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.