专利名称：用于信息传递和分布的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及广域信息分布以及高速数据通信，更具体地，涉及利用电磁载波信号的信息传递的一种方法及装置，为“最后一英里问题”提供了高容量且经济的解决方案。
背景技术：
这里所使用的以下术语具有各自的指定含义。
(a)CATV共天线电视。有线电视以及类似的宽带内容系统；(b)FDA全双工适配器，即，允许同时的双向信息流通过一传播介质的适配器；(c)全双工一种允许双向同时通信的操作类型；(d)半双工一种在设计可供双工操作的介质上的操作，但是由于终端设备的影响，在同一时刻只能在一个方向上操作；传输设备允许全双工操作，但是终端设备不允许同时的双向通信；(e)HDA半双工适配器，即，允许交替双向信息流通过一传播介质的适配器；(f)MBE多频带实现，即利用多于一个单频谱带宽的通道(通常实现为支持双向信息流的装置)；(g)PM传播介质。携带电磁波的信号在其上传播的物理介质；(h)PMA传播介质适配器，即，用于在不同传播介质之间进行转换的设备；(i)SBE单频带实现，仅利用一个单频谱带宽的通道(通常需要空间隔离以支持双向信息流)；和(j)单工一类允许信号在任一方向交替传输的操作。
对于到全球家庭和企业的快速、低等待时间以及高容量信息通信的日益增长的需求使得经济的信息分布与投递日益重要。由于互联网的广泛采用提高并加速了该需求，数百万广泛分布的终端用户对高速访问的需求也迅速增加。最初服务于此目的的现有系统和网络服务已经被证明不能满足目前需求的改变。到目前为止，虽然已经提出并实现了许多方法，但是对于这个问题还没有一个完全的解决方案。本发明探讨问题的本质，也就是我们所说的“最后一英里问题”，以及试图解决该问题的某些现有系统的特征和缺点。
根据信道信息容量的香农等式([C＝B*Log2(S/N+1)]，其中C是实施最优编码技术时的最大速率，单位是比特/秒，B代表带宽，单位是赫兹，S和N分别代表信号功率和噪声功率。)，即使有足够的可用带宽，信息系统中普遍存在的噪声也在信道中设置一最小信号功率需求。由于信号量是速率关于时间的积分，这个需求就会导致相应的每比特最小能量。因此，通过信道发送任何给定量的信息的问题可以看作发送足够多的携带信息的能量，这里缩写为“ICE”。因此为了检验现有的系统，ICE“管”或者“管道”的概念是非常有用的。
信息对于大量相距很远的终端用户的分布类似于许多其他资源的分布。一些熟悉的例子包括在全身大量的细胞中，包括静脉、动脉、毛细血管中的血液分布；由河流中流出的水经灌溉系统输送给庄稼；导流渠和分布水库，水管以及支流管，室内配线等等；营养经过树根，树干，树枝传送给树叶；洲际的高速公路网；以及大陆间的光纤。所有这些例子都有一个共同点，就是许多相对较小的管道，这些小管道将少量资源运载一段短距离到很大数量的物理上独立的终端。另外共同的地方是支持更大容量的管道，这些管道在大得多的距离上合并并运载许多独立部分。仅单独服务于一个或者一小部分的终端的较短、较小容量的管道可获得远远大于较大容量管道的联合长度。
这些系统中的高容量管道也往往都具有能够长距离有效传送资源的容量。只有一少部分传送的资源会浪费，丢失或者传往错误的方向。典型地，同样的情况通常不会发生在较低容量管道中。一个原因与规模的效果有关每一个位于更靠近端点或者终端用户的管道不具有一样多的支持它们的用户。而且，即使它们更小，每一个都具有“安装”开销以获得和保持资源流动的合适路径。支持较小管道的资金和资源往往直接来自当地。对于“小型政府模型”是很有优势的。即，对于这些管道的管理和资源由当地实体提供，因此可以被优化以得到在本地环境中的最佳解决方案并最好的利用当地资源。然而，与传输容量相比，较低的操作效率和相对较高的安装成本使得这些较小的管道基本成为整个分布系统中最昂贵和困难的部分。
这些特征已经在因特网的诞生、发展的积累中显现出来。最早的计算机间通信往往依靠单独的计算机之间的直接线路连接来实现。这些发展为小型局域网(LAN)群。由于将这些局域网中的一些(特别是涉及国防部门、工业以及选定的研究所中的公共工程)连接在一起的需要，诞生了TCP/IP协议组。ARPANET，美国国防部高级研究计划局建立的计算机网，是为了这些目的而产生的。除了为多个计算机和用户提供共享公共LAN间连接的方法之外，TCP/IP协议为不同的计算机以及操作系统提供了在网络间交换信息的标准方法。对于LAN之间连接的积累与支持可以扩展到一个甚至几个LAN，每增加一个新的LAN或子网，新子网的组件可以访问更大的网络。同时该新子网也同样可以被已联网的任何一个或多个网络所访问。因此发展成为互相包含或“双赢”的事件。当然，毫无疑问存在新连接的创建对于某些子网而非实际完成连接的子网更有益的情况，但是由于扩大规模所带来的经济上的节约以及可能由于受益人所给予的经济上的协助，还是作出连接。
一般而言，随着容量的增加，扩大规模带来的节约使较廉价的管道容量增加。每一条管道的创建都有开销。这个开销不会随在所用技术的可能范围内的容量增加而重复。随着因特网规模的不断发展，估计每18个月用户数量就翻一番，规模扩大带来的节约使得不断增大的信息管道提供了最远距离以及最大容量的“主干”连接。近些年，由支持工业资助的光纤电缆的容量已经得到了大量未开发的容量，使得美国现在已经存在大量“黑光纤”，即由于超过了当前需要而保持未用的已安装的光纤。实际上，已经过度建设了光纤容量，现在的问题是如何划算地从主交换机连接至终端用户。
