用于共享传输介质上的全双工通信的装置和方法与流程

本发明涉及诸如电缆装置(cableplant)的共享传输介质上的全双工通信。

背景技术：

包括正交频分复用(ofdm)和离散多音调(dmt)技术的dsl范型，已经证明其对于在带宽有限的铜线装置上实现非常高的数据速率尤其成功，现在考虑用于诸如同轴电缆的更高质量传输介质。

同轴电缆装置是经由借助于接头、功率分路器/组合器、耦合器等彼此耦合的同轴段将接入节点连接到多个订户终端的共享点到多点(p2mp)介质。

全双工通信被设想为使电缆装置得到最佳使用的一种方式。尽管终端仍然被指派非重叠的频率载波集合，但是现在可以将载波用于下游通信和上游通信(不一定对于同一订户终端)，与针对g.fast预期的半双工技术或者在xdsl或docsis中使用的频分双工(fdd)技术相比，这产生数据吞吐量的翻倍。一些技术障碍还有待克服。

例如，在一个且相同的收发器内从发射路径到接收路径的自干扰(下文中的回波(echo))应当被适当地消除。通常使用所谓的模拟混合电路来去除回波。混合电路旨在例如借助模拟域中的信号相减来增加从发射器的输出到接收器的输入的耦合路径损耗。混合电路还可以与诸如lms滤波器、矢量化等数字回波消除技术相组合。

在电缆装置的两端(也就是说在网络侧(接入节点)和订户侧(电缆调制解调器))通常都需要混合电路和回波消除器。这样的混合电路应该适用于在宽范围的频率上工作，因此预期是复杂和昂贵的。然而，订户设备面临着巨大的成本压力，并且必须尽可能便宜。

技术实现要素：

本发明的一个目的是在订户侧提供一种在共享传输介质上进行全双工通信的高效且便宜的解决方案。

根据本发明的第一方面，一种用于通过共享传输介质通信的通信设备包括：发射器，用于通过发射器输出端发送通信信号；接收器，用于通过接收器输入端接收通信信号；以及耦合单元，将发射器输出端和接收器输入端耦合到共享传输介质。耦合单元包括：第一滤波器，用于在第一通信频率范围内传递来自/去往共享传输介质的通信信号；以及第二滤波器，用于在与第一通信频率范围不相交的第二通信频率范围内传递来自/去往共享传输介质的通信信号。耦合单元还包括：可配置开关，用于在第一开关状态下将发射器输出端连接到第一滤波器并将接收器输入端连接到第二滤波器；或者(排他地)用于在第二开关状态下将发射器输出端连接到第二滤波器并将接收器输入端连接到第一滤波器。通信设备还包括：开关控制器，用于基于经由共享传输介质从被耦合到通信设备的远程接入节点所接收的配置信息来在第一开关状态或者第二开关状态之间进行选择。

在一个实施例中，开关控制器还被配置为：在通信设备的初始化阶段期间，选择第一开关状态和第二开关状态之一作为用于接入节点和通信设备之间的基本通信信道的建立的默认开关状态。配置信息是通过基本通信信道传送的。

在一个实施例中，基本通信信道是在第一通信频率范围和第二通信频率范围的预定频率载波上定义的。

在一个实施例中，第一通信频率范围包括一个第一低频频带，并且第二通信频率范围包括与第一低频频带不相交并且由保护频带隔开的一个第二高频频带。

在一个实施例中，第一滤波器和第二滤波器被实现为双工器。

在一个实施例中，共享传输介质是电缆装置，并且通信设备是电缆调制解调器。

根据本发明的另一方面，一种用于向多个通信设备指派通信资源以用于通过共享传输介质通信的方法，包括：向多个通信设备的第一部分指派在第一通信频率范围内的第一频率载波用于下游通信并且指派与第一频率范围不相交的第二通信频率范围中的第二频率载波用于上游通信，以及向多个通信设备的第二剩余部分指派第二频率载波用于下游通信并且指派第一频率载波用于上游通信。

在一个实施例中，该方法还包括：如果多个通信设备中的第一通信设备和第二通信设备已被表征为高干扰通信设备，则将第一通信设备和第二通信设备指派给通信设备的相同部分。

在一个实施例中，该方法包括指派第一通信频率范围和第二通信频率范围中的第三预定频率载波以用于与多个通信设备中的相应通信设备的基本通信信道的建立。配置信息通过基本通信信道而传送，以用于将多个通信设备中的相应的通信设备配置为属于通信设备的第一部分或者第二部分。

