Interference cancellation in DSL systems [Elektronische Ressource] = Interferenzunterdrückung in DSL-Systemen / vorgelegt von Roberto Bianchi

Interference Cancellation in DSL SystemsInterferenzunterdru¨ckung in DSL-SystemenDer Technischen Fakultat der¨Universita¨t Erlangen-Nu¨rnbergzur Erlangung des GradesDOKTOR - INGENIEURvorgelegt vonRoberto BianchiErlangen - 2011Als Dissertation genehmigt von derTechnischen Fakult¨at derUniversitat Erlangen-Nurnberg¨ ¨Tag der Einreichung: 22.12.2010Tag der Promotion: 10.03.2011Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhard GermanBerichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Johannes B. HuberProf. Dott. Riccardo RaheliContentsAcknowledgements vZusammenfassung viiAbstract ixNotation and conventions xi1 Introduction 12 Basic concepts 52.1 Digital Subscriber Line (DSL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1 Basic Rate ISDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 HDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4 VDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.5 VDSL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.6 SHDSL and SHDSL.bis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Characteristics of the telephone infrastructure . . . . . . . . . 132.2.1 Logical organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.2 Telephone infrastructure and DSL . . . . . . . . . . . . 152.2.3 Modeling the electrical characteristics of twisted pairs . 182.2.4 Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3 Fundamentals of tensor analysis . . .
Publié le : samedi 1 janvier 2011
Lecture(s) : 44
Source : D-NB.INFO/1013085922/34
Nombre de pages : 191
Voir plus Voir moins

Interference Cancellation in DSL Systems
Interferenzunterdru¨ckung in DSL-Systemen
Der Technischen Fakultat der¨
Universita¨t Erlangen-Nu¨rnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR - INGENIEUR
vorgelegt von
Roberto Bianchi
Erlangen - 2011Als Dissertation genehmigt von der
Technischen Fakult¨at der
Universitat Erlangen-Nurnberg¨ ¨
Tag der Einreichung: 22.12.2010
Tag der Promotion: 10.03.2011
Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhard German
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Johannes B. Huber
Prof. Dott. Riccardo RaheliContents
Acknowledgements v
Zusammenfassung vii
Abstract ix
Notation and conventions xi
1 Introduction 1
2 Basic concepts 5
2.1 Digital Subscriber Line (DSL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Basic Rate ISDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 HDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4 VDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.5 VDSL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.6 SHDSL and SHDSL.bis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Characteristics of the telephone infrastructure . . . . . . . . . 13
2.2.1 Logical organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Telephone infrastructure and DSL . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Modeling the electrical characteristics of twisted pairs . 18
2.2.4 Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Fundamentals of tensor analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Basic definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Tensors: possible definitions . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.3 Covariance and contravariance . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.4 Tensor multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.5 Metric Tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.6 Contraction and Frobenius Norm . . . . . . . . . . . . 40ii CONTENTS
3 Tensor representation of SISO signals 41
3.1 Basic considerations on SISO signals and systems . . . . . . . 42
3.1.1 Continuous-time signals and LTI systems . . . . . . . . 42
3.1.2 Continuous-time signals and LTI systems in frequency 43
3.1.3 Discrete-time signals and LTI systems . . . . . . . . . 45
3.1.4 Discrete-time signals and systems in frequency . . . . . 46
3.2 Representing signals and LTI systems using tensors . . . . . . 48
3.2.1 Representation of time-domain signals . . . . . . . . . 48
3.2.2 Representing frequency-domain signals with tensors . . 53
3.2.3 LTI systems in tensor representation . . . . . . . . . . 54
3.3 Digital transmission and OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 Channel diagonalization through OFDM/DMT . . . . 57
3.3.2 Single user OFDM in tensor notation . . . . . . . . . . 61
3.4 A DMT example: VDSL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Basic concept of the simulation . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.2 Structure of VDSL2 systems . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.3 Simulation parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.4 Bit-loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.5 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Multiple-Input Multiple-Output (OFDM) 71