尽管每一用户的数据速度和数据的整体数量都在不断增长，但是过剩的光纤主干容量仍然存在。最开始，仅有现存电话线和调制解调器使用的LAN间连接能够达到只有每秒几百比特的数据速率。现在几乎所有终端用户都享受一百或更多倍于那些速率的访问。但是尽管用户通信量有如此大的增加，高容量的主干网都可以满足要求；信息容量以及速率限制多数通常发生在用户处或附近。光纤技术的基础容量所带来的规模扩大引起的节约保证了足够的高容量管道，但是这些还是不能满足家庭用户的需求。最后一英里问题是要找到一个方案经济地为大量增长的终端用户服务以满足他们的信息需求。
在我们开始对现有的最后一英里信息投递机制的特性进行简要研究以前，进一步仔细调查什么使得信息管道有效率是很重要的。根据香农方程，带宽和信噪比(S/N)的结合决定了信息的信息速率。平均信息速率与时间的乘积得到总信息传递。对于噪声，这对应于一定量的传递的能量。因此，信息传递的节约可以根据ICE传递的节约来观察。
一些对于有效ICE传递很重要的因素直接来自香农等式。有效的最后一英里管道必须(1)投递信号功率S(即，它们必须具有足够的信号功率容量)；(2)具有低损失(很少转换为不可用的能量形式)；(3)支持大传送带宽；和(4)高信噪比投递。
另外，对于最后一英里问题的一个好的解决方案必须具有(1)足够的信号功率容量；(2)高实用性和可靠性；(3)低等待时间(与所需交互时间相比，等待时间必须小)；(4)高的每个用户容量，即由多个终端用户共享的管道必须提供相应的较高容量，以完全支持各个独立用户(这必须对于每一方向上的信息传递都成立)；和(5)可提供性——适当的容量必须经济。
现有的最后一英里投递系统有线系统(包括绝缘导轨)有线系统为ICE提供了定向管道。它们都有一定程度的屏蔽，限制了对于外部噪声源的敏感度。这些传输线具有与长度成比例的损失。如果没有一个额外的定期放大，则将有某最大长度，超过这个长度，所有这些系统将不能投递足够的信噪比以支持信息流。
局域网LAN传统的有线局域网系统需要在网络的节点间铺设铜同轴电缆或者双绞线。常见的系统以10Mbps操作，较新的系统支持高达100Mbps。在冲突的检测与躲避需求限制了最大长度的同时，这些线路中的信号损失和反射也设置了一个最大距离。单个用户可以利用的信息容量的减少粗略地与共享系统的用户数成比例。
电话-模拟对于现存电话线的调制解调器已经改进为性能接近香农限度。它们通常使用现存的电话线以及设备，但信息速率需求现在已经超过了大约56kbps的限制。
电话-ISDN，DSL，及派生标准近年来，已经对现有的铜电话线进行了改进，如果最大线路长度受到控制，它们的容量得以增加。这些数字机制支持更高的带宽并改进了调制，与原有的模拟系统相比较，容量增加了20-50倍。在美国，和CATV一起，这些系统为大量终端用户提供了宽带因特网连接。
CATV共用访问电缆电视系统，也简称为“电缆”，已经扩展为在现存的物理电缆提供双向通信。但是，根据它们的特点，它们是共享的系统，并且反相信息流的可用频谱和可实现的信噪比都是有限的。与最初的单向(TV)通信的情况相同，电缆损失通过系统内放大器的周期性放置而减小。这些因素设置了每个用户信息容量的上限，特别是当很多用户共享电缆的公用部分时。
光纤由于其信息携带能力，光纤是非常优秀的介质，但是它具有主要安装在大管道级别的缺点；至今，光纤没有被大多数个人终端用户安装和接受。光纤电缆通常铺设在地下管道中，大多数的终端用户无法负担其相对昂贵的安装费用。如果这种情况不能得到改善，就必须使用其他介质来经济地解决最后一英里问题。
无线投递系统和有线投递系统相比，无线系统使用非定向波来传输ICE。它们都是无屏蔽的，并且对于不需要的信号和噪声源具有一定程度的敏感度。由于它们的波没有定向，在自由空间中这些系统具有与长度的平方成反比的衰减。这就意味着与有线系统相比，损失随长度增加而增加得慢。在自由空间环境下，在一定长度之外，无线系统中的损失比有线系统中的少。但是实际中，由于大气及大气干扰的存在，特别是地形，建筑物，植被等引起的阻碍，可以将该损失在自由空间值之上显著增加。这些波的反射，折射和散射也改变了它们的传输特性，并且需要特定的系统来调节并校正随之而来的失真。
在最后一英里应用中，无线系统与有线系统相比，其优势在于不需要安装物理线路。但是，它们的非定向性质使得它们更容易受到不希望的噪声及信号的影响，所以它们也具有缺点。因此频谱的重复使用受到限制。
光波无论是可见光还是红外线的波长都要远远小于射频波的波长。正是基于这个原因，相对于无线电波，它们可以通过更小的透镜/天线来会聚或者校准至更高的水平。在自由空间中，接收设备可以恢复更大部分的已传送的信号。而且由于高频的原因，大量的信息带宽可以被利用。但是在实际的最后一英里环境下，随诸如雾和雨等大气环境的吸收一起发生的这些电波的阻碍和偏移，特别是在较长的路径上，很大程度上限制了它们在最后一英里无线通信中的有效性。
无线电波射频(RF)，属于微波区域中的低频，其波长远远长于光波的波长。尽管这些装置不能像光学仪器集中光波那样很好的集中电波，但这也意味着即使最简单的全向天线的孔径或“捕获区域”都比任何可实现的光学系统中的透镜的大得多。这个特性导致显著减少“路径损失”。实际上使用路径损失这个术语不是很恰当，这是由于在自由空间路径中实际上没有损失能量。随着频率增加，传输中表现的减少实际上是给定天线的孔径减少的伪像。
关于最后一英里问题，当考虑全向或扇面传输时，这些较长的波长比光波具有优势。无线电天线的更大的孔径对于给定的路径长度得到大得多的信号电平以及由此得到的更高的信息携带能力。另一方面，一旦达到信噪比的实际限制，较低的载波频率将不能支持香农等式所需的高信息带宽。
