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Receiver-based Protection against Time-varying Noise in xDSL Systems

Sarhan, Wagih :
Receiver-based Protection against Time-varying Noise in xDSL Systems.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Receiver-based Protection against Time-varying Noise in xDSL Systems
Language: English
Abstract:

Digital Subscriber Lines (DSLs) have gained importance over the last years as services such as high-definition television (HDTV), three-dimensional television (3DTV), Voice over Internet Protocol (VoIP), video streaming and interactive video applications, which pose high requirements on data rates, latency and line stability, have become part of our every day life. The constantly increasing number of DSL users and trying to match the growing bandwidth demand by using high frequencies have made far-end crosstalk (FEXT) between copper wires the dominant impairment in current DSL systems. The noise perceived on a DSL line is comprised of noises from several sources, but the largest and most dominant noise on DSL lines is the summation of FEXT from all other active lines in the bundle. The number of active lines is strongly daytime dependent and consequently, the distribution of noise on DSL lines is not stationary. Furthermore, FEXT fluctuates when DSL users change their operational state. This work investigates low-complex and practical approaches for the protection against time-varying noise in DSL systems. In order to be in compliance with current DSL systems, in this work, the DSL modems operate independently without any coordination with other lines. Furthermore, the same transmit spectra are assumed for all the modems, and only receiver-based approaches are considered.

One approach to protect against time-varying non-stationary noise is to set the target bit rate such that it can still be achieved at times with peak noise levels. Traditionally, a fixed signal-to-noise-ratio (SNR) margin is subtracted from the measured SNR during initialization when calculating the target data rate. In practical DSL systems, the value of the SNR margin is set ad-hoc to 6 dB and is independent of the SNR at initialization and of the noise distribution, and therefore, the state of the art SNR margin is not optimal in terms of data rate and outage probability. To improve the protection against time-varying noise and increase link stability, the concept of Virtual Noise (VN) has been introduced. In this work, we jointly optimize the VN mask and the SNR margin in order to maximize the target data rate while satisfying a target outage probability defined over 24 hours. Another problem with the state of the art SNR margin is that it is tone-independent. In practical DSL systems, the received noise might increase only at some tones such that the per-tone SNR margins of the affected tones become negative. To prevent re-initializations in such cases, modems have the ability to equalize the SNR margin across tones by adapting their bit-loading to slowly changing SNR by using bit-swapping. However, bit-swapping might be too slow to move bits from the affected tones such that non-negative per tone margins are restored and the connection is interrupted. In this work we solve this problem by adjusting the VN mask and SNR margin such that in addition to achieving the maximum target data rate while satisfying a target outage probability, the probability of the line going to a state with negative per-tone SNR margins is reduced. The VN mask and the SNR margin are expressed as functions of the target outage probability and the distributions of the maximum noise power measured over 24 hours at each tone. Comparison with state of the art approaches reveals that the proposed approach improves the data rate and outage probability performance.

Another approach to protect against time-varying non-stationary noise is to adapt the target data rate to the varying noise. The concept of Seamless Rate Adaptation (SRA) was introduced to seamlessly adapt the data rate of a connection to the changing SNR while in operation without any service interruption. Interleavers used in transmission for the protection against burst errors impose a constraint on how much the data rate that can be changed by an SRA procedure. Moreover, to keep an equal error probability over all tones, it is very likely that the bit-loadings of all tones have to be modified in each SRA procedure. Hence, the state of the art SRA is too slow and provides means of adaptation only to slowly changing SNRs and will not prevent reinitializations under certain conditions such as large rapid changes in FEXT. In this work, two adaptation approaches are proposed. In the case where multiple adaptation procedures are required to modify the bit-loadings of the tones to the target bit-loadings that correspond to the new SNR, both approaches satisfy the data rate constraint imposed by interleavers. Furthermore, both approaches equalize the error probability over all tones only after the last procedure when the target bit-loadings is achieved at all tones. The first approach modifies the tones to their target bit-loadings in the order that leads to the fastest decrease in the average bit error rate (BER). The second one modifies the bit-loadings of the tones in groups and finds the per group constant bit reductions that decrease the average BER as rapidly as possible. Moreover, low complex versions of the proposed approaches are presented such that they can be used in practice by DSL modems with limited computational power. Performance results reveal that all the proposed approaches shorten the adaptation time tremendously and decrease the number of errors that occur during the adaptation when compared to the state of the art SRA.

