专利名称：在有线电视网上支持双向远程通信的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及有线电视(CATV)网上的设备，更具体地，涉及一种基于一个同轴电缆有线电视网的双向多媒体通信的方法和设备。
传统的CATV网被设计成利用一些在一种树—枝结构中的宽带同轴电缆来支持单向广播业务。从位于树根部的总端(headend)发出的电视信号被播发给分布于网络各末端的用户们。一些分接头及分路器连接各支路，而各单向放大器则被配置以补偿信号衰减。这些放大器被称作沿中继线路的中继或桥接放大器和沿CATV网的馈电线部分的线路扩展器。虽然已经有一些考虑双向通信的实例，如观众收视情况的统计、或者利用远程寻址能力来支持按收看情况进行收费，但大多数CATV网仍然只能提供单向广播业务。
带有一些扩大(pervasive)的CATV网的CATV同轴电缆设施的宽带潜能，正日益被认作为用来提供综合宽带交互式多媒体业务的最经济有效的建筑平台(architectural platform)之一。为了实现这种CATV网的宽带潜能以支持双向业务，要求在用户端的一种装置，在中央位置的一个控制器，并要求尽量对网络进行扩展，以允许双向信息流动。用户单元是为了使用户能利用多重业务。一般位于总端的中央控制器协调用户进行双向业务。除了其他一些功能之外，用户单元和中央控制器均需执行信号发送、信道选择、调制/解调。在多数情况下，传统的CATV网部件，例如分路器、分接头、及最重要的那些放大器，必须被转换成更新的型式，以允许信号在两个方向上的往复传输(双向能力)。对传统CATV网的更新换代，不仅需要巨额投资，而且要求付出精心设计以及日常维护的努力。
在最通用的再分割(sub-split)配置中，已经放置低于第一TV频道的5-30MHz频带用作沿上游方向(来自用户)的低速率数据通信，而在很多TV信道中载送下游信号(至用户)。在宽带媒体上的这种频率分配不仅占用了很多CATV节目频道，而且要求对传统的CATV网进行改进。其他一些在更高位置分割频带的配置(中频带分割或高频带分割系统)，为了能够在一般的电视机上观看节目，还要求在用户方带有一种用于频率转换的附加装置。
从CATV操作者的观点上看，多数现有的方案被设计成将全部双向信号原路传输回至用于支持低速率数据应用的总端。由于多媒体应用的较高带宽要求，基于再分割的频率分配方案的可用带宽仅能支持少量用户。例如，为了支持电话业务而没有象无绳电话那样利用类似的调制方案所进行的压缩，每一频道需要25KHz。所以，对于整个网络而言，被放置用于上游电讯的5-30MHz频带仅能容纳多至1000个用户。其他一些诸如噪音、传播延迟等问题，也使得这种配置受到特别的限制且成本甚高。
CATV网实质上是一种多路存取媒体。尽管全部现有方案都采用时分多路存取(TDMA)方案来分解来自用户的多路存取，但它们中的大多数没有集线(concentration)而只起分时多路复用(TDM)的作用，未发挥多路存取方案所能提供的固有能力的优点。频分多路存取(FDMA)是一种成熟的技术，在其被应用到这种环境中时，能够提供出许多超过TDMA技术的优点。
光纤技术的进步，已激发其在远程通信工业领域内的迅速推广。利用在用户环路部分中的现有光纤技术，其称作为环路中光纤(FITL)(fiber-in the loop)或至边缘光纤(FTTC)(fiber-tothe curb)技术，一个典型的靠近用户房屋的光结点，只能为少于十个用户提供业务服务。从该光结点至用户房屋的入线部分(dropsection)仍然采用扭绞线对。结果，对于很少量的用户来享用表面看来应是无限的光纤带宽，其成本就相当之高了，而且对每一用户仍然有一个专用的传输装置，该装置作为整个分配设施的瓶颈。另一方面，在CATV工业中采用用于CATV网的一种星形布局光纤的这一当前趋势，对于在每一光纤中心为高达数万个住户提供业务，就噪音和维护问题改善了条件。为了支持新的双向多媒体通信，需要降低成本并为其发展奠定一个良好的基础。对于分担与光纤设备相关联的成本以及对于向每一用户提供宽带媒体的直接存取，混合式光纤/同轴电缆(HFG)的CATV同轴设施是很重要的，它同时为将来的发展提供了一个可扩展的结构。