根据前述原因，无线电系统对于较长路径上的较低信息容量的广播通信有很大的优势，而无线光波系统对于高信息容量点对点的短范围通信是非常有用的。
单路(广播)无线电与电视通信从传统的观点看，大多数的高信息容量广播使用较低的频率，通常不高于UHF电视范围，电视本身就是一个例子。由于前面提到的与增加的路径损失相关的问题，大陆电视通常限制在高于50MHz(这里有足够的信息带宽是可用的)低于1000MHz的范围内。
两路无线通信两路通信系统主要限于较低信息容量的应用，比如音频，传真或者无线电发报机。极大程度上，诸如两路视频通信或者大陆微波电话以及数据中继线这样的较高容量系统被限制在UHF或微波的点对点路径中。近来诸如第三代3G蜂窝电话系统这样的更高容量系统为保证在典型的环境中的通信(其中的路径损失远远高于自由空间中的，并且也需要由用户全向访问)，需要相互靠近的小区基站的大规模基础设施。
卫星通信为了向终端用户投递信息，卫星系统，即使是近地卫星也有相对长的路径长度。卫星系统的研发和实现成本是非常昂贵的，每一颗卫星都要服务于很多的用户。而且，由于地球同步卫星的长路径所带来的信息等待时间使得许多实时应用不可行。因此，卫星系统作为最后一英里问题的解决方法具有应用上的限制。例如，必须是广播的形式，并且它们传输的ICE必须在相对较大的地理区域内传播。这使得接收的信号的品质差，除非使用非常大的定向地面天线。在卫星接受中也存在着相同的问题。在这种情况，卫星系统必须拥有极大的信息容量以适应大量的共享用户，并且每个用户必须有一个大的天线尺寸以及附带的方向性及指向性需求以获得更适度的信息输率传递。这些需求导致高信息容量、双向卫星信息系统作为对于最后一英里的解决方案是不经济的。这是铱星系统失败的原因。
广播相比点对点对于地面和卫星系统，经济、高容量、最后一英里的通信都需要点对点的传输系统(参见Elmore，Glenn，PhysicalLayer Considerations in Building an Amateur Radio Network，Proceedingsof the American Radio Relay League Computer Networking Conference，1988，这里将其作为参考而整体合并)。除了非常小的地理区域以外，广播系统只能以低频投递大量信噪比，在低频处频谱不足以支持大量用户。尽管可以实现区域的完全“泛搜索”，但这些系统具有根本上的缺陷，即多数广播的ICE永远不会达到用户并因此被浪费。随着信息需求的增长，足够小以向和从相对少的本地用户提供足够的信息分布的广播“无线网格”系统(有时候也被称作单元或微单元)需要有限的大量广播位置或“接入点”以及大量超额容量，以弥补损失的能量。
以前为终端用户提供高速高容量信息服务的尝试都不能满足需求。全世界数百万的家庭及商务用户希望能高速访问互联网以满足日益增长的需求应用。包括数字和模拟在内的其他应用和服务也需要更快的大范围终端用户访问，以得到更充分地开发和利用。在世界范围根据要求向家庭和办公室提供音频和视频的服务的供应由于缺乏向和来自潜在客户的高速信息路径而受到阻碍。
大多数早期的分布信息的尝试或者是应用特定的或者尝试对于新的用途重新使用已有的基础设施。一些较新的基础设施，如CATV系统，在一个方向提供了很大的信息容量，并且需要一个巨大且昂贵的分布网络。最早是使用已有的电话网络尝试家庭和小型企业的因特网访问。由于达到了这种以前只是模拟的硬件的容量限度，所以各种数字用户线(DSL)解决方案应运而生，它们仍旧应有已有的电话线。同样的，CATV网应用电缆调制解调器来尝试更好地解决信息分布问题。尽管这些系统的单路、每用户容量比传统的电话系统(称为POTS)大，但它们最开始并非为高速、高容量双路信息流而设计的，也没有为每个终端用户提供专用、唯一的信息管道。在这点上，基于卫星的系统与CATV系统有类似的局限。它们必须被很多订户和用户共享，这在服务于大量用户时大大限制了每个用户的信息速率和容量。
所有早期的尝试都没有足够的能力以经济的方式，以宽的双向带宽及高信噪比的形式，为终端用户提供大的双向信息容量。
综上所述，对于最后一英里问题仍然没有解决方法。还没有证明现有系统是使用现有的有线或无线技术提供足够的信息容量以满足当前用户需求的有效且经济的ICE传递。
发明内容
本发明的用于信息传递与分布的方法和设备的特征为信息通道。本发明的一个目的是提供一信息通道，该信息通道包括一个系统，该系统结合了用于双向地集中或引导在可能的多种传播介质(包括自由空间或无线、表面波以及电缆或有线传输线)上传播的电磁波的频谱或带宽的方法和设备。这个信息通道包括在这些介质之内或紧邻这些介质的区域，其中不属于信息通道组件的信息设备可以实现对于另一信息设备的电磁访问。信息通道是一个线性系统，对于可能的多种不同信号调制及解调类型(其在用于透明地允许通信时可以同时支持的类型)保证足够的信噪比和低失真。这里用到的“透明的”和“透明地”指从终端用户的角度看，与另一终端用户的通信中的障碍已经被消除。
扩频技术可以在信息通道内使用，以减少传播介质失真和缺损，并控制访问以及提供用于保护通道内的信息及获得收入的装置。一个信息通道可以包括提供对于它使用的信息设备的全双工或半双工访问的适配器。
本发明的信息通道是用于提高对于终端用户的第一层信息容量的一种具体实现且经验证的途径。它允许以很大的信噪比独立于调制和协议地在若干可用传播介质的任一组合上，双向地传输大部分频谱。这个通道的信息容量小于光纤的信息容量，但是比现有的无线、电缆或者电话线途径要大得多。同样，它也为最后一英里问题提供了有效的解决方案。
