儘管數位匯流一直是寬頻網路希望帶來的最終遠景，不過受限於各式噪音干擾，數位匯流的實現始終緣慳一面。令人慶幸的是，目前各式新興技術也隨之問世，欲克服先天技術上的困難挑戰，以盼影音、視訊與數據三合一的服務能夠早日到來。
今日全球數位用戶迴路(DSL)之用戶數量高達兩億戶，是服務供應商為大眾市場提供寬頻服務的主要手段。利用DSL，服務供應商能夠提供增加營收的三合一服務(Triple Play)，提高銅纜基礎設施的投資回報。但這些業務同時也帶來幾個挑戰：它們需要出色的效能、更高的專有頻寬、更佳的服務品質(QoS)和永遠線上(Always-on)的網路接取功能。
二代超高速數位用戶迴路(VDSL2)線路上的雜訊，對多媒體業務資料率與覆蓋距離效能的影響十分嚴重，這是鄰近銅線對上電氣訊號的串擾耦合或其他損害的結果。由於迴路(Loop)雜訊是DSL線路開/關轉換的結果，故其特性的變化可能相當大。儘管傳統無縫速率適配技術(Seamless Rate Adaptation, SRA)及比特交換技術也可以改變資料率，以適應隨時間變化的迴路條件，但這些方案往往無法始終保持線路的完整性及相關的負載頻道(Overhead Channel)，尤其是在雜訊容限嚴重降低，有時甚至達到負數的情況下。
也因此，服務供應商需要一種在頻寬雜訊突然出現變化時，能夠迅速和動態調整資料率的智慧機制。這種快速速率適配(RRA)策略對於網路電視(IPTV)和數位匯流等高品質增強型服務的穩定實施至關重要。
服務供應商接取挑戰升溫
近期全球服務供應商都預計在端到端IP DSL接取基礎設施上推出數位匯流服務，一些主流服務供應商的業務開展策略包括推出廉價、高密度、高功效且高度可靠的VDSL2/ADSLx服務組合，以期隨時隨地為任何用戶提供無處不在、隨選(On-demand)及高度集成的多元化服務。
為了使頻寬最大化、誤差率最小化，以及增強穩定性和提高工作效率，必須在所有級別上考慮到DSL系統的性價比最佳化。經最佳化的DSL系統，再加上保證的服務可靠性和穩定性，將有助於服務供應商迅速推出創新產品、增加平均每戶貢獻值(ARPU)，並減少工作開銷和資本支出。一般來說，消費者需要出色的QoS、永遠線上的網路連線性、非凡的可靠性和來自多個不同服務供應商的即時可用內容，而營運商則必須以任何代價避免服務中斷和線路重接等問題，才能為消費者帶來滿意度。
為了滿足數位匯流服務應用的需求，DSL技術不斷提升。如2006年11月，G.993.2 VDSL2標準獲得國際電信聯盟(International Telecommunications Union, ITU)批准，不同於以往的DSL，VDSL2採用了大量的改進技術，能夠更佳處理不同營運商的不同頻寬需求。
例如，VDSL2支持改進型脈衝雜訊保護(INP)、脈衝雜訊監控(INM)、SRA、U0功率譜密度(U0 PSD)成形，以及新的服務和初始化策略，以提高數位匯流服務的穩定性。該標準還涉及其他先進技術，比如緊急狀況比率降低(SOS)、動態速率重新分配(DRR)和串擾頻道估算及減緩技術等。VDSL2還採用了分布概念(Profile Concept)，可支援廣泛的部署環境。每一個分布都有一個特定的頻寬，從8M～30MHz，有不同的功率和PSD遮罩限制。此外，每一個分布還針對特定的覆蓋距離和資料率進行最佳化。同樣地，VDSL2擴展了VDSL1的覆蓋距離，其最大可達位元速率超過了所有其他形式的DSL。
動態頻譜管理(DSM)等先進技術，能有助於減少共用同一個捆綁器(Binder)DSL對線的串擾，提升未來DSL的頻寬和覆蓋範圍。由於更高級別的DSM，需要共用捆綁器所有用戶的協調，因而這些技術相當重要。真正的DSM瓶頸是非技術性問題，比如迴路分拆(Loop Unbundling)--其中不同的雙絞線由不同的公司運作。因此，必須先解決這些問題，電信營運商才能充分發揮DSM的全部潛力。
效能降低原因所在多有
一般時常假設，不良訊號是高斯(Gaussian)分布的附加隨機源。例如，比特載入演算法通常基於附加高斯雜訊的假設而設計。然而，這種演算法低估了其他類型干擾的影響，從而導致誤差率過大。此外，通道估算程式通常經過設計，主要是在出現平穩損害(Stationary Impairment)時對效能進行最佳化；不過，在估算非平穩(Non-impairments)、準平穩(Quasi-impairments)或隨時間變化(Time-varying)的干擾時，這些演算法卻不太有效。這些DSL訓練程式一般都十分適合於最佳化迴路效能，以及在出現平穩雜訊和/或附加的高斯損害時最佳化穩健性。這將使得數據機接收器無法抵抗脈衝雜訊等其他損害。而DSL效能降低的常見來源可分為以下幾類：
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內部產生損害的例子包括現有熱雜訊、量化雜訊、元件非線性度和失真、回波洩漏或轉移混合損耗 (Trans-hybrid Loss)、限帶濾波器(ISI)引起的耗散，以及相位雜訊和時鐘抖動等時鐘雜訊。不良的設計、演算法和訊號處理，在精度和效能方面的局限性，對DSL效能都可能有負面影響。 |
