィリングアルゴリズムは、１つのバインダ内の複数の異なるループが、周波数の使用について交渉する機会を提供する。従って、各ループが干渉が強い周波数帯域から離れ、最も効率的に利用可能な周波数帯域に集中する動機を有する。
【００８４】
シミュレーションでは、本発明の競合的最適電力配分法が、劇的な性能改善を提供することが示される。新たな電力制御法は、バインダ内の全てのループを一つの全体として見なし、全ての相互作用を考慮して、各ユーザに対する大局的な電力配分を行うので、このような改善が可能なのである。競合的に最適な動作点は、大局的には必ずしも最適でないが、本発明は、各ループが各ループのみを考慮する現在の電力バックオフ法を超える、実質的な改善を提供する。反復ウォーターフィリングは非常に迅速に収束するので、これらの競合的最適点は容易に求められる。
【００８５】
なお、ここに開示したウォーターフィリング法の代わりに、他の「送信最適化」技術及び方法（例えば、ディスクリート・ローディング法（discrete loading methods））を用いることも可能である。また、速度最大化基準を、各ユーザの目標データ速度が固定された、マージン最大化基準と置き換えることも可能である。
【００８６】
ベクトル化送信
以下の例では、ＤＳＬシステムのベクトル化送信を説明する。本発明のこの実施は、単一の回線が複数のユーザによって用いられる（例えば、単一の運営者によってリースされる場合、又は、ＯＮＵで１本のファイバ接続が終端し、複数の当事者に複数のサービスプロバイダからのサービスを提供する場合）パケットばら売り環境で有用である。
【００８７】
チャネルモデル及びＤＭＴ伝送
次に、図４のアーキテクチャのＤＳＬチャネルモデルを示す。４２０−１〜４２０−ＬのＬ人のユーザは、バインダ４１０内のグループの撚り対線のサブセットに対応するものとする。特定のユーザの上り又は下り送信についてサンプリングされた出力は、意図されたユーザ及び他のクロストークを生じているユーザの現在及び過去の入力シンボルに依存する。ユーザｉに対するＮ個の出力サンプルのブロックは、次式を満たす。
【数９】
0005735582.tif 000011
【００８８】
式中、Ｈi,lc，…，Ｈi,Lcはチャネルのインパルス応答行列から導出された畳み込み行列であり、ｙiは受信器ｉのＮ個の出力サンプルのベクトルであり、ｘkpはユーザｋのＮ＋ｖ個の入力シンボルのベクトルであり、ｎiは受信器ｉのＮ個のノイズサンプルのベクトルである。ｖは、多くのサンプルで表された伝達関数及びクロストーク結合関数の最大メモリを表す。ノイズサンプルは、隣接するＤＳＬシステムからのクロストーク、ラジオ周波数の進入及びインパルスノイズ等の幾つかのノイズ源の重ね合わせを表す。以下では、ｎiは白色ガウスノイズと見なされ、一般性を失うことなく、単位分散を有する。
【００８９】
この好ましい一実施形態の議論とからめて、２つの基礎となる前提を用いる。第１に、全てのユーザが、少なくとも長さｖのサイクリックプレフィックス（ＣＰ）を有するブロック送信を用いる。また、ＣＯ／ＯＮＵにおけるブロック送受信は、図９のタイミング図に示されるように同期化される。
【００９０】
ＣＯ／ＯＮＵのコロケーションを前提とすると、同期ブロック送信は実施が比較的容易である。しかし、当業者には様々な方法及び構成が明らかであるが、同期ブロック受信には更なる考慮が必要である。上り送信のブロック境界は、全てのユーザのブロックが同時にＣＯ／ＯＮＵに到達するように揃えられている。このブロックレベルの同期化は初期化中に実行可能であり、無線環境の同期アップリンク送信の問題と類似のものである。
【００９１】
ＣＯ／ＯＮＵにおける同期化は、「ジッパー（zipper）」ＦＤＤを用いると自動的に達成される。この技術によれば、ＣＰに加えて、チャネル伝搬遅延よりも大きいサイクリックサフィックス（ＣＳ）が含まれる。この「ジッパー処理（zippering）」は、残存ＮＥＸＴ及び上り／下り帯域エッジに近い周波数における「スペクトル漏れ」から生じるニア・エコー（near-echo）を解消するという長所を提供する。それにも関わらず、本開示では、当該技術分野で公知の送信器のパルス整形及び受信器の窓掛け処理によって残存ＮＥＸＴ及びニア・エコーが軽減されると理解して、上述の比較的厳しくない前提を用いる。