发明内容和具体实施方式
描述了创建一“信息通道”的设备、系统及其排列。这样一个通道或者包含一个单独的传播介质(PM)(一个例子见图1)，或者包含两个或者多个这种PM部分的级联(其中每个PM通过两个或多个传播介质适配器(PMA)被访问，每一个PMA都将能量耦合至PM和/或从PM耦合能量)。一个多部分的例子见图2。除了级联以外，多个部分可以在一个单独的接合点或节点被结合起来。通过在电磁频谱的一个或多个邻近带宽(下面称为带宽)内传播电磁能量、在PMA之间支持该带宽中的实际信噪比，一个部分提高了沿其自身和/或在其端点之间的信息传递。一些通道可能只支持半双工信息传递，但是优选实施例支持同时的多向信息传递。
如图1所示，在类型相同或者类型不同的PM中工作的相邻PMA之间放置提供放大和/或滤波的附加设备(以后称为AMP)，用来建立带宽，并在整个通道上维持足够的信噪比。
多带宽实现(MBE)可以包括附加的全双工适配器设备(FDA)。MBE使得多带宽可以用于获得定向分离并且提供在PM上的同时多向信息传递。不需要同时双向通信的多带宽实现可以包括附加的半双工适配器设备(HDA)。不使用MBE及仅利用一个单独带宽的实现称为单带实现(SBE)。在MBE或SBE中都可以有附加的扩频电路，来提供扩频(SS)调制及解调，以减少在PM中可能存在的诸如多路径、反射或者其他瑕疵这样的窄频域传播缺陷。SS还可以用来控制用户对通道的访问，以提供安全性，以及作为一个从通道用户获得收益的装置。
信息通道被配置为通过充分增加无线设备间电磁信道的信息容量，提高用户的无线设备(例如射频和微波通信设备)之间的信息传递，这些装置位于通道沿线或者在通道内部的物理上独立的位置。无线设备可以包括但不限于无线网络适配器，个人数字助理，计算机，视频及音频通信系统，安全设备和“智能装置”以及如蓝牙设备这样的系统。无线设备可以混合数字和/或模拟调制技术。
本发明的信息通道提供一些补充的技术，它们可以独立或协同工作。本发明的信息通道可以提供多种电信服务的同步支持，包括因特网802.11x、GMS、警务部门无线电通信、交通监控、红绿灯控制等等。它以真正的“最后一英里”解决方案增加了到邻域的光纤，使光纤可以停止在更粗略的电平并经济地分布大量信息。它适用于移动服务、电话、因特网访问以及乡村道路或者村落的紧急通信服务。它将现有的较短范围系统扩展为包括多建筑物和校园范围环境(例如蓝牙、802.11x等等)。它改进了重要区域的通道中的通信(现在的解决方案是专用的并且是服务/协议特定的)。最后，它改进了在山区与中央无线电发射塔保持通信存在问题的紧急通信，对于这种应用，它可以基于需求配置。
本发明的信息通道会对现有的设施(包括电力线，路灯和电线杆以及小区基站)产生影响，提供比现有电力线通信(PLC)技术更大的容量，同时它以更低的成本实现。尽管它实现了包含射频和微波频谱中的任一部分的容量，但是它对于所有信息携带服务使用的是目前已分配并被授权的国内和国际频率。因此，它对于将光缆引至路边和家庭的问题提供了暂时但可能是永久的、经济上占优的解决方案。
本发明的信息通道还对于带宽过多定购的问题提供了经济的解决方案，这些问题包括xDSL因特网接入，过多定购的轨道卫星通信服务，以及在后向或前向数据通路高度共享的通过有线服务接口标准的数据(DOCSIS)。
更进一步，本发明的数据通道相对已有的协议特定的解决方案可以有更大的吞吐量。它不需要信息内容的存储和转发，而且没有存储延迟。它不需要信息的解调/重新调制。它也没有隐藏的传输问题。最后，它可以结合扩频技术来减小信道失真，并且提供用于将通道的使用限制于预定的(比如付费的)客户基础的装置。
图1是本发明的信息通道的部分的示意图，其在通道的每一端具有一PMA连接至其它PMA，其间可以具有或不具有介于其间的AMP、HAD/FDA或SS电路；图2是本发明的信息通道的实施例的框图，包含三个不同的PM以及AMP及双向适配器功能；图3是信息通道的示意图，其具有不同类型的PM、轻或“重”的耦合；图4是两个相互连接的自由空间PM的具体示意图；图5是可能的AMP和FDA模块的具体示意图；图6是单线PMA、AMP、双波段FDA和SS的具体示意图；图7是具有对于不同类型服务的网关的信息通道的示意图；图8是在物理层合并以形成一个单独的较大通道的分离信息通道的示意图，以及一些网关设备；图9是信息通道的示意图，该信息通道实现为向运动竞赛的观众分布高容量信息服务，诸如视频流、音频流、互联网接入、按需“即时重放”、电话等；图10是信息通道的示意图，该信息通道实现为移动用户分布服务并在隧道中或者其他封闭空间提供覆盖；图11是在城市办公环境间分布信息服务的信息通道的示意图；和图12是为乡村地区的用户分布传统的“最后一英里”信息服务的信息通道的示意图。
具体实施例方式
图1显示了本发明的信息通道的部分10。PMA 12、14包括在每一末端处，并且每一个都可以连接至其它PMA，其间具有或者没有介于其间的AMP、HDA/FDA或SS电路。还显示了轻度耦合的PMA 16，它使得无线设备可以访问在中间点处的PM 18。因为耦合轻，所以操作有可能几乎或完全没有形式为显著增加的反射或其它传输缺陷的“直通运输”的破坏。由终端用户无线设备20访问的中间PMA 16可以根据需要包括介于其间的AMP、HDA或FDA电路22。因为通信是双向的，所以入站频谱24、26和出站频谱28、30在线性系统的每一端处被区分。AMP 32和FDA、SS电路34也可以根据系统需要而放置。