DSL users often use services with different requirements on quality of service in terms of outage probability. In such cases, we propose in this work a hybrid VN-SRA approach that iteratively allocates tones to be used by the proposed approach where the VN mask and the SNR margin are jointly optimized for services that require a BER that is smaller than or equal to the target BER with an outage probability that is smaller than or equal to the target outage probability. Moreover, the hybrid VN-SRA approach allocates tones to be used by the proposed adaptive data rate approaches for services that can tolerate temporary increases in the BER above the the target BER during the adaptation to the varying noise. Performance results reveal data rate gains when compared to the case where the data rate achieved over all tones is guaranteed at a BER that is smaller than or equal to the target BER with an outage probability that is smaller than or equal to the target outage probability.

The approaches presented in this work can improve the performance of today's DSL systems. Furthermore, the implementation of those approaches requires only minimal changes of the current DSL standard.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Heutzutage sind Dienste, wie hochauflösendes Fernsehen (HDTV), dreidimensionales Fernsehen (3DTV), Internet Telefonie (VoIP), Video-Streaming und interaktive Videoanwendungen ein Teil unseres Alltags geworden. Diese Dienste stellen hohe Anforderungen an Datenraten, Latenz und Link-Stabilität. Durch die Entwicklung solcher Dienste haben Digital Subscriber Lines (DSLs) in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Die ständig steigende Anzahl an DSL-Nutzern und der Versuch, die wachsende Nachfrage an Bandbreite mit der Nutzung hoher Frequenzen zu erfüllen, hat das Fernnebensprechen (FEXT) zwischen Kupferleitungen zum dominanten Wertminderungsfaktor in aktuellen DSL-Systemen gemacht. Das Rauschen, das auf einer DSL-Leitung empfangen wird, kann verschiedene Quellen haben, wobei die Summe aus dem FEXT aller anderen aktiven Leitungen in einem Bündel das größte und dominanteste Rauschen ist. Die Anzahl der aktiven Leitungen hängt stark von der Tageszeit ab und daher ist die Verteilung des Rauschens auf DSL-Leitungen nicht stationär. Weiterhin schwankt das FEXT wenn DSL-Nutzer ihre Betriebszustand ändern. Diese Arbeit untersucht praktische Verfahren zum Schutz vor zeitabhängigem Rauschen in DSL-Systemen, die eine geringe Komplexität aufweisen. Damit unsere vorgeschlagenen Verfahren im Einklang mit den aktuellen DSL-Systemen bleiben, wird in dieser Arbeit angenommen, dass die DSL-Modems unabhängig voneinander und ohne Koordination mit anderen Leitungen betrieben werden. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass alle DSL-Modems das gleiche Spektrum zur Übertragung benutzen. In dieser Arbeit werden deswegen nur Empfänger-basierte Verfahren zum Schutz vor zeitabhängigem Rauschen betrachtet. Ein Ansatz zum Schutz vor zeit-variantem, nicht stationärem Rauschen besteht darin, die Ziel-Datenrate so einzustellen, dass sie auch noch zu Zeiten mit maximalem Rauschpegel erreicht werden kann. Traditionell wird bei der Berechnung der Ziel-Datenrate während der Initialisierung eine feste Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) Marge vom gemessenen SNR abgezogen. In praktischen DSL-Systemen, wird der Wert der SNR-Marge unabhängig vom SNR während der Initialisierung und von der Verteilung des Rauschens ad hoc auf 6 dB gesetzt. Die herkömmliche SNR-Marge ist demzufolge in Bezug auf Datenrate und Ausfallwahrscheinlichkeit nicht optimal. Zur Verbesserung des Schutzes vor zeitvariantem Rauschen und zur Erhöhung der Link-Stabilität wurde das Konzept des virtuellen Rauschens (VN) eingeführt. In dieser Arbeit optimieren wir die VN-Maske und die SNR-Marge gemeinsam, um unter der Bedingung, dass eine über 24 Stunden definierte Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit erfüllt wird, die Ziel-Datenrate zu maximieren. Ein weiteres Problem der herkömmlichen SNR-Marge ist, dass sie unabhängig von den Tönen ist. In praktischen DSL-Systemen kann das empfangene Rauschen nur auf einigen Tönen ansteigen, so dass die pro-Ton-SNR-Margen der betroffenen Töne negativ werden. Um Reinitialisierungen in solchen Fällen zu vermeiden, haben Modems die Fähigkeit, die Bitbelegung der Töne an das SNR so anzupassen, dass die SNR-Margen über allen Tönen ausgeglichen werden. Diese Fähigkeit wird Bit-swapping genannt. Bit-swapping kann jedoch zu langsam sein, um Bits der betroffenen Töne zu verschieben, so dass nicht negative Margen über allen Tönen hergestellt werden. Demzufolge wird die Verbindung unterbrochen. In dieser Arbeit lösen wir dieses Problem, indem wir die VN-Maske und die SNR-Marge so modifizieren, dass, neben der erreichten maximalen Ziel-Datenrate