【００９２】
上記を考慮すると、式（１９）は次式のようになる。
ｙi＝Ｈi,lｘl＋…＋Ｈi,iｘi＋Ｈi,LｘL＋ｎi          （２０）
式中、ｘkはユーザｋのＮ個の入力シンボルのベクトルであり、Ｈi,j，ｉ，ｊ＝１，…，Ｌはサーキュラント（circulant）行列である。Ｌ人のユーザを組み合わせると、式（２０）は次式のようになる。
【数１０】
0005735582.tif 000012
【００９３】
式中、ｙ＝［ｙ1Tｙ2T…ｙLT］T、ｘ＝［ｘ1Tｘ2T…ｘLT］T、ｎ＝［ｎ1Tｎ2T…ｎLT］Tであり、Ｈは（ｉ，ｊ）ブロックがＨi,jである行列である。ノイズ共分散行列は、Ｒnn＝Ｉであるものとする。
【００９４】
当該技術分野で公知の離散フーリエ変換（ＤＦＴ）変調を適用すると、各送信データブロック（ＣＰを付加する前）に対して逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）操作が行われ、各受信データブロック（ＣＰを捨てた後）に対してＤＦＴ操作が行われる。このようにして、複数のサンプルがそれぞれのユーザに対応するグループごとにスタックされ、各グループが複数のトーンに対応する複数のサンプルを含む、チャネル記述が得られる。更なる処理のために、これらのサンプルを、それぞれのトーンに対するグループごとにスタックして、各グループが複数の異なるユーザに対応する複数のサンプルを含むように再編成するのが望ましい。この目的で、Ｎ×Ｎ個のブロックＰi,j（ｉ，ｊ＝１，…，Ｌ）で構成された、ＮＬ個の行及びＮＬ個の列を有する順列行列Ｐが定められる。ブロックＰi,jは、位置（ｊ，ｉ）の１を除き、全て０を含む。行列ＰをサイズＮＬのベクトルで右から乗算すると、Ｐの要素は、Ｎ個の要素のＬ個のグループからＬ個の要素のＮ個のグループへと再順序付けされる。なお、Ｐ-1＝Ｐ*＝Ｐである。この再順序付け操作を送信器サンプル及び受信器サンプルに適用すると、次式のようになる。
Ｚi＝ＴiＵi＋Ｎi，ｉ＝１，…，Ｎ            （２２）
【００９５】
従って、Ｚi、Ｕi及びＮiは、トーンｉに対応する全ユーザの受信サンプル、送信シンボル及びノイズサンプルを含み、Ｔiはトーンｉ内のＭＩＭＯ伝送を完全に特徴付ける。以下では、Ｔi,up及びＴi,downという記号を用いて上りと下りとを区別する。
【００９６】
式（２２）は、各トーン内で独立してクロストークのキャンセルを実行できることを示している。従って、詳細は後述するが、ＣＯ／ＯＮＵでキャンセラー・ブロックのアレイを用いて、各トーン内の上り通信のクロストークを除去することができる。同様に、ＣＯ／ＯＮＵでプリコーダ・ブロックを用いて、ＣＰＥで受信される信号にクロストークが生じないように各トーン内の送信信号を予め歪めることができる。キャンセラー／プリコーダブロックのパラメータの決定は、ＣＯ／ＯＮＵにおけるチャネル行列及びノイズ共分散行列の完全な知見に依存する。撚り対線のチャネルは静止していると共に、システムは初期化中にトレーニングベースのチャネルＩＤを得られるので、この前提はＤＳＬでは妥当である。
【００９７】
伝達関数及びクロストーク結合関数のメモリよりも長いＣＰを有するという更なる要求を、過剰な損失を蒙ることなく満たすことができる。図１０は、１６４０フィートの長さを有するループのＦＥＸＴ結合測定値を示している。大きさのデータのみが与えられているので、インパルス応答を導出するために線形位相であるものとした。信号エネルギーの９９．９％が９μ秒以内に含まれることがわかった。４０９６個のサンプルのＤＭＴブロックサイズ及び１７．６６４ＭＨｚのサンプリング速度では、これは１５９個のサンプルに相当する。従って、３２０個のサンプルのＣＰ長（７．８％の損失に相当）は、かなり満足なものである。
【００９８】
一般的な撚り対線の平均遅延は約１．５μ秒／キロフィートである。上記のＤＭＴの前提と共に、ＶＤＳＬループが通常は６０００フィートより短い長さを有するものとすると、伝搬遅延は１６０個未満のサンプルに相当する。従って、たとえ「ジッパー処理」を用いたとしても、ＣＰ＋ＣＳの長さは上記の３２０個のサンプルを超えない。当業者には知られているように、チャネルが非常に長いメモリを有する場合には、メモリを「短縮する」ために様々な技術を使用できる。例えば、ＣＯ／ＯＮＵでＭＩＭＯ時間領域等化器を用いてもよく、下り通信のために適切なプリコーダのＭＩＭＯ拡張を用いてもよい。