图2是包括三个不同的PM/PMA部分42、44和46的样本信息通道40的框图，其在它们各自的PM的每一端包括PM48、50、52和PMA 54/56、58/60以及62/64。该通道包括在每一通道部分之间的AMP和双工适配器64、66。SS功能也可以包括在这里。用户无线设备68、70、72在不同位置交叉，两个终端无线设备68、70根据需要具有介于其间的AMP、HDA或FDA设备74、76。可以根据需要提供通过轻度耦合的PMA 78和AMP、HDA或FDA 80或它们的组合访问PM 50的中间无线设备72。
图3是一信息通道的示意图，其包括几种不同类型的PM，包括电缆/光纤PM 90、单线PM 92和自由空间PM 94。还显示了轻度PMA耦合96、重PMA耦合98、具有位于PMA和终端用户之间的FDA电路99的PMA、具有位于PMA和终端用户之间的HDA电路99a的PMA、具有FDA和HDA 99b的PMA、具有FDA、HDA和AMP电路99c的PMA、电缆光纤PM旁路99d、以及地形100和例如树木102这样的物理元素，如果没有通道其将大大限制信息通信和分布。
图4是显示两个互连的自由空间PM 110、112的一些细节的示意图。这个视图还显示了PMA包括双工滤波电路111、AMP 114以及具有互连118的FDA及SS电路116。
图5是显示位于终端用户和PMA之间的可能的AMP 120以及FDA模块122的细节的示意图。AMP带通滤波器124、126与FDA带通滤波器128、130一起定义并建立了工作频带。放大器132、134、136和138维持入站信息中的高信噪比并建立足够的出站信息能量以维持通道内足够的信息容量。
FDA模块描述了相关及同步的上/下频率转换电路140、频率参考导频发生及SS发生电路142、频率参考导频及SS恢复电路144。尽管显示了主和从子电路，但实际上在给定的FDA中一次只有一个处于工作中。
图6是显示单线PMA 160、AMP、双频带FDA和SS的细节的示意图。还显示了工作电源耦合162和PS电路164。图中，激励加在单线的传输线扼流圈(RF扼流圈组件)166上。这个扼流圈防止了ICE流至图的左部并使得两个频带中的所有ICE通过激励耦合至右侧的单线。它可以实现为具有或不具有金属接触。可以在整个组件中形成有径向槽以方便地连接至现有电力线。
图7是具有用于不同类型服务的网关172、174的信息通道170的示意图。
图8是分离的信息通道180、182、184、186的示意图，它们在物理层网关188处暂时融合在一起以形成单个较大的通道，还显示了一些示例性的网关设备190。
图9显示了在运动竞赛实施的信息通道200，用于向观众提供高容量信息服务，诸如音频流、视频流、因特网访问、按需“即时重放”、电话等。显示的通道被构造为环202、入站频谱204来自用户的左侧，出站频谱206继续到右侧。通过使用多个双工适配器208、210、212，并且任一单独适配器的共享程度限制在用户选定的座位，可以经济地实施服务。在这种排列中，若干用户有可能共享一FDA或者甚至一HDA。共享一HDA具有这样的效果无论何时只要单个用户发送出站信息就中断所有来自其它共享用户的进入信息。因此，除了设备的经济问题，FDA是优选的适配器。这里可以使用两个轻度耦合的分离的或一个双工PMA，一个将来自PM的入站频谱耦合至左侧，另一个将到PM的出站频谱耦合至右侧。
图10显示了用于向移动用户222分布服务的信息通道220。除了允许向及来自开放路面上移动的用户的高容量信息流之外，这种安排还可以提供在隧道224以及其它封闭、屏蔽或隐蔽空间中并贯穿其始终的覆盖。
图11显示了信息通道，其在城市办公环境中分布信息服务并且包括沿高速经过的通路的通道部分。
可以安排该通道部分以在一个建筑物的多层楼之间以及不同建筑物或校园之间提供信息交换。
图12是信息通道240的示意图，其通过使用现有电力线244和无线246部分将现有的“最后一英里”信息服务分布给乡区用户242，以克服由于地形和植物而引起的增加的衰减。由于这种系统的高容量，有可能提供包括模拟和数字广播电视、电影以及为了教育或健康及安全目的的双路电视通信在内的随选视频服务。
实施方式的灵活性是信息通道的关键特征，并且一个优选实施例不是对于所有环境都是最佳的。事实上，正是实施例的这种适于特定的本地条件及选择的能力使得能够得到信息通道的充分的益处。优选实施例的PM类型的选择以及其它细节将由给定场所的地形、已有PM、资源、经济或其它因素决定。下面的例子用于说明一个这样的优选实施例的关键组成。
优选实施例图3显示了本发明的优选MBE的例子。图3显示了三个不同类型PM类型的级联自由空间、表面波和有线。还显示了用于这些不同PM的PMA。显示了轻度耦合的PMA的两个例子，一个在自由空间PM中，另一个在表面波PM中。表面波PMA可以根据专利号为4,743,916的美国专利(这里将其整体包含作为参考)中的描述而实现。
自由空间PM这种类型的PM中的能量以现有的无线电波经由自由空间传播。这种类型中的PMA是向和从“以太”耦合ICE的频谱的天线。为了最佳的性能，这种类型的多个PM被排列为对于每一PMA位置的至少0.6菲涅耳区的完全瞄准线(下面简称为LOS)。AMP电路放置在中央天线之间，如图4所示。这使得访问公共PM的天线之间的路径损失恢复至大约为自由空间损失值。选择每一天线以与它访问的所有空间区域的足够照明相一致的最大方向。图4描述了互连的自由空间PM。
对于该PM的AMP和FDA是使用现有技术由现有组件设计并构造的。这里使用集成电路和表面安装技术。较高的电路集成度更好。