und der erfüllten Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit, die Wahrscheinlichkeit, dass die Leitung in einen Zustand mit negativen pro-Ton-SNR-Margen gerät, verringert wird. Die VN-Maske und die SNR-Marge werden als Funktionen der Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit und der Verteilungen des an jedem Ton über 24 Stunden maximal gemessenen Rauschens ausgedrückt. Der Vergleich mit herkömmlichen Verfahren zeigt, dass das vorgeschlagene Verfahren sowohl die erzielten Datenraten als auch die erfüllte Ausfallwahrscheinlichkeit verbessert. Ein weiterer Ansatz zum Schutz vor zeitvariantem, nicht stationärem Rauschen besteht darin, die Ziel-Datenrate dem veränderlichen Rauschen anzupassen. Das Konzept der Seamless Rate Adaptation (SRA) wurde eingeführt, um die Ziel-Datenrate nahtlos und ohne Unterbrechung der Dienste an das SNR anzupassen. Interleavers, die in der Übertragung vor Burst-Fehler schützen, geben eine Einschränkung vor, um wie viel die Datenrate in einem SRA-Vorgang geändert werden darf. Im Fall großer Veränderungen des SNRs müssen mehrere aufeinander folgende SRA-Vorgänge ausgeführt werden, um die Ziel-Datenrate zu erreichen. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass die Bitbelegung aller Töne geändert werden muss, um die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit über alle Töne nach jedem SRA-Vorgang zu erzielen. Folglich, ist das herkömmliche SRA zu langsam und stellt somit nur ein Mittel zur Anpassung an langsame Veränderungen im SNR dar. Des Weiteren wird das herkömmliche SRA bei großen, schnellen Veränderungen im FEXT keine Reinitialisierungen verhindern können. In dieser Arbeit werden zwei neue Verfahren, die die Datenrate dem SNR anpassen, präsentiert. In dem Fall großer Veränderungen im SNR halten beide Verfahren die Einschränkungen, die von den Interleavers vorgegeben werden, ein. Weiterhin erzielen beide Verfahren die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit über alle Töne erst nach dem letzten Vorgang wenn die Ziel-Bitbelegung aller Töne erreicht wurde. Das erste Verfahren modifiziert die Töne zu deren Ziel-Bitbelegungen in der Reihenfolge, die zum schnellsten Abfall der mittleren Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit führt. Das zweite Verfahren modifiziert die Töne in Gruppen und findet die gruppenweise konstante Bitverringerungen, die zum schnellsten Abfall der mittleren Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit führen. Darüber hinaus werden praktische Varianten der vorgeschlagenen Verfahren präsentiert. Diese Varianten weisen eine geringe Komplexität auf und können in der Praxis in Modems mit begrenzter Rechenleistung eingesetzt werden. Der Vergleich mit herkömmlichem SRA zeigt, dass die vorgeschlagenen Verfahren die Adaptionszeit enorm verkürzen und die Anzahl der aufgetretenen Fehler während der Adaption verringern. DSL-Nutzer benutzen oft verschiedene Dienste, die verschiedene Anforderungen an Dienstqualität in Bezug auf Ausfallwahrscheinlichkeit stellen. In solchen Fällen schlagen wir ein iteratives, hybrides VN-SRA-Verfahren vor. Das hybride VN-SRA weist dem vorgeschlagenen Verfahren, das die VN-Maske und die SNR-Marge gemeinsam optimiert, Töne zu, für Dienste, die eine Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit, die kleiner oder gleich groß ist als die Ziel-Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit, mit einer Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit, die kleiner oder gleich groß ist als die Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit, anfordern. Des Weiteren weist das hybride VN-SRA den vorgeschlagenen Verfahren, die die Ziel-Datenrate an das SNR anzupassen, Töne zu, für Dienste, die temporäre Erhöhungen der Fehlerwahrscheinlichkeit über die Ziel-Fehlerwahrscheinlichkeit während der Adaptionszeit tolerieren können. Simulationsergebnisse der Datenraten zeigen Gewinne gegenüber dem Fall, bei dem über alle Töne eine Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit herrscht, die kleiner oder gleich groß als die Ziel-Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit ist, mit einer Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit, die kleiner oder gleich groß als die Ziel-Ausfallwahrscheinlichkeit ist. Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Verfahren können die heute bestehenden DSL-Systeme verbessern. Weiterhin muss für die Implementierung dieser Verfahren der aktuelle DSL-Standard minimal geändert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 22 Jun 2015 11:51
Last Modified: 22 Jun 2015 11:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-45768
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Weber, Prof. Dr.- Tobias
Refereed: 6 March 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4576
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