通信系统中资源共享系统及方法 本发明涉及通信系统中共享资源的系统及方法。
虽然目前的通信系统提供了足够的带宽满足目前的通信服务要求时，由于数据、娱乐、声音通信需求的增加，在不久的将来将耗尽当前的通信基础能力。由于设备更新昂贵，需要新技术利用当前系统的可得资源或计划中的系统更新资源，以不需昂贵的附加设备或只更新附加容量所需的小量更新来进一步增加带宽。
本发明提供了一共享通信系统资源的方法及设备以支持节点及由节点服务的终端用户。节点经被组织成如库的资源结构的接口单元被耦合至一通信网络。库的接口单元或是被预分配至每一节点或根据终端用户请求被分配至节点。
通信信道也被放入库结构中。终端用户可经申请一信道获得通信服务。信道可以是频分复用协议的一频率信道或采用时分复用协议的一频率信道的一时隙。每个终端用户可被预先分配一信道或一节点地所有信道被放入一库并当用户提出请求时分配用户信道。
节点所用频带也可放入库中。节点可从所有可用频带范围中得到不同的频带或所有节点共享由所有可用频带范围合成的一共同频带。每一节点经至少一专用信道耦合至主干通信网。这样不用对已有设备进行昂贵、复杂的更新就可大大的扩展用户可用的带宽。
将参考下图说明本发明，其中相似标号表示相似元件。其中：
图1为通信系统图；
图2为一中心局和用户终端之间的一当前通信系统的框图；
图3是光纤/电缆混合通信系统的方框图；
图4是带微光纤节点的光纤/电缆混合通信系统方框图；
图5是图4中微光纤节点的框图；
图6是图4中首端(head-end)的框图；
图7是图6中频率选择器—转换器—分离器的框图；
图8是图6首端的-调制解调器组结构的框图；
图9是图8中频率选择器—转换器的框图；
图10是图6首端中另一调制解调器组结构图；
图11是一经过频分复用信号与图4的首端通信的一终端的图；
图12是频分复用协议的频率信道图；
图13是也有时分复用信道的图12的频率信道图；
图14是一报警消息图；
图15是一信道请求图；及
图16是一信道请求过程的流图，
图1表示含一主通信网100，中央局102及104与终端106-112的通信系统。终端106-112可以是个人计算机，如电视等娱乐终端，或电话等电话台。
主通信网100可以为光纤，有线或无线系统。形成中心局102和104与主通信网100之间通信路径的干线101和103可以是高速中继线。目前，如下述可用图2所示系统实现中心局102及104与相应终端106，108及110，111，112之间的通信路径。
图2是经一基架114连接中央局102与终端(电话)106和108的当前电话系统的实现框图。基架114含信道卡的一信道组，其中每一信道卡专用于终端106和108之一。这样每一信道卡仅与相应的终端的使用率相同。由于终端106与108的典型利用时间少于75％，信道组124的信道卡远未被利用。可用图3示的一混合光纤/电缆(HFC)通信系统来改善上述资源的非有效利用及伴随的双绞线118、120等专用线的复杂管理。
HFC系统提供了时分复用(TDM)以允许多个终端用户共享一个或多个频率信道。由于多个终端用户可共享单一频率信道，每个RF调制解调器可支持多个终端用户。这样，信道卡的信道组124可由一较小数目的RF调制解调器取代。
以中央局104为例，HFC系统含一经光纤127耦合至一光纤节点128的首端105。光纤节点128把从光纤127接收的光信号转为电信号，随后经同轴网输出至终端用户140，142，144。同轴信号线131经放大器130，抽头134，136，138，放大器132，同轴信号线135，137，139和网络接口单元(NIU)146，148，150连至终端用户140，142，144。从抽头138下行的其它抽头、放大器也可连至服务附加的终端用户。
与同轴线135，137，139一样，抽头134，136，138为无源器件。这些无源器件带宽可达约1GHZ。然而放大器130，132的带宽在350-750MHZ之间。这样放大器130，132的带宽限制了该HFC系统下行流的带宽。
使放大器为双向的可进行上行通信。然而上行通信使用频带为5至40MHZ，且对进入噪声敏感。
首端105可含一广播部分以向用户140，142，144广播电视信号。由于共享总线结构及上述带宽限制，HFC系统使用TDM与时分多址(TDMA)用于交换式窄带服务。
图4为图3HFC系统的改进。此处引为参考的，1995年9月12日的美国申请号08/526，736详述了改进的HFC系统。图4中，通过增加微光纤节点(mFN)202，204，双工器212，214，及相关元件来支持在用户140，142，144与中央局104与中继线103之间经mFNs202，204的通信，改进了图3示的传统HFC。
每一mFNs202，204与放大器130，132之一相关。mFN202与放大器130相关，mFN204与放大器132相关。mFN202，204经光纤206，208与首端200相连。光纤210，212连至未示出的其它mFNs。
微光纤节点202，204经光纤206，和208提供了上行和下行通信。mFNs202，204利用放大器130，132带限以上的干净的宽频带，从而避免了上行进入噪声，且不影响已有HFC系统。例如通过组合放大器BO与mFN202的输出，双工器212向下行终端用户140，142发出输出信号。此外，双工器212从终端用户140，142接收上行通信并将上行通信送至mFN202并经光纤206，首端200及中继线103将其输出至主通信网100。
光纤206，208可含1或2根光纤。若用1根光纤，上行，下行通信采用相同光纤。若有2根光纤，一光纤可专用于下行通信，另一光纤则专用于上行通信。
图4仅示出2个放大器130，132，2个mFNs202，204，两个双工器212，214，3个抽头134，136，138。然而可含任何数目的上述元件，光纤节点128也可输出至如同轴信号线129等其它可能含附加的放大器，双工器，mFNs，抽头等的同轴信号线。元件的数目、类型与应用环境有关。