也可以用将自由空间用作通道一部分的信道上有源中继器(OCAR)。例如，一个将AMP电路而不是FDA电路用作SBE的OCAR。对于这样的没有频域隔离的OCAR，必须在天线之间提供空间隔离以允许合适的AMP电路操作并避免振荡。通常需要超过AMP增益至少10dB的隔离。天线的方向性和现有物理屏蔽的正确使用对于减少得到足够隔离所需的物理距离量很有用。
表面波(单线)PM这种类型的PM中的能量经由表面波传输线传播，表面波传输线也称为“Goubau线”或“G-线”，这里称为“单线”。这种情况中的PMA是能够将现有的均衡、同轴或波导的传输线耦合至单线的PM中的表面波传播模式的特殊激励。当与HDA或FDA联合使用时，如图5所示，PMA提供双频带操作以及单线上的同时双向信息传递。优选实施例将PMA与AMP、FIL、PMA、SS、FDA和电源(PS)电路集成，这些电路允许从单线中流过的低频电流中提取工作功率，其中单线是现有电力网的一部分。这使得自包含的操作和整个组件可以“浮”在高压线电势处。图6显示了连接至单线的一个PMA以及相关电路的例子。
有线(包括同轴和光纤电缆)PM这种类型的PM中的能量经由标准RF和微波传输线，或者由RF或微波能量的调制传播至光载波上，光载波作为具有光纤传输线的PMA而工作。在标准传输线的情况下，PMA是连接器或适配器并且与SBE的AMP、FIL和/或MBE的FDA联合使用。在光纤PM的情况下，PMA包括光电转换器以及AMP、SBE的FIL和/或MBE的FDA。
构造传播介质自由空间自由空间PM的构造包括选择地理天线位置，其提供了访问公共PM的PMA(天线)之间的基本自由空间路径损失。为了得到最佳性能，将PM放置为具有对于每一访问天线的位置的至少.6菲涅耳区的完全LOS。单束天线有时可以同时访问不止一个PM，但是多个束状天线对于ICE的浪费少，是优选的。
单线单线PM最好使用单缆芯线或屏蔽电缆构造，单缆芯线或屏蔽电缆以保持整条线以及线的几个波长内的区域完全不接触任一介于其间的障碍物或被其妨碍的方式最佳悬吊。这种障碍物通常是树木、灌木以及平行或交叉的线路或电线。现有的电力网是很好的备选方案。导线可以是绝缘的或非绝缘的。使用导线和PMA之间的直接金属接触，除非使用开放短线传输线短接方法。图6中显示了简单的短接传输线扼流圈连接至单线。通过包含一径向槽，PMA可以容易地安装在现有线路上。
有线传播介质优选PM最好由现有RF或微波传输线构造。线路应当具有足够的带宽和足够低的损耗以维持PMA之间足够的信息容量。具有未用容量的现有传输线(诸如CATV电缆)的使用可以通过PMA(包括双工器或类似的频率选择电路)的使用而实现。
构造传播介质适配器通常，PMA是将一种类型的PM中的能量传播耦合至另一种类型的PM中的传播的适配器。下面是一些常见的实施例。
自由空间自由空间PMA是通常将现有的传输线或连接器类型向和从自由空间无线电频谱或“以太”适应的天线。也可以使用自由空间到单线PMA。优选实施例使用的天线具有高孔径效率以及与被访问的一个或多个PM的足够照明一致的尽可能的方向性。当仅访问通道的一个单独部分时，更多的方向性和增益是有可能的。这是我们所期望的，因为它增加了给定的PM的信息容量或者允许了更长PM的使用。
当一个单独的自由空间PMA为位于不同方位和高度的通道部分服务时，希望使用更复杂的束状阵列。
单线单线PMA(以后称为LAUNCH)是将现有传输线、波导或连接器类型向和从导线上流经的表面波耦合的适配器。LAUNCH被设计为在SBE的整个频带或MBE的不止一个频带上有效操作。图6显示了MBE的LAUNCH的一个例子。
有线有线PMA通常是传输线连接器，允许在现有RF或微波传输线或波导的优选模式中流经的能量在不同类型的现有传输线或波导中流动。对于MBE，应当包括频率选择电路，诸如双工器。
放大器可以使用现有的放大器和滤波电路。对于电路的需要包括良好的线性度、可靠的低噪声特性、以及足够的输出功率与高动态范围。可以提供自动增益控制电路(AGC)以保持操作在线性范围内，以在避免对其它系统的不必要的干扰的同时提供良好性能，以调节系统变量，并用来遵从规则。优选地使用具有环形带宽的快冲击、慢衰减的AGC系统，其比支持的有线设备的最低信号速率低。
频率选择滤波器应当设计为具有低振幅并且在支持的期望频谱上有组延迟波纹。在某些情况可以增加陷波滤波器和其它专用功能部件，以减少当一个用户的传输明显强于其它用户的传输时可能发生的远近问题，否则将可能导致AGC电路减小系统增益，但是通常这种调整应当由通道外部的协议和硬件完成。
全双工适配器图5显示了优选的双频带FDA模块框图。这个FDA包括同步频率转换电路140，以允许选定的带宽的双向传递同时避免任何频率偏移误差。它还包括SS调制及解调电路。使用多于两个频带的FDA也是可能的。
FDA用于两种或多种类型的兼容组。当仅有两个频带用于全双工时使用两种类型。一个FDA被看作“主”，因为它建立了频率转换的频率参考以及正在使用的SS调制的参考。另一种类型被看作“从”并将其自身与主的参考同步，从而建立完全的同步操作。这样，从无线设备的角度来看，频率转换和SS操作是不可见的。
半双工适配器HDA类似于FDA，只是不支持同时双向操作。消除这个支持可以对于许多应用减少复杂度以及构造成本。