本发明还涉及一种用于根据上述方法来向多个通信设备指派通信资源的通信控制器，涉及包括这种通信控制器的接入节点(例如，光纤同轴电缆单元)，以及包括根据本发明的接入节点和通信设备的通信系统(例如，混合光纤同轴电缆网络)。

可用的通信频谱被拆分为两部分：低频带和高频带，通常由保护频带分隔，以解决滤波器的滚降(roll-off)。光纤同轴电缆单元继续在全双工模式中操作，这意味着相同载波同时用于下游(ds)和上游(us)传输两者。然而，确保指派给任何给定电缆调制解调器的ds载波集合和us载波集合不位于相同频带内，这意味着如果指派给给定电缆调制解调器的ds载波集合位于低频带，则指派给该电缆调制解调器的us载波集合位于高频带(或以其他方式)。因此，用于与该电缆调制解调器的ds(相应的us)传输的载波可以重用于与另一个电缆调制解调器的us(相应的ds)传输。即使全频谱仍然可以在整个共享介质上同时在两个方向上被利用，但是每个电缆调制解调器可以例如借助双工器容易地在频域中将us信号与ds信号分离，双工器是在宽频率范围内实现频分复用和解复用的一种廉价的无源器件。

由于电缆调制解调器最初不知道哪个频带用于哪个通信方向，所以需要一些开关电路和控制逻辑来选择和连接到用于us发送和ds接收的正确频带。

在订户侧的双工器和额外的开关电路对通常的混合电路和回波消除器的替代，允许显著地简化电缆调制解调器的设计并实质上降低其成本。此外，该实现提供了跨用户干扰(一个调制解调器的上游泄漏到附近的调制解调器的下游)的简单解决方案。

附图说明

通过参考以下结合附图对实施例的描述，本发明的上述和其它目的和特征将变得更加明显，并且本发明本身将被最佳地理解，其中：

-图1表示混合光纤同轴电缆网络的一部分；

-图2表示根据本发明的在网络侧和订户侧两者的示例性资源分配方案；以及

-图3表示根据本发明的电缆调制解调器。

具体实施方式

在图1中看到混合光纤同轴(hfc)通信系统1的一部分，其包括光纤同轴电缆单元(fcu)11，fcu11经由电缆装置耦合到电缆调制解调器(cm)41至44并且经由一个或多个光链路81耦合到运营商的网络(未示出)。

电缆装置包括主同轴段51和52、辅同轴段61和62、以及第三级同轴段71至74。主同轴段51将fcu11耦合到双向接头21(或tap1)的输入端口p1。接头21的输出端口p2经由主同轴段52耦合到另一双向接头(未示出)的输入端口。接头21还包括用于连接到cm或其它分路器的两个接头端口t1和t2。目前，接头21的接头端口t1经由辅同轴段61耦合到分路器31的输入端口p3，分路器31的接头端口t11和t12经由第三级同轴段71和72分别耦合到cm41(或cm1)和cm42(或cm2)；接头21的接头端口t2经由辅同轴段62耦合到分路器32的输入端口p4，分路器32的接头端口t13和t14经由第三级同轴段73和74分别耦合到cm43(或cm3)和cm44(或cm4)。

电缆装置可以包括可能以不同的方式相互连接的另外的接头、分路器和cm。图1中绘制的特定装置拓扑仅是许多中的一个，并且仅用作下面的描述的说明性示例。

由接头21以及分路器31和32所引起的耦合损耗取决于它们确切的硬件架构和实现，并且可以从一种耦合器类型变化到另一种类型，并且还可以从一个制造商变化到另一个制造商。然而，存在一些通用的耦合特性值得注意。

接头21的输入端口p1和输出端口p2之间的双向耦合路径的路径损耗通常在1至3db的范围内(图1中假定为2db)。主端口p1与相应接头端口t1或t2之间的路径损耗高一些，一般根据到fcu11的距离在8至27db的范围内(图1中假定为17db)。对于双向分路器，分路器31和32的输入端口和相应接头端口之间的路径损耗通常为约4db(图1中假定为4db)。接头21与分路器31和32的接头端口通过在20至25db的范围内(图1中假定为23db)的路径损耗而彼此隔离。最后，接头21进一步防止在输出端口p2处接收到的返回上游信号耦合回到接头端口中。该路径损耗通常约为30db(图1中假设为30db)。

通过同轴装置的通信是全双工的，并且是通过公共正交载波集合来定义的，这意味着相同载波集合被同时用于下游(从fcu朝向cm)和上游(从cm朝向fcu)通信两者。因此，当与诸如针对docsis或xdsl技术部署的fdd或将来的g.fast部署所预想的时分双工(tdd)的传统技术相比时，聚合容量翻倍。如上所述，即使在全双工传输中，用户仍然被指派不同的且不重叠的载波集合。

fcu11包括将可用载波指派给相应cm的通信控制器12(或comctrl)。针对特定的通信方向，向特定用户指派载波。如将在说明书中进一步阐述的，对于相反的通信方向，将完全相同的载波指派给另一个用户。