本发明所提供的下列目的，克服了前述的一些缺陷·与现有CATV网的兼容性；·灵活和可扩展的系统结构；·设备成本低廉；以及·成本随着系统的增大而逐渐增加。
结合考虑附图以及对它们的详细描述，本发明的其他目的和优点将变得更加明显。
阿瑟I.卡什墨(Arthur I.Karshmer)和詹姆斯·N·托马斯(James N.Thomas)于1992年11月IEEE Network杂志上发表的文章《有线电视设备的计算机联网》(“Computer Net-working on Cable TV Plants”)、以及美国第5,225,902号专利，提供了关于双向CATV网的背景、现有方案和潜在问题的一个概况。由里克·宾克汉(Rick Pinkham)于1994年1月24日、2月7日、2月21日、3月7日的“Telephony”上发表的“CombiningApples and Qranges”、和由格莱希.J.布鲁尼特(Craig J.Brunet)于1994年6月IEEE Spectrum杂志上发表的“Hybridiz-ing the Local Loop”，对在CATV网上提供双向电信业务的现有方案和趋势给出了一个总的论述。
美国专利第4,677,686号提出了一种支持低速率数据通信的技术，这种低速率数据通信利用“能够双向通信”的CATV网的低频带，而不需要放大。较佳实施例描述了在用户设备和总端处的设备之间利用在分离的频道中调制的各种信号的单向数据通信。
本发明公开了一种能够支持与现有CATV网相兼容的双向通信的方法和设备。其基本思想是使CATV网(以最基本的形式一共用天线TV)继续进行单向广播业务，并以其全部潜能仅利用网络的无源部分，将新的双向多媒体业务的会聚点更深地驱动到CATV网之中。
CATV网被分成一些小的共用中心，称作多路业务中心(MSH)(Multiple Services Hub)，具有在中心之总端的一个中央控制器，和每一用户所在地的一些远程终端。由于被设置在所有有源部件的下游位置，所以MSH允许双向信息在CATV网的无源部分中流动。这种MSH配置能够重复利用已分配的诸频带，从而允许一种支持与传统CATV网相兼容的双向多媒体通信的灵活而可扩展的配置。
在较佳实施例中，诸双向信号被调制到同一频带中，例如电话信号利用较低频带(5-30MHz)。这种频率配置使低成本设备和灵活线路的对称设计能够把信号输送到远距离的各位置。根据成熟的FDMA，本发明能够实现一种灵活的系统结构，并为系统的发展开辟了经济有效的发展道路。利用本发明，不需要构建和维护双向CATV网，也不会受这类网络容量极限所限制。这种多路存取方案固有地提供了集线，同时能够容易地引入内部交换和动态应请求带宽。
提出了三种可能的结构，以支持双向远程通信。在最简单的形式中，MSH覆盖CATV网络的一条中继线。在一种较为复杂的配置中可以将CATV树的几个支路合并至一个MSH之中。在第三种结构中，一个中央控制器与信息源，例如电话网的交换站，共同就位。仅运载双向电讯的同轴电缆被扩展至远程信号合并器，与向下游传输至每一用户的单向广播CATV信号合并。
因此，本发明的好处在于·与现有CATV网的兼容性；·成本分担和宽带媒体的存取；·对于支持新业务的可扩展性；·成本随着系统的发展而逐渐增加；及·可靠性得到提高。