【００９９】
ＱＲ分解を用いたクロストークキャンセル
式（２２）で開始する、各トーン内のクロストークを除去する方法を、まず上り通信について、その次に下り通信について説明する。以下では、行列Ｔi,up及びＴi,downは正則行列であるものとする（この前提の正当化及び調整不良の結果については後述する）。
【０１００】
上り
上り送信では、ＣＯ／ＯＮＵのトランシーバ装置のコロケーションは、複数の受信サンプルの同時信号処理を実行する機会を与える。行列Ｔi,upのＱＲ分解の計算により、次式が与えられる。
Ｔi,up＝ＱiＲi                （２３）
式中、Ｑiはユニタリ行列であり、Ｒiは上三角行列である。受信サンプルがＱi*によって「回転／反転」される場合には、式（２２）は次式のようになる。
【数１１】
0005735582.tif 000013
【０１０１】
式中、AA＝Ｑi*Ｎiは恒等共役行列を有する。Ｒiは上三角行列であり、AAは無相関成分を有するので、入力Ｕiは、シンボル毎の検出と組み合わせた後方置換によって回復できる。従って、図１１に示されるように、Ｑi*を用いるフィードフォワード行列モジュール１１１０と、Ｉ−Ｒiを用いるフィードバック行列モジュール１１２０とを有する決定フィードバック構成１１００が生成される。Ｕiのｋ番目の要素の検出は次式で表される。
【数１２】
0005735582.tif 000014
【０１０２】
式中、ｒk,jiはＲiの（ｋ，ｊ）要素である。前の決定が正しいものとすると、クロストークは完全にキャンセルされ、各トーン内にＬ個の「並列」チャネルが生成される。上記の操作を用いて、図１１に示される、単一のトーンに対応する好ましいキャンセラーブロックを定めることができる。図１２には、全てのトーンのキャンセラーブロックを組み合わせ、ＤＭＴ伝送を考慮した、上り用ベクトル化ＤＭＴ送信のためのシステム１２００が示されている。送信器１２１０−１〜１２１０−Ｌは、チャネル１２２０を介して各自の信号を送る。受信器１２３０−１〜１２３０−Ｌは、チャネル１２２０からの信号を受け取り、好ましい実施形態では図１１のブロックと似ているキャンセラーブロック１２４０−１〜１２４０−Ｌを用いて、受信信号を処理する。
【０１０３】
下り
好ましい実施形態の下り送信では、送信シンボルの同時信号処理が用いられる。Ｔi,downをＱＲ分解すると、次式となる。
Ｔi,downT＝ＱiＲi              （２７）
ここでも、式中、Ｑiはユニタリ行列であり、Ｒiは上三角行列である。シンボルが送信される前にＱiT*によって「回転／反転」されるとすると、次式となる。
Ｕi＝ＱiT*Ｕ'i                  （２８）
従って、次式を選択すると、クロストークが生じていない受信が達成され、この場合、トーンｉ内の送信シンボルはBBの要素である。
【数１３】
0005735582.tif 000015
【０１０４】
受信機では以下の操作が行われる。
【数１４】
0005735582.tif 000016
【０１０５】
式中、ΓMi,kは次式で定義される。
【数１５】
0005735582.tif 000017
【０１０６】
Ｍi,kはトーンｉ上のユーザｋのコンステレーション（constellation）のサイズであり、ｄはコンステレーションの点の間隔である。（ｘが複素数である場合には、次式のようになる。）
【数１６】
0005735582.tif 000018
【０１０７】
これらの操作の結果、次式のようになる。
【数１７】
0005735582.tif 000019
【０１０８】
これはクロストークが生じていない受信を意味する。上述した好ましいＭＩＭＯプレコーダは単一のトーンに対応しており、図１３に示されている。図１４には、全てのトーンのプレコーダを組み合わせ、ＤＭＴ送信器及び受信器を含む、下り送信用のベクトル化ＤＭＴシステムが示されている。このシステムは図１２のシステムと似ているが、システムの送信器１４１０−１〜１４１０−Ｌによって信号が送信される前に、それぞれプレコーダ１４２０−１〜１４２０−Ｌで「前処理」される点が異なる。
【０１０９】