全双工传输通常在从fstart到fend范围中的单频谱带上定义。带宽(fend-fstart)可以例如是1ghz。

根据本发明，并且如图2a所示，该可用频谱现在分为两部分：从fstart到fd1的低频带flow和从fd2到fend的高频带fhigh。由于相应的滤波器的滚降(roll-off)，在fd1和fd2之间是保护带101。因此，fd1和fd2之间的频率不被使用，因为它们不会被通过，这会导致适度的数据速率损失(如果网络中的一个或多个cm是全双工的，保护频带频率仍然可以被使用)。

在网络侧(fcu侧)，全部可用频谱同时在两个方向上使用。因此，fcu11容纳可能用回波消除滤波器和/或矢量处理器增强的混合电路，以将强发射信号与弱接收信号隔离。

此外，在用户侧(cm侧)，通信控制器12确保指派给每个cm的上游载波和下游载波不在同一频带flow或fhigh内。

在图2b中示出了cm侧的频谱占用，假设cm41至44连接到电缆装置。可以看到，每个频带flow和fhigh均用于ds传输和us传输两者，而指派给给定cm的ds载波和us载波位于不同的频带，并且可以借助适当的滤波器来容易地将彼此隔离，而不需要昂贵的混合电路。

例如，每个cm可以使用双工器(diplexer)和一些额外的开关电路和控制逻辑。

双工器是一种无源器件，其包括耦合到h端口的高通滤波器和耦合到l端口的低通滤波器。两个端口被复用到第三端口上，第三端口耦合到传输介质。在第一开关状态下，接收器输入连接到l端口(即，ds载波位于频带flow内)，而发射器输出连接到h端口(即，us载波位于频带fhigh内)。在第二开关状态下，接收器输入连接到h端口(即，ds载波位于频带fhigh内)，而发射器输出连接到l端口(即，us载波位于频带flow内)。

因此，每个cm能够具有相等或不对称的us频带和ds频带，以及频带flow和fhigh的全部容量作为上限。例如，如果频带flow和频带fhigh的容量均是5gb/s，则每个cm同时具有5gb/sus和5gb/sds的上限，而fcu可以同时运行高达10gb/sus和10gb/sds(在所有cm上聚合)。

通信控制器12考虑到cm各自的数据速率要求和服务等级，向每个cm传送用于ds通信和us通信的相应载波集合。每个cm然后能够得到其开关状态，也就是说发射器输出和接收器输入应当连接的双工器的h端口和l端口中的哪些。

最初，cm无法知道使用哪个通信方案，一些载波102和103在频带flow和fhigh中被保留以用于建立基本的双向通信信道。这些保留载波的位置对于fcu和cm两者均是初步已知的。例如，频率子带102可以被保留用于基本的us通信，而频率子带103可以被保留用于ds基本通信(反之亦然)。尽管已经在频带flow和fhigh的较低部分处绘制了频率子带，但它们可以位于这些频带内的任何固定位置。

基本通信信道尤其用于将ds载波和us载波的集合指派给相应的cm。在初始化时，给定的cm知道最初如何将其发射器的输出和接收器输入连接到双工器，以便与fcu建立该基本通信信道(包括一些竞争避免算法)。一旦已经通过基本通信信道接收到基本的配置数据，cm根据所配置的ds载波和us载波集合，将其发射器输出和接收器输入连接到双工器端口，并继续进行进一步的初始化步骤以在如此指派的载波上建立完全的双向通信路径。然后释放基本通信信道，用于另一个cm的初始化。

通信控制器12还可以考虑载波分配过程中各个cm之间的互干扰水平。实际上，如果cm具有有限的隔离，则来自一个cm的us发送信号泄漏到另一个cm的ds路径中。例如，接头到接头隔离只有20-25db。这一干扰信号将向来自fcu的直流ds信号添加功率，因为这两个信号不相关，由此可能会导致模拟前端的信号削波并降低有用的接收信号的相对功率。

为了减轻在接收器处的这种cm间干扰，高干扰cm的ds载波和us载波被放置在相同的频带中。例如，具有彼此之间相当低的隔离的cm41至44的ds载波被指派给频带flow，并且它们的us载波被指派给频带fhigh。通过这样做，位于频带fhigh内的例如cm42的us信号被例如仅监听频带flow的例如cm41的模拟前端滤除，因此不会损害cm41的直流ds信号的接收。其他cm(未示出)经由主同轴段52连接到其他接头(未示出)，并且因此具有与cm41至44良好的隔离(由于接头21的30db的返回路径损耗)，其将被指派用于ds通信的频带fhigh和用于us通信的频带flow，以便最高效地利用可用频谱。

