Adaptive resource allocation for multi-user digital subscriber lines

Abstract

Der Bedarf an Übertragungsverfahren für hohe Datenraten in Zugangsnetzen wächst kontinuierlich. Digital Subscriber Line (DSL) Technologie bietet eine attractive Lösung, um hohe Datenraten über existierende Telefonleitungen übertragen zu können. Die wichtigste Beeinträchtigung bei DSL ist das Übersprechen zwischen verdrillten Leitungspaaren. Derzeit eingesetzte DSL-Systeme sind als Einbenutzersystem konzipiert um in einem Umfeld mit hohen Geräuschpegeln zu operieren. In realen Zugangsnetzen mit mehreren Benutzern erweisen sie sich jedoch als wenig leistungsfähig. Eine intelligentere Aufteilung von Kabelressourcen zwishen den Benutzern würde eine wesentliche Verbesserung bewirken. Ein Ansatz, die Kabelressourcen so aufzuteilen, dass das Übersprechen gemildert wird, nennt sich Dynamic Spectrum Management (DSM). Die zugrundeliegende Idee von DSM ist, dass jeder Benutzer einen Kompromiss zwischen der Maximierung seiner eigenen Datenrate und der Minimierung des Übersprechens zu anderen Benutzern anstrebt.<br />Diese Dissertation befasst sich mit DSM für DSL-Systeme, die Frequenzduplexverfahren (englisch: Frequency Division Duplexing, FDD) verwenden. In dieser Arbeit werden DSL-Systeme analysiert, die Zipper Discrete Multi-Tone (DMT) Modulation einsetzen, welche für Very High Speed DSL (VDSL) und VDSL2 standardisiert wurde. Im ersten Teil dieser Dissertation beschreiben wir das DSL-Umfeld und werfen einen Blick auf DMT und Zipper. Früher vorgeschlagene DSM-Algorithmen für FDD-Systeme optimierten die Leistungverteilung bei festgelegtem Bandplan. Ein solcher Bandplan sollte jedoch ebenfalls optimiert werden, um die Leitungsressourcen bestmöglich unter den Benutzern aufzuteilen.<br />In dieser Dissertation befassen wir uns mit dem Problem, den Bandplan und die Leistungverteilung in Mehrbenutzer-DSL-Systemen zu optimieren.<br />Dieses Optimierungsproblem ist mit den existierenden Algorithmen nicht lösbar. Wir schlagen einen Algorithmus vor, den sogenannten Normalized-Rate Iterative Algorithm (NRIA). NRIA optimiert den FDD-Bandplan und die Leistungverteilung gemeinsam in Mehrbenutzer-DSL-Systemen. Dem liegt ein neue Formulierung des Problems zugrunde, welche die Benutzerdatenraten durch Beziehungen verkoppelt, die ihrerseits durch die zugehörigen Dienste parametrisiert sind. NRIA wurde entworfen, um das DSM-Optimierungsproblem effizient im Hinblick auf die Geschäftsmodelle der Betreiber zu lösen. Der Hauptvorteil von NRIA, verglichen mit anderen DSM Vorschlägen, besteht in seiner geringen numerischen Komplexität. Aus diesem Grund ist NRIA für Zugangsnetze mit grosser Benutzerzahl geeignet. NRIA kann auch in Systemen mit festem Bandplan eingesetzt werden, um das Übersprechen zu mildern, beispielsweise in asymmetrischen DSL (ADSL).<br />Häufig tritt der Fall auf, dass Betreiber einem Teil Ihrer Kunden festgelegte Datenraten anbieten wollen, während den übrigen Kunden ein Service auf Best-Effort Basis angeboten wird. Dies ist interessant für Geschäftsmodelle, bei denen einer Anzahl von Netzteilnehmern ein bestimmter Dienst garantiert werden soll. Um diese Variante des Optimierungsproblems zu lösen, haben wir den Constrained Normalized-Rate Iterative Algorithm (C-NRIA) entwickelt, der auf NRIA basiert. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass C-NRIA lediglich einen Parameter benötigt, um die Kabelkapazität unter den beiden Benutzergruppen aufzuteilen.<br />

The need for high-speed communications in access networks is continuously growing. Digital subscriber line (DSL) technology offers an attractive solution for providing high-speed communications over existing telephone wires. Crosstalk between the twisted-pairs is the main impairment in DSL communications. Current deployed DSL systems are designed as single-user systems with the assumption that they operate in a worst-case noise environment. As a result, they show poor performance when deployed in an actual network with multiple users. To significantly improve the performance of existing DSL systems the cable resources need to be assigned to the users more intelligently. The art of assigning cable resources to mitigate the crosstalk noise among the users is known as dynamic spectrum management (DSM). The main idea of DSM is that each user make a trade-off between maximizing his own bitrate and minimizing the crosstalk noise to the others.<br />This thesis studies DSM for DSL systems that are frequency division duplexing (FDD) based. We analyze DSL systems that use Zipper discrete multi-tone (DMT) modulation, which is part of the standards for very high speed DSL (VDSL) and VDSL2. In the first part, we describe the DSL environment and give an overview of DMT and Zipper. Previously proposed DSM algorithms for FDD systems optimize the user power allocation but assume a fixed band plan. However, to offer specific DSL services in a particular twisted-pair network, a search for an optimal band plan is needed in order to share the cable resources efficiently among users. We address the problem of optimizing the band plan and power allocations in multi-user DSL systems. This optimization problem is unsolvable with existing algorithms. To solve it, we propose the normalized-rate iterative algorithm (NRIA). The NRIA jointly optimizes the FDD band plan and power allocations for a multi-user DSL system. The key is a practical and novel problem formulation: the user bitrates are coupled through relations that describe corresponding services in a network.<br />Hence, the NRIA is designed to efficiently solve the DSM optimization problem with the operators' business models in mind. The main advantage of the NRIA compared to the other DSM proposals is its low computational complexity. Therefore, it is suitable for deployment in networks with many users. The NRIA can also be deployed in situations with a fixed band plan, as in asymmetric DSL (ADSL), to mitigate the crosstalk noise.<br />It is common that service providers want to ensure some of the users in the cable bundle predefined fixed bitrates while offering services to the remaining users on a best-effort basis. This reflects many business scenarios where a number of users in a network must be guaranteed a specific service. To solve this type of optimization problem we have developed the constrained normalized-rate iterative algorithm (C-NRIA), which is based on the NRIA. We will see that the C-NRIA needs only a single parameter to split the cable capacity among the two user groups.