4.1 Time domain model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 MIMO OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.1 OFDM on MIMO channels . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2 Per-tone representation and equalization . . . . . . . . 76
4.3 A MIMO DMT example: VDSL2 and DSM L3 . . . . . . . . . 80
4.4 MIMO OFDM in tensor notation . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.1 Representing space-time signals using tensors . . . . . 82
4.4.2 MIMO OFDM as a second-order tensor . . . . . . . . . 84
5 Second-order Decision Feedback Equalization 89
5.1 Calculating a fourth-order QR decomposition . . . . . . . . . 90
5.1.1 Householder reflectors on four dimensions . . . . . . . 90
5.1.2 Setting given elements of a second-order tensor to zero 92
5.1.3 Calculating a 4-dimensional QR decomposition . . . . 93
5.1.4 Contravariant and covariant QR decompositions . . . . 98
5.1.5 Extension to complex tensors . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2 DFE in two dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Equalizing MIMO VDSL 2 using HODFE . . . . . . . . . . . 106
5.3.1 HODFE for VDSL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3.2 Some considerations on the obtained results . . . . . . 109CONTENTS iii
5.3.3 Complexity reduction for the HOQR . . . . . . . . . . 117
5.3.4 DFE complexity reduction in MIMO-OFDM scenarios 119
5.4 Equalization for mixed VDSL2-SHDSL scenarios . . . . . . . . 120
5.4.1 Basic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4.2 Including pulse shaping and PSD shaping . . . . . . . 127
5.4.3 Complexity reduction of the equalization . . . . . . . . 129
5.4.4 Simulation results for FEXT cancellation . . . . . . . . 130
5.4.5 NEXT-FEXT Cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6 DFE in more than two dimensions 137
6.1 HOQR decomposition for tensors of arbitrary order . . . . . . 137
6.2 Multidimensional DFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.3 DFE of asynchronous MIMO-OFDM scenarios . . . . . . . . . 145
6.3.1 Modified version for causal scenarios . . . . . . . . . . 149
7 Conclusion 153
A Acronyms 157
B List of symbols 159
C Properties of G and T 167B B
D Tensor product is associative 169iv CONTENTSAcknowledgements
First of all, many thanks to my advisor Prof. Johannes Huber, for accepting
me in his team, for granting me the possibility to work in a exciting and
inspiring scientific environment, for his continuous support and supervision,
for the many ideas and explanation he gave me.
Many thanks go also to Prof. Riccardo Raheli, for investing a lot of his
precious time in discussing with me and in reading this work. Without him,
this thesis would be less then it now is.
A special thank to Susy Koschny, for her beautiful Figures, which enrich
thework. Agreatthankalsoforherpersonalsupport,whichhelpedmemany
times when things were getting hard. Christine Kirsch was also at my side
many times when problems appeared. For this I thank her from the bottom
of my heart. Many thanks also to all colleagues and friends at LIT and LNT
for the good time. In particular: Roman, Ulrich, Bernd, Thorsten, Clemens,
Christian, Azad, Stefan, Markus, Martin and Martin, Andreas. Thanks also
to everyone in the organisation of the Ferien Akademie. Working there was
always a pleasure.
A very special thank to my whole family, for being who they are. More-
over for saving me from a certain number of possible nervous breakdowns
that could have occurred during my Ph.D. In particular a big thank to my
mother, formaking me who I am, forsupporting me the last thirty two years
with unconditioned love and never ending patience. To my girlfriend Meike,
which kept her (and my) temper also in difficult and stressing times, and
granted me enough serenity, love and support to finish this work.
Finally a special thank to many friends both in Italy and Germany, for
making my life a better one: Andrea and Alice, Carlos and Marisol, Marco,
Dominika and Matthias, Patty and Luca, Pierre, Andrea, Laura, Cristiana
and many others.vi AcknowledgementsZusammenfassung
Das Dynamic Spectrum Management Level 3 ist eine verbreitete Technik,
um die Leistungsfahigkeit von DSL Systemen zu verbessern. Dies geschieht¨
mittelsUnterdru¨ckung dergegenseitigenInterferenz.Dadurch,dassdieInter-
ferenzunterdruckung den Storabstand vergroßert, ist eine Vergroßerung der¨ ¨ ¨ ¨
Datenrate, der Reichweite oder sogar beides moglich. Doch leider kann diese¨
¨TechniknuranSystemenangewendetwerden,diedengleichenUbertragungs-
standardbenutzen(z.B.VDSL2oderSHDSL)unddieaufdergleichenHard-
wareeinheit (DSLAM) angebracht sind. Diese Einschra¨nkungen haben den
Markterfolg von DSM L3 bis jetzt stark behindert.