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這種外部平穩雜訊通常稱為串擾(Crosstalk)，包括其他服務產生的干擾訊號，比如T1和DSL等外來和/或自噪音源，分為遠端串擾(FEXT)和近端串擾(NEXT)。雖然因鄰近DSL線纜不斷發射產生的串擾基本上是平穩的，但串擾分布可能因客戶布線或溫度的變化而隨時間變化，因此串擾通常仍是DSL系統中效能降低的主要原因。 |
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非平穩雜訊是多個因素影響的結果，會影響DSL系統的效能。降低效能的主要原因包括線路上產生的電壓尖峰引起脈衝雜訊。常見原因包括雷擊、變壓器湧流和家電的開關。重複性脈衝雜訊(REIN)也是非平穩雜訊，由反覆的電壓尖峰或線路上雜訊的突波(Spike)引起，通常出現在電源工作頻率50～60Hz上。脈衝雜訊會造成迴圈冗餘檢測(CRC)誤差，可能導致DSL線路重連，從而使得服務中斷。
射頻干擾(RFI)通常被限制在較窄的頻譜範圍內，而且，由於和脈衝雜訊及HAM無線電干擾類似的原因，也會被耦合到訊號中。這種準正弦干擾源的分布可能致使龐大數量音訊子通道上的資料率減小。儘管在離散多音訊(DMT)DSL系統中，RFI一般只影響一個符號的一小部分，但它的持續時間比脈衝雜訊要長得多，會影響到許多DMT符號。這就使得交錯和/或Reed-Solomon(RS)奇偶校驗要求更高，因而不適合低延遲應用，比如網路語音通訊協定(VoIP)，避免過大的延遲可能導致音質受損。
另外，摘機/掛機、撥號脈衝、振鈴和響鈴往返(Ring Trip)產生的普通老式電話業務(POTS)訊號，以及銅纜的微創(Micro-cuts)引起DSL訊號的隨機微中斷，都是帶來外部非平穩雜訊的原因。而為了實現可靠的訊號傳輸，結合使用濾波和訊號處理以減少產生CRC，都是必要的。
至於鄰近DSL服務的工作狀態也可能帶來影響。舉例來說，當同一個捆綁器中的數據機開關時，這種現象可能引起平穩雜訊突然出現變化。根據串擾和可用雜訊容限的級別，這可能會導致服務中斷和線路重連。
圖1顯示了混合局端(CO)/遠端終端機(RT)部署環境，其中，在犧牲接收器(Victim Receiver)的下行鏈路上有多種不同的干擾訊號。
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| 圖1 此圖闡釋不同環路損害之影響的典型部署環境，包含FEXT與NEXT、RFI，以及DS接收訊號上的脈衝雜訊。 |
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多種DSL網路降噪策略以為因應
儘管干擾訊號所在多有，不過也可採用許多實用的策略，來降低DSL設備中的各種傳輸損害。舉例來說，由於內部噪音源大多是由局端和用戶端設備(CPE)收發器的設計所引起，而且一般不能在部署中減緩，因此針對這種情況，最好選用高品質的設備，才能避免噪音干擾。
另外，也可通過系統設計和採用先進的DSL傳輸技術，如自我調整TEQ、自我調整回波消除電路、自我調整混合和可編程數位/類比濾波器，來提高對迴路損害和內部噪音源的抵抗能力。
來自外部的平穩雜訊限制，如串音，通常是由網路設計來解決。對發送功率的PSD遮罩進行限制就可確保頻譜相容性。營運商可控制一些與發送PSD相關的參數，來最大化降低鄰近線路的串擾，現在普遍使用先進的上行和下行功率回退技術(UPBO/DPBO)，這在G.993.2 VDSL2標準中有加以介紹。
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DSM由一整套針對DSL網路中的多使用者功率分配和/或檢測的技術構成，旨在確保串擾環境下的頻譜相容性。實施DSM，就可通過改變發送訊號的頻譜來減少串擾，或消除部分同一扎線內的串擾。在串擾是主要損害的網路部署環境中，這些技術非常有效。
一般來說，DSM有四個協調級別，在DSM Level 0，對應於靜態頻譜管理，可最大限度地提高單條DSL線路的效能，而不考慮鄰近線路的效能；DSM Level 1則解決自動功率分配管理問題，以避免串音；DSM Level 2實現鄰近線纜間的功率分配協調管理，以避免串擾；而DSM Level 3多用於降低串擾。該級別僅在發送器和/或接收器配置相應功能時才能使用。 |