发明的操作用户交叉并使用PM处的信息通道而不是使用MBE可以直接使用通道。即，它们简单地将它们的无线信息设备耦合至该通道，这通常是通过一个或多个无线设备天线实现的。在一些情况中，可以期望无线设备和附加天线之间的定向天线或特殊耦合设备提供足够的耦合或放大。然后无线设备被正常操作。因为无线设备以与没有信息通道时相同的方式连接至频谱，所有协议、冲突检测及避免、误差校正、调制类型及格式继续正常操作。由通道提供的提高的容量透明地使得设备及其应用具有更大的通信范围和更好的质量。
用户在需要HDA或FDA的PM处交叉并使用信息通道必须自己通过兼容的双工适配器连接通道。在这种排列中，对于信息通道的操作者有一个优势就是，可以控制访问并且可以为客户使用付费。用户可以通过小型耦合设备耦合至FDA，该小型耦合设备包括在HDA或FDA中或者具有无线设备自己的天线。
信息通道的系统为了将经济和服务最大化，通常选择给定信息通道内的总区域，使得通道的总信息容量等于或超过它服务的所有用户、设备和应用的信息需求。然后由协议特定且不是通道一部分的网关或网桥设备添加到通道和其它信息通路(包括其它通道)之间，并用于将只希望接到本地目的地的信息限制在给定通道内，以防止该信息的传播超过规定的限制。这些协议特定的设备包括电路形式的物理层协议特征，用于在通道的支持频谱内信息的调制和解调，并且还可以具有较高层特性的机制，诸如可以用于根据需要确定并引导信息流的现有TCP/IP交换机和路由器。IEEE802.11无线网关是一个这样的设备的例子。图7显示了具有用于不同类型服务的网关的通道的一个例子。
对于通道大小和流入及流出通道的信息的控制的需要与对于TCP/IP网络内的子网的需要类似，并且用于同样的原因即，为了最大化性能及经济同时最小化拥挤。由于这个原因，信息通道可能被“划分成子网”，使得可以得到对于本地用户和应用的最佳功能及经济节约。
因为信息需求可能随时间变化并且可能偶尔随时间从一个地点移动到另一地点，所以有需要两个或多个分离通道在物理层暂时融合以形成一个单独的较大通道的情况。在这些情况中，可以使用将整个通道与另一通道相连的物理层网关。图8显示了一个例子，示意性地说明了高尔夫球场的布局。在这种地点，有许多新闻记者、电视相机和观众需要通过多种服务(电视、因特网访问、双向模拟电视通信链路等)获得大信息容量。必须支持多种协议特定的应用和无线设备。由于大量现场相机沿非常大的高尔夫球场的长度散布，应当安排若干被划分成子网的信息通道。以这种方式，当比赛进行并且活动的焦点随人群在洞之间移动时，可以选择性地联合并移除独立的通道，以形成较大的单独通道，从而跟上总信息需求。然后可以调节对于多种服务的双向通信及信息流，同时维持通信基础设施的经济节约。
尽管附图中已经显示了本发明，并且上面结合当前认为是本发明的最可行的优选实施例具体详细地充分介绍了本发明，但是对于本领域一般技术人员可以看出，在不脱离这里提出的原理和概念的前提下，可以作出许多改动，包括但不限于大小、材料、形状、形式、功能及操作方式、组合及使用的改变。
因此，本发明的适当范围仅应当由所附权利要求的最宽解释确定，从而涵盖所有这样的改动以及附图和说明书所描述的关系的所有等同物。
权利要求
1.一种用于对被引导或会聚的携带信息的电磁信号的频谱进行双向传送的装置，至少包括第一入站及出站频谱以及第二入站及出站频谱用于终端用户间的分布，终端用户至少包括第一和第二终端用户，所述装置包括至少一个传播介质(“PM”)；和耦合至所述传播介质的第一及第二传播介质适配器(“PMA”)。
2.如权利要求1的装置，其中所述装置是线性的。
3.如权利要求2的装置，其中所述PM是内部PM并且所述装置至少包括一个轻度耦合至所述内部PM的PMA。
4.如权利要求1的装置，还包括位于所述第二传播介质适配器和所述第一终端用户之间的放大电路。
5.如权利要求1的装置，还包括位于所述第二传播介质适配器和第一终端用户之间的滤波电路。
6.如权利要求1的装置，还包括位于所述第二传播介质适配器和第一终端用户之间的半双工适配器。
7.如权利要求1的装置，还包括位于所述第二传播介质适配器和所述第一终端用户之间的全双工适配器。
8.如权利要求1的装置，还包括位于所述第二传播介质适配器和所述第一终端用户之间的扩频调制及解调电路。
9.如权利要求1的装置，其中所述传播介质是从由同轴电缆、绝缘波导、导电波导、表面波传输线以及自由空间构成的组中选择的。
10.如权利要求1的装置，其中所述耦合包括直接金属接触。
11.如权利要求1的装置，其中所述耦合包括非金属接触。
12.如权利要求1的装置，其中所述第一传播介质适配器是从由天线、表面波发射器、波导连接器、同轴电缆连接器和光电转换器构成的组中选择的。
13.如权利要求1的装置，其中所述第一和第二入站频谱包括波长在10米和1分米之间的电磁辐射。
14.用于电磁信号的频谱在介质上的双向传输的方法，所述方法包括步骤提供传播介质；将第一和第二传播介质适配器耦合至所述传播介质；通过所述传播介质将第一入站频谱投递至所述第一传播介质适配器以及所述第二传播介质适配器；以及将来自所述第二传播介质适配器的第一出站频谱投递至第一终端用户。
15.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法还包括步骤通过所述传播介质将第二入站频谱投递至所述第二传播介质适配器以及所述第一传播介质适配器；以及将第二出站频谱从所述第一传播介质适配器投递至第二终端用户。
16.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法还包括步骤在传播介质适配器和终端用户之间放置至少一个放大电路。
17.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法还包括步骤在传播介质适配器和终端用户之间放置滤波电路。