ＣＯ／ＯＮＵにおける送受信フィルタリングとＣＰＥにおける送受信フィルタリングが同一であり、１つのトーン内のノイズが全ユーザに対して同じ統計を有するものとすると、撚り対線の伝送の相互的な特性により、Ｔi,up＝Ｔi,downTである。この場合には、式
（２３）及び式（２７）は、同じ行列のＱＲ分解を与える。
【０１１０】
上りチャネルでは、ループのトポロジーに関わりなく、Ｔiの列の対角線の要素は、同じ列の対角線から外れた要素よりも大きい。上り送信では、特定の送信器から生じたクロストークが結合した信号は、同じ送信器から「直接」受信された信号を超えることは決してなく、一般的に、大きさの差は２０ｄＢを超えるので、こういうことが生じる。信号の挿入損失は、信号が隣接する対線へと伝搬する場合の結合損失よりも常に小さい。
【０１１１】
Ｔiの列をベクトル空間で視覚化すると、列が互いにほぼ直交することが分かり、これはQiが恒等行列に近いことを意味する。従って、Ｒiの対角線要素の大きさは、Ｔiの対角線要素の大きさとあまり異ならず、このことは、ＱＲキャンセルの性能が、完全なクロストーク除去とほぼ同程度に良好であることを示す。図１５には、このことが２人のユーザのケースについて示されている。図１５に示されるように、このことは、可能な検出順序付けの両方に対して当てはまる。
【０１１２】
特定の受信器におけるクロストーク信号の大きさが、「直接」受信される信号の大きさを決して超えることはないという観察から出発することにより、上り送信に関する先の議論を、下り送信に対して容易に拡張できる。或いは、上りチャネル行列と下りチャネル行列との間の転置関係を用いることにより、同じ結論に到達できる。
【０１１３】
ＱＲキャンセルによって生じる計算コストは、ＱＲ分解のコストと信号処理に関するコストとに分解される。ＤＳＬチャネルは静止しているので、ＱＲ分解を頻繁に計算する必要はない（初期化中が好ましい）。一般的に、１トーン当たりのフロップ数は、クロストーク環境特性を利用することにより（例えば、ハウスホルダー変換を用いて）大きく低減可能である。対線におけるクロストークノイズは、ほとんどが３つか４つ程度の隣接する対線に起因することが知られており、このことは、典型的なＴi行列が、対角線から外れた比較的大きな要素を１行当たり僅か３つか４つ有し、ほぼスパース行列であることを意味する。従って、Ｔiをスパース行列として近似すると、ギブンズ回転を用いて、フロップ数が減少したＴiを三角行列にすることができる。一方、キャンセラーブロック及びプレコーダブロックに起因するリアルタイム計算の負荷は低減できない。簡単な実施例では、合計コストを左右する操作は、式（２４）及び式（２８）の操作である。
【０１１４】
チャネル行列についての完全な知見という前提が所与の環境では妥当であっても、チャネル推定誤差の影響を簡単に考察することには価値がある。所与のトーンに対する上りチャネル行列は推定可能であるが、チャネル推定誤差を含む。この場合、相互性を前提としてＱＲ分解を行って、ＱＲ係数の推定値を得ることができる。式（２４）から続けて、上り通信に対する影響を計算できる。これを行うと、推定誤差は、検出に「バイアス」を持ち込むと共に幾分の残存クロストークを許容することによって、伝送に影響することが分かる。下り通信にも同様の解析を適用可能であるが、モジュロ演算によって式が複雑になる。モジュロの演算を無視すると、推定誤差の影響は、検出バイアスの項と残存クロストークの項とに分けられる。
【０１１５】
この解析結果により、CCの対角線要素のいずれかが小さい場合には、チャネル推定誤差の影響が悪化することが明らかになる。たとえ、ＤＳＬ環境ではチャネル行列の特異性はほとんど生じ得なくても、調整不良のチャネル（対角線要素が小さいことを意味する）を除外することはできないので、チャネル推定誤差の影響が大きくなり、幾つかの計算上の問題が課される。このようなケースは、高周波数で（例えば、極端なループ長の差を有するループトポロジーで）又はブリッジタップの存在下で生じる。それにも関わらず、以下で論じるエネルギー配分アルゴリズムは、Ｒiの対角線要素が小さい周波数での伝送を許
可しないことにより、このような現象の発生を防止する。
【０１１６】