图1是多路业务中心(MSH)的系统结构，该MSH包括一个中央控制器、多个用户单元和互连装置；图2表示叠加到CATV网上的MSH配置；图3示出CATV频谱分配；图4示出在电话环路结构中的MSH；图5表示利用MSH技术的各种结构；图6是信号合并器的方框图；图7是在一个具有光纤星形布局结构的CATV网中的MSH。
本发明改进了在CATV网上的双向多媒体业务。下文中将采用电话业务作为实例来描述本发明。
图1以一种最简单的结构示出了与CATV网有关的多路业务中心(MSH)的系统构造。中央控制器设置在馈电线扩展器的下游位置，并起MSH的上边界作用，双向信息在该点处进出CATV网。现有的带有分路器和分接头的电缆设施将中央控制器与用户单元连接起来。位于用户住所的用户单元提供对多路业务，例如电话、CATV节目、以及其他多媒体通信业务的使用。
CATV网被“雕制”成如图2所示的许多MSH。其中一些MSH，例如A、B、C和D，具有CATV网的一个特定支路的覆盖区域，而其他一些，例如E，则可以覆盖多个支路。在每一MSH中，那些分配给双向通信的频带都是重复使用的。这与具有固定边界的蜂窝无线电话技术中的“网孔”概念相类似(只不过信号在电缆中往复传输，而不是在空气中传输)。CATV网的任一支路只能属于一个MSH，即在MSH之间没有重叠，不象蜂窝无线电技术中那样。MSH的大小和位置取决于CATV设备和受到服务的用户住所的地理分布情况。
这种结构允许对服务MSH进行灵活的安排，同时必须在对双向通信网络进行升级改进的投资与用户的数量之间做出折衷考虑，以使最初设备配置的成本更加合理。CATV树越高(越靠近总端)，该MSH所覆盖的用户住所越多。这导致用于双向多媒体业务应用的投资成本能得以分担，但是同时也招致在改进和维护双向网络方面有更高的花费。如在后面将详细描述的那样，可以将很多CATV树—枝网络的无源部分合并在单个MSH之中。
CATV同轴电缆的有效带宽额定值为1GHz。图3中勾勒出了CATV网的频率分配情况。低于TV频道的5-30MHz频带传统上已预定给上游电讯(traffic)(从用户单元至总端)。30MHz至第一TV频道(2频道)之间的防护频带弃之不用，以便分离在下游和上游方向上往复传输的信号。模拟电视节目(VHF和UHF)和调频(FM)无线电信号从54MHz和更高的频率上播出。本发明提出一种方案，在同一频带中对两个方向上的信号进行调制。在电话业务的情况下，双向信息将在5-30MHz频带中调制。其他类型的电讯将在一个更高的合适的频带中载送，在此可以分配所需带宽而不中断其它业务。两个方向上的信号衰减将显示出相同的特征，因而在工程技术方面的工作可以较为简易和便宜。
利用申请日为1994年7月18日的美国专利申请第08/276,534号中的通信协议，在两个遵循FDMA原则的CATV网单向通信媒体上分解来自用户的多路存取。FDMA技术优于TDMA的优点是·成本随新的用户逐渐增多—最初的系统设置能以最少量的频道形成，并随着需要的增多而扩展；
·冗余性—通过FDMA信令规程的协调，诸通信信道互相起到后备作用；·异步信令规程—由于不需要同步化，所以可以大大地简化规程，使其配置花费不多。
·对称设计—由于每一装置的发射机和接收机共享同一频带，所以获得可重复使用的设计和配置。