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虛擬雜訊是G.993.2標準為提高線路穩定性而引入的另一種技術。其原理是在線路中針對那些可能因鄰近線路開啟而受到串擾干擾的子通道預先增加虛擬雜訊。如圖2所示，在該技術中，對雜訊容限進行調整，使其能容納虛擬雜訊；而對那些不會受串擾干擾的子通道，仍然保持較低的雜訊容限，使得可用頻寬達到最大。在能夠預先推測串擾的情況下，虛擬雜訊方法非常奏效。但在許多情況下，並不能準確推測串擾。又因為該技術不是動態的，因此常導致比特載入過於保守。
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| 圖2 增加虛擬雜訊容限以適應可能出現的串擾。 |
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目前有各種技術可用於管理非穩定損害，如INP糾錯策略就涉及到Reed-Solomon編碼技術和交錯技術的組合，其幀參數可在該標準規定的數值範圍內選擇。通常是通過降低資料速率來提高雜訊容限。大體上，就是讓接收器具有足夠的雜訊容限，從而使誤差率維持在可接受的限度內。這樣，大多數的資料幀都會有餘裕的容限，從而確保資料的完整性，而只有一小部分資料幀會直接受脈衝雜訊的影響。不過，這些技術也有一些其他缺點，如交錯存取記憶體增加，可能不適合要求低遲滯的應用和互動應用。通過在接收端來完成對Reed-Solomon編碼的消除解碼，可顯著減少DSL系統的交錯延遲。 |
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VDSL2標準規定SRA是針對線路雜訊狀況變化使用的技術。SRA確保通過改變線路頻寬，以保證線路有足夠的雜訊容限。當線路雜訊增加時，SRA就會降低頻寬，而且不造成斷線，因此也不會中斷服務。
對於雜訊變化緩慢的情況，通常使用自我調整技術或組合技術，包括子通道重排序(Reordering)、比特交換和/或SRA。
在雜訊突變和雜訊嚴重的情況下，上面的策略都無效。在這種情況下，要維持鏈路的穩定性，防止DSL數據機重連，最有前景的降噪技術是RRA，即ITU-T標準中的SOS。 |
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RRA是智慧軟體解決方案，可讓電信營運商在嚴重及隨時間變化的雜訊環境下提高鏈路的穩健性、可靠性和可用性。RRA可在出現大頻帶範圍的雜訊突變時，對資料速率進行快速的動態調節，且不會造成斷線或重連。因此，能夠最佳化數位匯流服務的品質，大大改善寬頻連線，從而實現對變化無常的迴路情況的管理。
RRA的主要優勢很多，其一是包括允許收發器能監視線路情況，並且在不中斷服務和不進行重連的情況下動態調節資料速率。即便在雜訊變化超過容限的情況下，RRA也有助於維持鏈路的完整性。RRA對DSL線路開/關線內產生的動態串擾也有很強的恢復能力。另外，RRA在穩健性、適應雜訊突變、大頻帶範圍的雜訊變化方面，也優於如SRA等其他標準降噪方案。特別是RRA能在SRA不再有效的環境下維持鏈路完整性。
RRA為穩定鏈路而變化到新速率所需的總體時間比SRA較短，且RRA對動態雜訊變化的回應也更快。RRA與SRA在突變強雜訊環境下的功能性和有效性比較如表1。
| 表1 RRA與SRA在強雜訊環境下的功能性和有效性比較 |
| 功能/參數 |
RRA |
SRA |
串擾大幅增加時保持鏈路完整性 |
保持鏈路連線性。在兩方面優於SRA：
‧穩健性
‧性能 |
不具備可持續性 |
| 30a配置方案下的快速速率適配 |
數百微秒；且子通道數量不限 |
數分鐘 |
| 訊噪比(SNR)雜訊容限<0 |
鏈路穩定 |
出現掉線 |
| 快速和大雜訊變化 |
鏈路穩定 |
出現掉線 |
| 與SRA的共存/互補 |
RRA能與SRA和比特交換技術共存，並作為SRA和比特交換技術的補充。這樣就可提供能處理所有雜訊變化的集成工具：
‧變化迅速的大雜訊(由RRA處理)
‧變化緩慢的小雜訊(由SRA處理)
‧持續時間長的雜訊(由比特交換技術處理) |
不能處理突變的大量雜訊 |
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數位匯流服務市場對服務品質和可靠性有著很高的期望。對視訊服務等敏感應用，要避免出現畫面格狀 (Pixelization)，可使用基於優先順序的演算法，確保載波通道的資料速率能根據產品的QoS能力來改變。這樣，就能保證如果資料速率降低，具有最高優先順序的資料流程能保持其頻寬，而具有最低優先順序的資料流程的頻寬則被降低。RRA與QoS結合構成應用感知(Application-aware)方案，使營運商和服務供應商能在嚴重劣化的雜訊容限環境下靈活應對。 |
總而言之，提高系統穩健性是成功部署數位匯流服務的關鍵。諸如虛擬雜訊、比特交換、SRA和RRA之類的技術，能夠提升系統的可靠性，並使營運商以同樣的產品贏得更多的客戶。未來這些技術有望獲營運商的廣泛採用。
(本文作者為Ikanos Communications策略產品/技術總監)