DasHauptzieldervorliegendenArbeitistes,diesebeidenEinschrankungen¨
zu beheben. Der erste Schritt ist dabei die Einfu¨hrung einer neuen DSL-
Modellierungstechnik, die auf Tensorenrechnung basiert. Sie ermoglicht die¨
Zusammenfassung mehrerer verschiedener DSL-Szenarien in einem gemein-
samen Rahmen. Auf Basis dieser Modellierungstechnik ist eine neue Zerle-
gung fur Tensoren vierter Ordnung entwickelt worden, namens High-Order¨
QR (HOQR). Sie bildet die Basis fu¨r eine Verallgemeinerung von Decision
Feedback Equalization. Dieses neues Entzerrungskonzept soll als High-Order
DFE (HODFE) bezeichnet werden. Anschließend werden die neuen tenso-
renbasierten Modellierungs- und Entzerrungskonzepte auf einem klassischen
DSM L3-Szenario angewendet und die Ergebnisse mit denen der DSM L3-
Signalverarbeitung verglichen. Dies ist schließlich der Ausgangspunkt fur die¨
Untersuchung der Beziehung zwischen HODFE und DSM L3. Im Folgen-
den wird dann ein weiteres Anwendungsszenario betrachtet, in dem sowohl
VDSL2 Modems als auch SHDSL Modems gemeinsam betrieben werden.
Durch die Modellierung der DSL Systeme mittels der neu eingefu¨hrten Ten-
sorenreprasentation wird es moglich eine HODFE-basierte, gemeinsame Ent-¨ ¨
zerrung durchzufu¨hren. Daseinfu¨hrend erla¨uterteProblem kannsomitgelo¨st
werden. Das Szenario wird im Folgenden zusatzlich erweitert und ein neues¨
Verfahren vorgestellt, das die gleichzeitige Entzerrung von Nah- und Fern-
nebensprechen in SHDSL und VDSL2 gemischten Szenarien ermoglicht. Da-¨
durch wird die Leistungsf¨ahigkeit, sowohl der VDSL2 als auch der SHDSLviii Zusammenfassung
Modems, maximiert.
Im Weiteren wird sich mit dem eingangs beschriebenen Problem befasst,
dass DSM L3 nur angewendet werden kann, wenn sich die Systeme auf der
gleichen Hardwareeinheit befinden. Dafur werden die HOQR und HODFE¨
Verfahren verallgemeinert, um Tensoren beliebiger Ordnung verarbeiten zu
ko¨nnen. Diese verallgemeinerten Algorithmen sind nun der Schlu¨ssel zur Be-
hebung der genannten Einschrankung bzgl. DSM L3. Die Anwendung von¨
HODFE wird in einem asynchronen MIMO-OFDM Szenario untersucht, um
die Vorteile des dargestellten Verfahrens zu zeigen. Dieses Einsatzbeispiel
simuliert die Anwendung des HODFE Entzerrers auf Signalen, die von ver-
schiedenen Hardwareeinheiten empfangen wurden. Die vorliegende Arbeit
wird durch die Darstellung eines komplexita¨tsreduzierten HODFE Entzer-
rers fur asynchrone Kommunikationsszenarien beschlossen.¨
Die Themen, mit denen sich diese Dissertation bescha¨ftigt, werden je-
weils unter zwei verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet. Auf der einen
Seite werden die theoretischen Untersuchungen bezuglich der Darstellung¨
von OFDMund MIMO-OFDM Signalen, bezu¨glich der Tensorenzerlegungen
und bezuglich der entsprechenden Verallgemeinerung der decision feedback¨
equalizationEntzerrung dargestellt.AufderanderenSeitewirddieAufmerk-
samkeit aufdiepraktischen Aspekte derAnwendung dervorgeschlagenen Al-
gorithmen in DSL Bereich gerichtet. Dafu¨r werden einige implementations-
verbundeneAspekte,wieKomplexitatsreduktion,AnpassungderDatenraten¨
und Optimierung der Kommunikationsverzogerung, betrachtet.¨

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.