除了上述优点之外，利用该FDMA协议，可以容易地得到如下特征。集线是多路存取媒体竞争的一个直接结果，亦即，通过更好地利用发送媒体，该多路存取通信系统可以固有地支持比通常的静态形成的系统要多的用户。集线比(concentration ratio)根据业务种类和用途而改变。对于各种电话业务，集线比一般在5和10之间，因此对于广域网每5至10个用户需要一个通信信道。在同一MSH之内的线路交换通过执行通信中涉及的两个用户之间频率转换的中央控制器来完成。利用已建立的线路和/或利用类似LAN(局域网)技术，都能支持数据通信。LAN通过在每一方向上调制两个独立的频带来实现。中央控制器需要利用如“Computer Networking onCable TV Plants”这篇文章所涵盖的协议修改，来执行从上游信道至下游信道的频率转换，此篇文章系由阿瑟·I·卡什墨(Arthur I.Karshmcr)和詹姆斯·N·托马斯(James N.Thomas)所撰，发表于IEEE Network，1992年9月期上。广播和多信道播送(multicast)业务通过对至同一MSH内的多个用户单元的通信信号进行寻址来支持。能够在信令规程的连接建立阶段动态地分配多路信道。这一特征对于支持具有各种带宽要求(请求带宽(bandwith-on-demand))的通信是有用的。这是对于具有m个承载电路(B)信道的ISDN(综合业务数字网)概念的一种扩充；其中的承载电路(B)信道将被动态地分配给每个利用一个公共信令数据(D)通道的用户。
就电话用户环路结构而言，与传统的扭绞线对、环路中光纤(FITL)和至边缘光纤(FTTC)有关的MSH示于图4。这里描述对应于可能的配置的两种情况。第一种情况用作为取代入线(drop)部分和部分馈电线部分，而第二种情况则取代完整用户环路，尽管FTTC技术规定采用用于入线部分的扭绞线对，但是MSH也能够实现光纤的分布，用以实现对每一住所的可变宽带存取。与其他提供远程通信业务的方案相比，MSH是对具有支持多媒体通信和其他一些新业务的能力的远程通信网络之用户环路部分的经济替代者。
在图5中表示了利用MSH技术的三种可能配置。在第一种配置中，中央控制器位于一CATV支路的总端，其具有M个通信信道为高达N个(可望在500个左右)下游用户提供业务服务。在第二种配置中，通过利用同轴电缆中继线将一组远程用户连接至信号合并器，得到一个横跨几个支路的MSH。在第三种配置中，中央控制器与信息源，例如在电话业务的情况下的中央局(CO)，共同就位，利用同轴电缆中继线路到达MSH。请注意所有的MSH都始于最后一个馈电线扩展器(放大器)的一个下游位置。实际上该放大器通过作为用于双向电信的阻塞装置阻止向上游传播。能够将MSH移到放大器上游位置处的网络中的更高级处。但是，该放大器必须通过双向信号。因此这是一个在用户覆盖量和改变放大器所作出的努力之间的工程上的折衷选择。
图6示出了用于电话业务的信号合并器的方框图。高通滤波器用于分离CATV单向广播信号，而低通滤波器则用于分离双向电话信号。对于其他一些使用更高频带的业务则需要将这些滤波器变成带通滤波器。一定向耦合器用于防止双向信号向上游传播以免干扰现有的CATV业务。在馈送到下游至用户的CATV电缆设施之前，CATV单向广播信号则在双向功率分路器/合并器中与双向多媒体信号合并。这个信号合并器是个无源装置，除非需要放大(带阴影的元件)。预期来自CATV广播信号或双向电话信号的介入损耗都达到3dB的理论最佳值，而CATV和电话信号之间的隔离则可望超过20dB。定向耦合器的定向性超过40dB。根据同轴电缆的信号衰减特性(大致为每100英尺衰减1dB)，在信号必须被放大之前，可以以30dB的裕度延伸1km的距离。
在图7中示出一个MSH在该带有光纤星形布局的CATV网内跨过两个独立支路的情况。这表明MSH的灵活可变性可以有助于全部CATV网络配置。
本领域的技术人员从以上可知，本发明使一种灵活的、可扩展的和经济的并与传统的CATV网相容的能够支持双向多媒体通信的技术方案。而且，可以将下列特征容易地引入到组成结构之中。在中央控制器处可以引入一些本地MSH业务，例如卡拉OK或其它信息源。也可以引入其他一些网络服务。例如，MSH中央控制器可以起到用于放像请求业务的最后超高速缓冲存储器的作用。如果诸MSH间的业务传送量达到互联已被证明为合理之点，也可以对全部所需业务提供MSH至MSH的互连。