此外，可以进一步应用一些巧妙的时分技术来减轻cm间的干扰，诸如以阿尔卡特朗讯为名在2014年4月25日提交的题为“通过共享传输介质的全双工通信”(“full-duplexcommunicationoverasharedtransmissionmedium”)、申请号14305610.9的欧洲专利申请中所描述的时分技术，其全部内容并入本文。

在图3中可以看到关于根据本发明的通信设备200的其他细节。

通信装置200包括：

-发射器210(或tx)，用于通过输出端211发送us信号；

-接收器220(或rx)，用于通过输入端221接收ds信号；

-耦合单元230，用于将发射器输出端211和接收器输入端221耦合到共享传输介质270；

-开关控制器240(或swctrl)；

-互通功能250(或iwf)；以及

-本地通信逻辑260(或lan)。

发射器210和接收器220耦合到互通功能250并且耦合到耦合单元230；开关控制器耦合到耦合单元210和接收器220两者。互配功能250进一步耦合到本地通信逻辑260。

耦合单元230包括用于传递在频带flow中存在的信号的第一低通滤波器231(或filt1)，用于传递在频带fhigh中存在的信号的第二高通滤波器232(或filt2)以及开关233(或sw)。

如图3所描绘，开关233包括两个协同的开关元件sw1和sw2，并且具有还被称为s1和s2的两个开关状态。开关元件sw1和sw2的主端分别连接到发射器输出端211和接收器输入端221。开关元件sw1和sw2中的每一个的两个从端分别连接到滤波器231和232。

在第一开关状态s1中，开关元件sw1和开关元件sw2两者均处于向上位置，这意味着发射器210的输出端211耦合到低通滤波器231，而接收器220的输入端221耦合到高通滤波器232。在第二开关状态s2中，开关元件sw1和sw2两者均处于向下位置，意味着发射器210的输出端211耦合到高通滤波器232，而输入端接收器220的221耦合到低通滤波器231。

交换控制器240基于经由共享传输介质270和接收器220从远程fcu接收的配置信息conf_info来选择正确的开关状态以实施。

低通滤波器231和高通滤波器232通常包括诸如电阻器、电容器或电感器的无源集总元件，并且可以是任何阶，通常为三、五或七阶。滤波器阶数越高，滤波器越昂贵和庞大，而保护频带101越小，并因此在共享介质270上的聚合吞吐量越高。

作为任何无源网络，它们是互易网络，这意味着无论在滤波器的哪一端处放置发生器和负载阻抗，滤波器的传递函数都不会改变，只要假定负载阻抗与发生器的阻抗相匹配，这通常作为发射器210的输出阻抗和接收器220的输入阻抗均被期望与传输介质270的特性阻抗相匹配以用于正确的操作的情况。对于完全对称的滤波器，甚至不需要这个设定。

如果滤波器231和232容纳诸如晶体管的一些有源组件，则它们不再是互易的，并且其两个端口被实例化为要耦合到发生器的输入端口和要耦合到负载阻抗的输出端口。因此，如果沿着发射路径使用滤波器，则需要一些额外的开关电路来将滤波器输入端口耦合到发射器输出端211并将滤波器输出端耦合到传输介质270；或者如果滤波器沿接收路径使用，则将滤波器输入端耦合到传输介质270并将滤波器输出端耦合到接收器输入端221。

发射器210和接收器220通常包括模拟部分和数字部分。

发射模拟部分包括数模转换器(dac)以及用于放大发射信号和用于驱动传输介质的线路驱动器。接收模拟部分包括用于以尽可能少的噪声来放大接收信号的低噪声放大器(lna)以及模数转换器(adc)。

一些其它模拟组件可以沿收发器200的发射模拟路径或接收模拟路径存在。

例如，收发器200还可以包括用于适配传输介质270的特性阻抗的阻抗匹配电路、或电涌(surge)保护电路、或隔离电路。通常，这些块的全部或部分形成滤波器设计的整体部分(例如，变压器的绕组可以用作滤波器中的电感器)。

又例如，收发器200还可以包括用于将信号上变频到频带fhigh/将信号从频带fhigh下变频的rf混频器。这样的rf混频器将被插入在滤波器232和开关233之间。