上記からわかるように、システムの信号のクロストークを解消すると、システムの性能が実質的に改善される。クロストークの解消との関連において実施されるシステム内でのエネルギー配分を最適化することも、同様にシステム性能を改善する。また、上述したように、適切なエネルギー配分は、調整不良のチャネルの推定誤差の影響から生じる問題を回避する一助となる。
【０１１７】
伝送の最適化
以下の例で用いる「伝送の最適化」とは、重み付きデータ速度合計の最大化のことである。しかし、本発明の最も広い意味では、「最適化」という用語はそのように限定されない。最適化は、使用可能な最大速度を決定して、（様々なユーザに対するデータ速度を含む）使用可能なリソースを、デジタル通信システム内で配分又は提供することも意味する。
【０１１８】
以下の議論で開示される方法は、一般的には周波数におけるエネルギー配分に関し、誘発されるクロストークに対する制約及び、上り／下り周波数選択と結びついたエネルギー配分を監視しながらの、周波数におけるエネルギー配分に関する。
【０１１９】
一般的なエネルギー配分
最適化の目的は、全ユーザのデータ速度の重み付き合計を最大化することである。
【数１８】
0005735582.tif 000020
【０１２０】
式中、ａk≧０はｋ番目のユーザに割り当てられた重みであり、Ｒkはｋ番目のユーザの達成可能データ速度であり、これは上り又は下り方向のいずれかを指し得る。データ速度を計算するために、公知の適切なギャップの近似を用いる。ベクトル化は本質的にチャネルを「対角行列にする」という事実を考慮すると、（及び、上り方向には誤差が伝搬しないものとすると、）上り及び下りの達成可能速度は次式によって求められる。
【数１９】
0005735582.tif 000021
【０１２１】
式中、Γは伝送ギャップとして定義され、誤差確率への要求、符号化利得及び必要なマージンに依存する。また、Ｎup及びＮdownは、それぞれ上り及び下りトーンインデックスの集合であり、これはＦＤＤプランに依存する。ＤＳＬシステムは非常に小さい誤差確率で動作するので、誤差の伝搬の影響は一般的に制限される。
【０１２２】
最適化が行われるパラメータは、上り送信のεk,upi及び下り送信のεk,downiである。これらのパラメータは、送信エネルギーに対する制限によって制約される。上り送信では、合計送信エネルギーは次式によって制約される。
【数２０】
0005735582.tif 000022
【０１２３】
式中、εkiは式（２５）の（Ｕi）kのエネルギーであり、εk,upはユーザｋの最大許容上り送信エネルギーである。εk,upi＝εkiであるので、これは次式のように演繹される。
【数２１】
0005735582.tif 000023
【０１２４】
下り送信では、合計送信エネルギー制約は次式のように表される。
【数２２】
0005735582.tif 000024
【０１２５】
式中、εkiは式（２１）の（Ｕi）kのエネルギーであり、εk,downはユーザｋの最大許容下り送信エネルギーである。残念ながら、非線形のプリコーディングに起因して、この制約はDD＝εk,downiに対する制約には直接変換されない。
【０１２６】
しかし、複数の極端なループトポロジーに対するシミュレーションの結果、上述の好ましいプリコーダを用いると、複数の異なるユーザの送信信号間にさほどの相関が生じないことが示される。シミュレーションされたループはクロストーク結合に関する最悪の状況に対応するので、この結果が一般に当てはまるものとすることは妥当である。
【０１２７】
従って、εki≒DD＝εk,downiという近似が行われ、下りの式（３８）は次式のように
なる。
【数２３】
0005735582.tif 000025
【０１２８】
このことを念頭に置くと、式（３３）のエネルギー配分問題は各ユーザ毎に独立したものとなることがわかるので、この筋書きではａkという重みは無関係になる。各送信方向の最適化問題は、次式で表されるｋ個のウォーターフィリング問題に分解される。
【数２４】
0005735582.tif 000026
【０１２９】
これらの問題の解は、公知の技術を用いて導出できる。得られる送信スペクトルはベクトル化ＤＭＴに関して最適なものである。
【０１３０】
電力バックオフを伴うエネルギー配分