18.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法还包括步骤在传播介质适配器和终端用户之间放置半双工适配器电路。
19.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法还包括步骤在传播介质适配器和终端用户之间放置全双工适配器电路。
20.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法还包括步骤在传播介质适配器和终端用户之间放置扩频调制及解调电路。
21.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法，其中所述传播介质是从由同轴电缆、绝缘波导、导电波导、表面波传输线以及自由空间构成的组中选择的。
22.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法，其中所述传播介质适配器是从由天线、表面波发射器、波导连接器、同轴电缆连接器和光电转换器构成的组中选择的。
23.如权利要求14的电磁信号的双向传输的方法，其中所述第一和第二入站频谱包括波长在10米和1分米之间的电磁辐射。
24.一种用于被会聚或引导的电磁信号的频谱在终端用户之间的透明、同时及双向传送的方法，包括步骤提供至少一个适合期望的使用环境的传播介质(PM)，所述PM是从由绝缘波导、导电波导、同轴传输线、表面波传输线以及自由空间构成的组中选择的；至少提供第一和第二传播介质适配器(PMA)，用于在所述PM和所述终端用户之间将至少一个PMA耦合至所述PM，所述PMA是从由天线、表面波发射器、波导连接器、同轴连接器和光电转换器构成的组中选择的；通过所述传播介质将第一入站频谱投递至所述第一传播介质适配器以及所述第二传播介质适配器；将第一出站频谱从所述第二传播介质适配器投递至第一终端用户；通过所述传播介质将第二入站频谱投递至所述第二传播介质适配器以及所述第一传播介质适配器；以及将第二出站频谱从所述第一传播介质适配器投递至第二终端用户。
25.如权利要求25的方法，还包括在每一终端用户和每一PMA之间放置一双工适配器电路的步骤，所述双工适配器电路是从由半双工适配器和全双工适配器构成的组中选择的，所述双工适配器电路包括从由频率转换电路、放大电路、滤波电路、扩频电路、入站/出站切换电路和同步电路构成的组中选择的至少一个电路。
26.如权利要求26的方法，其中所述双工适配器中至少一个包括一扩频电路。
27.如权利要求26的方法，其中所述双工适配器中至少一个包括一个同步电路。
28.如权利要求26的方法，其中所述双工适配器中至少一个包括一滤波电路。
29.如权利要求26的方法，其中所述双工适配器中至少一个包括一放大电路。
30.如权利要求26的方法，其中所述双工适配器中至少一个是HDA并至少包括一个入站/出站切换电路。
31.一种用于被会聚和/或引导的电磁信号的频谱在终端用户之间的透明、同时及双向传送的装置，终端用户至少包括第一和第二终端用户，所述装置包括至少一个电子元件的功能组，如果存在其它功能组，则每一所述组与至少一个其它功能组电磁通信，每一所述功能组包括(a)从由绝缘波导、导电波导、同轴传输线、表面波传输线以及自由空间构成的组中选择的至少一个传播介质(PM)；和(b)耦合至所述PM并位于所述PM和所述终端用户之间的第一和第二传播介质适配器(PMA)，所述PMA是从由天线、表面波发射器、波导连接器、同轴连接器和光电转换器构成的组中选择的；通过所述传播介质传输至所述第一传播介质适配器以及所述第二传播介质适配器的第一入站频谱；从所述第二传播介质适配器到第二终端用户的第一出站频谱；通过所述传播介质到所述第二传播介质适配器以及到所述第一传播介质适配器的第二入站频谱；和从所述第一传播介质适配器到第一终端用户的第二出站频谱。
32.如权利要求32的装置，还包括位于每一终端用户和每一PM之间的双工适配器电路，所述双工适配器电路是从由半双工适配器和全双工适配器构成的组中选择的。
33.如权利要求33的装置，其中每一所述双工适配器电路包括至少一个频率转换电路、至少一个放大电路以及至少一个滤波电路。
34.如权利要求33的装置，其中每一所述双工适配器电路包括一扩频电路。
35.如权利要求33的装置，包括多个功能组。
36.如权利要求36的装置，其中所述多个功能组在一线性结构中。
37.如权利要求36的装置，其中所述多个功能组在包含第一及第二终端组以及至少一个内部组的充分线性结构中，并且其中所述多个功能组中至少一个耦合至一内部组。
全文摘要
用于信息传递和分布的方法及装置，以双向地会聚或引导在包括自由空间或无线、表面波以及电缆或有线传输线在内的可能的多种传播介质上传播的电磁波的宽阔频谱。装置(10)与紧邻这些介质的信息设备(20)通信，其中这些设备自身不是装置一部分且可以相互电磁访问。对于在装置内可能使用的多种不同信号调制及编码类型，该装置(10)包含足够的信噪比以及低失真，以减轻传播介质失真及减损，并控制访问且提供一种用于保护通道内的信息及获得收入的手段。可以使用适配器(12，14)以向利用它的信息设备提供全或半双工访问。
文档编号H04B1/69GK1528063SQ02811704
公开日2004年9月8日 申请日期2002年5月13日 优先权日2001年5月11日
发明者格伦·埃尔莫尔, 格伦 埃尔莫尔 申请人:格伦·埃尔莫尔, 格伦 埃尔莫尔