数字部分通常借助一个或多个数字信号处理器(dsp)实现，并且被配置为对下游通信信道和上游通信信道进行操作以用于在同轴介质上传送用户业务。

数字部分还被配置为对用于传输诸如诊断或管理命令和响应的控制业务的下游控制信道和上游控制信道进行操作。控制业务与用户业务在传输介质上复用。

数字部分还被配置为执行必要的初始化步骤，包括建立基本双向通信信道以取回基本配置数据，以及接下来，一旦根据ds载波指派和us载波指派执行了开关状态，则继续进行其他初始化步骤，以在如此指派的ds载波和us载波上建立完全双向通信信道，诸如信道分析和训练。

更具体地，数字部分用于将用户数据和控制数据编码和调制为数字数据符号，并且用于从数字数据符号中解调和解码用户数据和控制数据。

以下发送步骤通常在数字部分中执行：

-数据编码，如数据复用、成帧、加扰、纠错编码和交织；

-信号调制，包括以下步骤：根据载波排序表来对载波进行排序，根据经排序载波的比特加载来解析经编码的比特流，以及可能用网格编码来将每个比特块映射到适当的发射星座点(具有相应的载波幅度和相位)上；

-信号缩放；

-快速傅立叶逆变换(ifft)；

-循环前缀(cp)插入；以及可能的

-加时间窗。

以下接收步骤通常在数字部分中执行：

-cp去除，以及可能地加时间窗；

-快速傅立叶变换(fft)；

-频率均衡(feq)；

-信号解调和检测，包括以下步骤：向每个和每一个经均衡的频率采样应用适当的星座网格，其模式取决于相应的载波比特负载，可能用网格解码来检测预期的发射星座点以及由其编码的对应的发射二进制序列，并根据载波排序表来对所有经检测的比特块进行重新排序；以及

-数据解码，诸如数据解交织、纠错、去扰、帧界定和解复用。

取决于所使用的确切的数字通信技术，可以省略这些发送步骤或接收步骤中的一些，或者可以存在一些附加步骤。

接收器220将所解码的有效载荷数据提供给互通功能250用于进一步处理，并且围绕互通功能250的另一方式将有效载荷数据供应给发射器210，以进一步通过共享传输介质进行编码和传输。

互通功能250将发射器210和接收器220与本地通信逻辑260对接，并且通常包括一些速率适配和业务调度/优先级化逻辑。

本地通信逻辑260用于通过无线或有线局域网(lan)处理和适当地转发/路由来自/去往订户终端的本地业务。

即使本描述主要集中在具有两个频带(即低频带flow和高频带fhigh)的通信方案，但是每通信方向可以具有两个或更多个频带，这意味着耦合单元内的额外的带通滤波器和额外的开关电路，从而为cm带来更高的成本和增加的电路板空间。可以对来自这些滤波器的信号组合在一起，或者选择通过其已经为特定cm实际配置了载波的一个或多个滤波器。这些附加频段允许剪裁ds/us峰值数据速率中的更多的自由度。

此外，到目前为止，假定频带flow和fhigh是固定的。然而，可以想到可配置的拆分频率和可配置的滤波器。以这种方式，fcu可以将通信资源适配到确切的业务需求。所配置的拆分频率将在初始化时通过基本通信信道与经配置的ds和us载波集合一起发送。

此外，开关控制器已经被绘制为单独的单元，但也可以类似地形成cm的收发器单元的一部分。

最后，配置信息conf_info可以替代地包括应当在开关233内实施的开关状态的显式指示，或者从其可以得到开关233的开关状态的任何信息元素。

值得注意的是，术语“包括”不应被解释为仅限于此后列出的手段。因此，表达“包括部件a和部件b的设备”的范围不应限于仅由部件a和部件b组成的设备。这意味着对于本发明，设备的相关组件是a和b。

还要注意到，术语“耦合”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表达“耦合到设备b的设备a”的范围不应限于其中设备a的输出直接连接到设备b的输入的设备或系统，和/或反之。这意味着在a的输出和b的输入之间存在路径，和/或反之亦然，其可以是包括其他设备或部件的路径。

说明书和附图仅是说明本发明的原理。因此，应当理解，本领域技术人员将能够设计出尽管没有在本文中明确描述或示出的体现本发明的原理的各种配置。此外，本文所述的所有示例主要旨在仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和由发明人为促进本领域而贡献的概念，并且被解释为不具有对这些具体叙述的示例和条件的限制。此外，本文中陈述本发明的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例旨在涵盖其等同物。

附图中所示的各种元件的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件一起执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独的处理器(其中一些可以被共享)提供。此外，处理器不应被解释为专门指代能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列fpga)等。也可以包括诸如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、非易失性存储设备等常规和/或定制的其他硬件。