上述したように、好ましいベクトル化送信における全ユーザは、隣接する撚り対線のグループに対応する。これは、一方でベクトル化システムに対するクロストークを生じ且つ他方でベクトル化システムから生じるクロストークの影響を受ける隣接する撚り対線で、他の「異質な（alien）」ＤＳＬシステムが動作することを排除するものではない。この問題に対処する現在の手法は、システム性能がクロストークの影響を過剰に受けないように、送信電力スペクトル密度（ＰＳＤ）に制限を課すことである。
【０１３１】
更に、図５で示される状況のように、ＶＤＳＬシステムには、（無線通信における遠近の状況と同様に）短い回線上の上り信号が長い回線の上り性能に悪影響を及ぼすという事実がある。過度に制限的なユニバーサルＰＳＤマスクを課すことを回避するために、効果的にＰＳＤマスクを特定のユーザのループ長のみに依存させる、電力バックオフ法が提案されている。図１６には、隣接するＤＳＬシステムの下り通信がかなり影響を受ける同様の筋書きが示されている。ＣＯへの撚り対線接続が残っている状態で、幾つかの回線にＯＮＵが設置されると、ループ長に深刻な差が生じることが多くなる。
【０１３２】
完全なチャネル行列についての知見と組み合わせたベクトル化は、ユニバーサルＰＳＤマスクの導入や電力バックオフ法の使用（これは、行列チャネルの識別から生じるクロストーク結合に関する知見を必ずしも考慮しない）に訴えることなく、ベクトル化システムによって誘発されるクロストークを効果的に制限し得る。
【０１３３】
異質なシステムの受信サンプルを含むために、式（２２）を次式のように拡大できる。
【数２５】
0005735582.tif 000027
【０１３４】
式中、Ｚn、Ｕn及びＮnは、それぞれ、異質なシステムの受信サンプルのベクトル、送
信シンボルのベクトル及びノイズサンプルのベクトルである。ブロック行列Ｃ、Ｃn及び
Ｔnの定義は、異質なＤＳＬシステムのチャネル及び特性に依存する。Ｔはブロック対角
行列であるが、この特性は他の行列に対して一般的に当てはまることはない。
【０１３５】
Ｚ及びＺnが複数の異なるサービスプロバイダに属するシステムに対応する場合には、現在のばら売りの概念が、第１のプロバイダがＺ又はＺnへのアクセスを得ることを許可しないという事実に起因して、クロストーク結合行列Ｃ及びＣnの識別が困難になり得る。これは第２のプロバイダに対しても同様である。しかし、米国特許出願第０９／７８８，２６７号に開示されているタイプの「第三者」は、全ての送受信データを捕捉してクロストーク結合行列の推定を生成する中立の第三者サイト又は操作を導入することにより、この困難を克服している。
【０１３６】
ＦＥＸＴを平均平方において制限すると、次の条件を生じる。
【数２６】
0005735582.tif 000028
【０１３７】
式中、Ｍは隣接するシステムの数であり、ＮNは隣接する１つのシステム当たりの「次元」数（例えばトーン数）であり、εj,upc，εj,downcは隣接するシステムの上り及び下りのサンプルｊの最大許容可能クロストークエネルギーであり、ｃj,lはＭＮ×ＬＭ行列
Ｃの（ｊ，ｌ）要素である。なお、この手法は、ＦＥＸＴ及びＮＥＸＴの両方が制限されるように一般化可能である。
【０１３８】
式（４５）及び式（４６）の不等式のセットを、式（３７）及び式（３９）の不等式のセットと対応させて組み合わせると、線形不等式の制約集合が構成される。式（３３）の速度最大化の目的を含むと、次の最適化問題を生じる。
【数２７】
0005735582.tif 000029
【０１３９】
これらの目的関数は（対数関数の合計であるので）凹関数であり、これらの制約は（線形不等式であるので）凸集合を構成する。従って、公知の凸プログラミング技術を用いて効率的に解を生成できる。上記の最適化問題の要件は、問題の凸性を保存する線形不等式制約の導入のみなので、上記の最適化問題に他の制約（ＰＳＤマスクやビットキャップ（bit cap）等）を含むことも可能である。
【０１４０】
エネルギー配分及び上り／下り周波数選択
ＦＤＤを用いる既存のＤＳＬシステムは全て、固定された上り／下り周波数二重化（frequency duplexing）帯域プランを有するが、動的に構成された帯域プランは大きな長所を提供し得る。このようなプランは全ユーザに共通であるが、モデムの初期化中に、特定の送信環境及びユーザの要求に応じて決定される。
【０１４１】
