Interference Cancellation in DSL Systems

Interferenzunterdruckung in DSL-Systemen

Der Technischen Fakultat derUniversitat Erlangen-Nurnberg

zur Erlangung des Grades

DOKTOR - INGENIEUR

vorgelegt von

Roberto Bianchi

Erlangen - 2011

Als Dissertation genehmigt von derTechnischen Fakultat der

Universitat Erlangen-Nurnberg

Tag der Einreichung: 22.12.2010Tag der Promotion: 10.03.2011Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhard GermanBerichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Johannes B. Huber

Prof. Dott. Riccardo Raheli

Contents

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 . . . . . . . . . . . . 40

ii CONTENTS

3 Tensor representation of SISO signals 413.1 Basic considerations on SISO signals and systems . . . . . . . 42

3.1.1 Continuous-time signals and LTI systems . . . . . . . . 423.1.2 Continuous-time signals and LTI systems in frequency 433.1.3 Discrete-time signals and LTI systems . . . . . . . . . 453.1.4 Discrete-time signals and systems in frequency . . . . . 46

3.2 Representing signals and LTI systems using tensors . . . . . . 483.2.1 Representation of time-domain signals . . . . . . . . . 483.2.2 Representing frequency-domain signals with tensors . . 533.2.3 LTI systems in tensor representation . . . . . . . . . . 54

3.3 Digital transmission and OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.1 Channel diagonalization through OFDM/DMT . . . . 573.3.2 Single user OFDM in tensor notation . . . . . . . . . . 61

3.4 A DMT example: VDSL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.4.1 Basic concept of the simulation . . . . . . . . . . . . . 633.4.2 Structure of VDSL2 systems . . . . . . . . . . . . . . . 653.4.3 Simulation parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.4.4 Bit-loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.4.5 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4 Multiple-Input Multiple-Output (OFDM) 714.1 Time domain model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.2 MIMO OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.2.1 OFDM on MIMO channels . . . . . . . . . . . . . . . . 744.2.2 Per-tone representation and equalization . . . . . . . . 76

4.3 A MIMO DMT example: VDSL2 and DSM L3 . . . . . . . . . 804.4 MIMO OFDM in tensor notation . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.4.1 Representing space-time signals using tensors . . . . . 824.4.2 MIMO OFDM as a second-order tensor . . . . . . . . . 84

5 Second-order Decision Feedback Equalization 895.1 Calculating a fourth-order QR decomposition . . . . . . . . . 90

5.1.1 Householder reflectors on four dimensions . . . . . . . 905.1.2 Setting given elements of a second-order tensor to zero 925.1.3 Calculating a 4-dimensional QR decomposition . . . . 935.1.4 Contravariant and covariant QR decompositions . . . . 985.1.5 Extension to complex tensors . . . . . . . . . . . . . . 100

5.2 DFE in two dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.3 Equalizing MIMO VDSL 2 using HODFE . . . . . . . . . . . 106

5.3.1 HODFE for VDSL2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.3.2 Some considerations on the obtained results . . . . . . 109

CONTENTS iii

5.3.3 Complexity reduction for the HOQR . . . . . . . . . . 1175.3.4 DFE complexity reduction in MIMO-OFDM scenarios 119

5.4 Equalization for mixed VDSL2-SHDSL scenarios . . . . . . . . 1205.4.1 Basic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.4.2 Including pulse shaping and PSD shaping . . . . . . . 1275.4.3 Complexity reduction of the equalization . . . . . . . . 1295.4.4 Simulation results for FEXT cancellation . . . . . . . . 1305.4.5 NEXT-FEXT Cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6 DFE in more than two dimensions 1376.1 HOQR decomposition for tensors of arbitrary order . . . . . . 1376.2 Multidimensional DFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.3 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 GB and TB 167

D Tensor product is associative 169

iv CONTENTS

Acknowledgements

First of all, many thanks to my advisor Prof. Johannes Huber, for acceptingme in his team, for granting me the possibility to work in a exciting andinspiring 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 hisprecious 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 enrichthe work. A great thank also for her personal support, which helped me manytimes when things were getting hard. Christine Kirsch was also at my sidemany times when problems appeared. For this I thank her from the bottomof my heart. Many thanks also to all colleagues and friends at LIT and LNTfor the good time. In particular: Roman, Ulrich, Bernd, Thorsten, Clemens,Christian, Azad, Stefan, Markus, Martin and Martin, Andreas. Thanks alsoto everyone in the organisation of the Ferien Akademie. Working there wasalways 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 breakdownsthat could have occurred during my Ph.D. In particular a big thank to mymother, for making me who I am, for supporting me the last thirty two yearswith unconditioned love and never ending patience. To my girlfriend Meike,which kept her (and my) temper also in difficult and stressing times, andgranted me enough serenity, love and support to finish this work.

Finally a special thank to many friends both in Italy and Germany, formaking my life a better one: Andrea and Alice, Carlos and Marisol, Marco,Dominika and Matthias, Patty and Luca, Pierre, Andrea, Laura, Cristianaand many others.

vi Acknowledgements

Zusammenfassung

Das Dynamic Spectrum Management Level 3 ist eine verbreitete Technik,um die Leistungsfahigkeit von DSL Systemen zu verbessern. Dies geschiehtmittels Unterdruckung der gegenseitigen Interferenz. Dadurch, dass die Inter-ferenzunterdruckung den Storabstand vergroert, ist eine Vergroerung derDatenrate, der Reichweite oder sogar beides moglich. Doch leider kann dieseTechnik nur an Systemen angewendet werden, die den gleichen Ubertragungs-standard benutzen (z.B. VDSL2 oder SHDSL) und die auf der gleichen Hard-wareeinheit (DSLAM) angebracht sind. Diese Einschrankungen haben denMarkterfolg von DSM L3 bis jetzt stark behindert.

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese beiden Einschrankungenzu beheben. Der erste Schritt ist dabei die Einfuhrung einer neuen DSL-Modellierungstechnik, die auf Tensorenrechnung basiert. Sie ermoglicht dieZusammenfassung 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-OrderQR (HOQR). Sie bildet die Basis fur eine Verallgemeinerung von DecisionFeedback Equalization. Dieses neues Entzerrungskonzept soll als High-OrderDFE (HODFE) bezeichnet werden. Anschlieend werden die neuen tenso-renbasierten Modellierungs- und Entzerrungskonzepte auf einem klassischenDSM L3-Szenario angewendet und die Ergebnisse mit denen der DSM L3-Signalverarbeitung verglichen. Dies ist schlielich der Ausgangspunkt fur dieUntersuchung der Beziehung zwischen HODFE und DSM L3. Im Folgen-den wird dann ein weiteres Anwendungsszenario betrachtet, in dem sowohlVDSL2 Modems als auch SHDSL Modems gemeinsam betrieben werden.Durch die Modellierung der DSL Systeme mittels der neu eingefuhrten Ten-sorenreprasentation wird es moglich eine HODFE-basierte, gemeinsame Ent-zerrung durchzufuhren. Das einfuhrend erlauterte Problem kann somit gelostwerden. Das Szenario wird im Folgenden zusatzlich erweitert und ein neuesVerfahren vorgestellt, das die gleichzeitige Entzerrung von Nah- und Fern-nebensprechen in SHDSL und VDSL2 gemischten Szenarien ermoglicht. Da-durch wird die Leistungsfahigkeit, sowohl der VDSL2 als auch der SHDSL

viii Zusammenfassung

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