从以上可见，在不离开本发明新概念的实质精神和范围的前提下，可以做出很多变更和改动。应该理解，就所描述的具体结构和电路设置而论，决不是想或意味着进行限制。当然申请人的宗旨在于用所附的权利要求书涵盖那些落入权利要求书范围之内的全部修改。
因此，根据本发明，已经提供了一种用于支持CATV网上的双向远程通信的方法和设备，实现并具有了本说明书开头部分所叙述的全部目的、并具有所叙述的特征和优点。应当理解，所公开的本发明的结构可以以权利要求范围内的其他一些形式得到具体实施。
权利要求
1.一种在一有线电视(CATV)系统中支持双向多媒体通信的方法，所述CATV系统具有多个由一些分路器和分接头连接至一共用传输装置的用户单元；所述方法包括以下步骤(a)分配频带；(b)将所述CATV网络划分成一些多路业务中心(MSH)；(c)在每一MSH内重复使用所述频带；(d)利用一种频分多址(FDMA)方案分解来自多用户单元的竞争；以及(e)连接到广域网上。
2.根据权利要求1所述的在CATV系统中支持双向多媒体通信的方法，其中所述分配频带的步骤包括下列步骤(a)确定用于每一种业务类型的所需带宽；(b)指定用于所述业务类型的一个频带；以及(c)在所述频带的信道内调制所述业务类型的电讯。
3.根据权利要求1所述的在CATV系统中支持双向多媒体通信的方法，其中所述划分成一些MSH的步骤包括下列步骤(a)映射所述CATV网的无源部分；(b)检测在所述CATV网中用户的数量和分布；(c)在每一与所述CATV网相连接的用户住所处设置一个用户单元；(d)确定该MSH的覆盖范围；(e)计算所需信道数；以及(f)形成该MSH。
4.根据权利要求3所述的在CATV系统中支持双向多媒体通信的方法，其中所述形成MSH的步骤包括下列步骤(a)在覆盖所述CATV网的一个特定支路的所述MSH的总端处设置中央控制器。
5.根据权利要求3所述的在CATV系统中支持双向多媒体通信的方法，其中所述形成MSH的步骤包括下列步骤(a)在覆盖所述CATV网的一个特定支路的所述MSH的总端处设置中央控制器；(b)在所述CATV网的另一个且独立的支路的总端处设置一个信号合并器；以及(c)利用一条专用同轴电缆将所述中央控制器与所述信号合并器相连接。
6.根据权利要求3所述的在CATV系统中支持双向多媒体通信的方法，其中所述形成MSH的步骤包括下列步骤(a)使中央控制器与信息源共同就位；(b)在所述CATV网的总端处设置一个信号合并器；以及(c)利用一条专用同轴电缆将所述中央控制器与所述信号合并器相连接。
7.一种在一CATV系统中支持双向多媒体通信的设备，所述CATV系统具有多个由一些分路器和分接头连接至一共用传输装置的用户单元；所述设备包括(a)用于分离单向CATV广播信号的频带的装置；(b)用于分离双向多媒体通信的频带的装置；(c)用于防止单向CATV广播业务信号干扰双向通信信号的装置；以及(d)用于合并单向CATV广播信号和双向多媒体通信信号的装置。
全文摘要
一种在有线电视网中支持双向多媒体通信的方法和设备。有线电视网被划分成一些小公共中心(多路业务中心MSH)，包括中央控制器、多个用户单元和一些互连装置。双向电信信号在与再分有线电视系统兼容的同一频带内被调制。在各MSH中，分配给新通信业务的频带被重复使用。利用信号合并由扩展至信息源的距离。利用FDMA方案给出的固有冗余及有线电视网络的无源部分，得到灵活和可扩展的业务平台。
文档编号H04N7/173GK1139349SQ95116858
公开日1997年1月1日 申请日期1995年9月13日 优先权日1994年9月14日
发明者郑力达 申请人:郑力达