固定帯域プランの短所の例はブリッジタップの存在下で生じるものであり、一方向への送信は不均衡に劣化して、逆方向への送信には障害がない場合があり得る。このような場合に動的帯域法を採用すると、影響をより公平に上り及び下りの活動に配分することができる。
【０１４２】
ここで、最適化の目的を次式で表すことができる。
【数２８】
0005735582.tif 000030
【０１４３】
式中、ａk,up，ａk,down≧０は、ｋ番目のユーザの上り送信及び下り送信に割り当てられた重みであり、Ｒk,up，Ｒk,downはｋ番目のユーザの達成可能な上りデータ速度及び下りデータ速度である。ここで、最適化パラメータは、割り当てエネルギーだけでなく、上り／下りトーンの選択も含む。しかし、式（３４）及び式（３５）を用いる場合には、トーンの集合をＮup及びＮdownに区分することは二項制約問題であり、この解は非常に複雑である。
【０１４４】
その代わりに、この二項であるという制約を緩和することが可能であり、これによって計算が非常に簡単になる。この考えは、シンボル間干渉の存在下でのガウス多重アクセスチャネルのＦＤＭＡの容量計算のために既に用いられている。詳細には、各トーンが上りと下りとの間で時間共有されることが初期前提となるので、以下の達成可能速度が得られる。
【数２９】
0005735582.tif 000031
【０１４５】
式中、ｔi,up，ｔi,downはそれぞれ上り送信及び下り送信に用いられるトーンｉの時間の割合を記述し、ｔi,up＋ｔi,down＝１、ｔi,up，ｔi,down≧０である。送信は僅かな時間で行われるので、対数式の内側の分母にｔi,up及びｔi,downが存在することは、割り当てエネルギーが「ブースト」されることを意味する。ユーザｋに対するエネルギー制約は次式の通りである。
【数３０】
0005735582.tif 000032
【０１４６】
従って、最適化問題は次式を有する。
【数３１】
0005735582.tif 000033
【０１４７】
この目的関数は、ｘ，ｙ≧０において凹であることが分かっているｘｌｏｇ（１＋ｙ／ｘ）の式の関数の合計であるので、凹関数である。これらの制約集合は、線形不等式によって定義されるので、明らかに凸集合である。従って、この問題は凸であり、様々な方法を用いて効率的に解を導くことができる。
【０１４８】
しかし、このような解は、実際にはＦＤＤと時間分割二重（ＴＤＤ）インプリメンテーションとの間のハイブリッドを生じる。ＦＤＤインプリメンテーションが必要なので、ｔi,up及びｔi,downを丸めることによって適切な解を得られる。当然ながらこれは最適には及ばないが、トーン数がかなり多い場合には、これは最適解に十分に近い。シミュレーション結果はこの主張を実証する。なお、先のサブセクションの電力バックオフ制約も、解の取得の困難性にさほど影響することなく、問題の式に含まれることが可能である。
【０１４９】
上記の議論では、目的は重み付きデータ速度合計の最大化であった。しかし、重みを調節することにより、ベクトル化送信が達成可能なデータ速度領域の複数の異なる表面点を決定できるので、多次元の面全体も決定可能なことは、当業者には明らかである。しかし、重み付き合計が３つ以上の項を含む場合には、内在するトレードオフの視覚化が困難になる。サービスプロバイダに対して実際に投げかけられ得る質問の１つは、所与のベクトル化システムが１組の速度要求をサポート可能か否か、及び、サポート可能な場合には、それらの要求を達成するためにどのようなエネルギー配分が必要か、というものである。この問題は、実際には、重み付きデータ速度合計の問題との二重性関係を有するので、重み付き合計問題が、この「実現可能性」問題を解くための代わりの方法を与える。
【０１５０】
ベクトル化は、電力バックオフや周波数プランニングを行わずに、幾つかの点で性能を大きく向上させることができる。ＶＤＭＴは、所与のループ長に対して、遙かに高いデータ速度の達成を可能にする。この速度の増加は、３５００〜４５００フィート以下の範囲の長さに対してはかなりのものである。短いループでは、利得は更に大きくなり得、伝送のＦＥＸＴは顕著に制限される。また、ベクトル化ＤＭＴは、所与のデータ速度要求に対する最大ループ長を延長できる。例えば、下り速度要求が５０Ｍｂｐｓである場合、一般的に、標準的なＤＭＴシステムのループ長は１１５０フィート未満に制限される。本発明を用いることにより、長さの範囲を約２６５０フィート及び恐らくはそれ以上に延長可能である。
【０１５１】
エネルギー配分が、「異質な」ＤＳＬシステムもベクトル化システムから生じるクロストークから保護されなければならないという要求によって、更に制約される場合には、サービスプロバイダは、サービスの優先順位に従って性能への影響が配分されるように、「選択的な」方法で電力バックオフを行うことができる。ループ特性及びサービス要求に応じて、ベクトル化された各束の上り／下り二重周波数プランを変更可能な場合には、更なる改善が見られる。
【０１５２】
一般的に、本発明の実施形態は、１つ以上のコンピュータシステム及び／又はモデムを介して伝達されたデータに関与する様々な処理を用いる。本発明の実施形態は、これらの処理を実行するためのハードウェア装置又は他の装置にも関する。この装置は、要求される目的のために専用に構築されてもよく、又は、コンピュータ内に格納されたコンピュータプログラム及び／又はデータ構造によって選択的に作動又は再構成される汎用コンピュータであってもよい。本明細書で示した処理は、任意の特定のコンピュータ又は他の装置に固有の関係を有するものではない。詳細には、本明細書の教示に従って書かれたプログラムと共に様々な汎用の装置を用いてよく、又は、必要な方法のステップを実行するために、より特殊化された装置を構築する方が都合が良い場合もあり得る。これらの様々な装置の具体的な構造は、本記載に基づいて当業者には明らかであろう。
【０１５３】
更に、本発明の実施形態は、コンピュータで実施される様々な操作を実行するためのプログラム命令及び／又はデータ（データ構造を含む）を含むコンピュータ読み取り可能媒体又はコンピュータプログラム製品に関する。コンピュータ読み取り可能媒体の例としては、ハードディスク、フレキシブルディスク及び磁気テープ等の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭディスク等の光媒体、磁気光媒体、半導体記憶装置、並びに、プログラム命令を格納及び実行するために専用に構成された読み取り専用記憶装置（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のハードウェア装置が挙げられるが、これらに限定されない。本発明のデータ及びプログラム命令は、搬送波又は他の搬送媒体上で実施されてもよい。プログラム命令の例としては、コンパイラで生成されるようなマシンコードと、コンピュータによってインタープリターを用いて実行され得る、より高レベルのコードを含むファイルとが挙げられる。
【０１５４】
本明細書の記載から、本発明の多くの特徴及び長所が明らかであるので、添付の特許請求の範囲は、本発明のこのような特徴及び長所の全てをカバーすることが意図される。更に、当業者は多くの変形及び変更に容易に想到するであろうから、本発明は、本明細書に示され且つ記載された通りの構成及び動作に限定されない。よって、全ての適切な変形物及び等価物は、本発明の範囲に含まれるものと見なされる。
【０１５５】
なお、本明細書で用いたAA、BB、CC、DDの記号は、原文における記号と以下のように対応している。
0005735582.tif 000034
【図１】
0005735582.tif 000035
【図２】
0005735582.tif 000036
【図３】
0005735582.tif 000037
【図４】
0005735582.tif 000038
【図５】
0005735582.tif 000039
【図６】
0005735582.tif 000040
【図７】
0005735582.tif 000041
【図８】
0005735582.tif 000042
【図９】
0005735582.tif 000043
【図１０】
0005735582.tif 000044
【図１１】
0005735582.tif 000045
【図１２】
0005735582.tif 000046
【図１３】
0005735582.tif 000047
【図１４】
0005735582.tif 000048
【図１５】
0005735582.tif 000049
【図１６】
0005735582.tif 000050