由于mFNs202，204仅经带宽约1GHZ的无源元件耦合至终端用户140，142，144，不修改放大器130，132就将终端用户140，142，144的可用带宽扩至约1GHZ。这样mFNs202，204提供了不被放大器130，132带宽所限的更大的带宽。
由于mFNs202，204的输出信号频率远高于放大器130，132的带宽，放大器130，132不传递经过mFNs202，204处理的上行、下行通信信号，这样将mFNs202，204的通信业务相互隔离。也可在每个放大器130，132之前放置滤波器(未示)也进一步滤除下行的mFN信号。该隔离允许每一mFNs202，204独立于其它的mFNs202与204工作。这样mFNs202，204可使用不同的频带或共享共同频带来用于上行、下行通信。该带宽重用大大增加了每个终端用户的可用带宽。
图4是一mFN应用的示例实施方式。其它mFN应用也可受益于本发明美国申请号08/526，736揭示的明确结构。
图5为mFN202的示例实施方式框图。mFN202含连至一双工器226的一接收路径和一发送路径。接收器218从光纤206接收光信号并将其转为电信号，随后被放大器222放大并被输入至双工器226。双工器226将电信号直接输出至双工器212。双工器226从双工器212接收电信号并将其输出至放大器224。放大器224输出信号至发送器220，发送器220将电信号转为光信号并将其输出至光纤206。双工器212也可含于mFN202中。
总之，mFN202，204提供了巨大的优点，如引起每个终端用户140，142，144的更多带宽的干净、宽广的带宽。由于1个mFN202与204与一个放大器130与132相关，每个mFN202，204服务的用户140，142，144的数目远小于光纤节点128服务的用户140，142，144的数目。这样，每一mFN202，204的带宽仅服务较少的用户140，142，144。
另外，由于mFNs202，204的相互隔离使带宽共享成为可能，为每一用户140，142，144提供了额外带宽。该带宽增加允许mFNs202，204采用频分复用/频分多址(FDM/FDMA)协议而不是更复杂的TDM/TDMA协议。这样首端200比首端105简单。上述mFN-HFC系统的优点可用于电话，数据及娱乐服务的应用。尤其是一个应用是简单的电话服务。
由于FDM/FDMA能对终端用户140，142，144进行独立的资源分配，能有效地共享首端200的资源。例如图6是首端200的示例实施。首端200含连至中继线103的多路复用/多路分离230。多路复用/多路分离230连至RF调制解调器库如RF调制解调器232，234，236。RF调制解调器232，234，236也连至经发射器与接收器块242与光纤212，206，208，210相连的一频率选择器—转换器—分离器238。
多路复用/多路分离230将从中继线103接收的数据解复用成至每一终端用户的信号。被解复用的信号被RF调制解调器232，234，236用正交相移键控(QPSK)，二进制相移键控(BPSK)，或正交幅度调制(QAM)等原理调制至一中频载波。RF调制解调器232，234，236的输出被频率选择器—转换器—分离器238经光纤206，208直接送至mFNs202，204。
如当终端用户140接收了一呼叫时，首端200为该呼叫分配一专用于终端用户140的信道。为支持该分配至终端用户140的专用信道，为该专用信道分配RF调制解调器232，234，236之一。分配的RF调制解调器的输出路由至服务用户140的mFN202。这样，RF调制解调器232，234，236被分配至mFNs202，204以调制至mFNs202，204服务的终端用户140，142，144的解复用信号。由控制器240控制调制解调器232，234，236对mFNs202，204的分配。
RF调制解调器232，234，236对mFNs202，204的分配可事先制定或基于用户请求分配RF调制解调器的动态分配计划(即一mFN服务的一特定终端用户是否有任何通信业务)。上述两种情况中，分配信息存于也受控制器240控制的数据库244中。
图7是频率选择器—转换器—分离器238的示例性实施方式框图。频率选择器—转换器—分离器238在频率上与RF调制解调器232，234，236，和mFNs 202，204的输入/出信号一一相应。在上行方向，由于mFNs202，204可能重叠或共享一共同频带，mFN的输出信号在进入一组合器/分离器708之前被块转换器710，712，714，716块转换成不同频带。组合器/分离器708组合所有块转换频带并将组合输出至每一频率转换器702，704，706。在被RF调制解调器232，234，236作为输入接收之前，组合器/分离器708的输出信号被频率选择器702，704，706转成中频信号。
在下行方向，RF调制解调器232，234，236输出的中频信号被频率选择器702，704，706转成根据访问的用户而选的频率。此外，频率选择器702，704，706还将所选频率转为分配至相应mFNs202，204的频带以避免mFN信号的重叠。组合器/分离器708的输出被块转换器710，712，714，716从分配至每一mFNs 202，204的频率转为由mFNs202，204所用的频带或共同频带。
不同于上述的首端资源分配原理也可能。根据将RF调制解调器232，234，236映射至mFNs202，204的其它原理，可容易地将选择器—转换器—分离器238变为最大限度的利用RF调制解调器232，234，236，mFNs202，204，mFNs202，204所用频带及分配至终端用户140，142，144的信道。
图6是提供了RF调制解调器232，234，236库的RF调制解调器机制。当mFNs202，204之一服务的一终端用户申请一信道时，库中RF调制解调器232，234，236之一被分配至服务请求终端用户的mFN202，204。这样所需RF调制解调器232，234，236的数目可减至所需通信服务容量等级的数目。因此共享RF调制解调器232，234，236利用了RF调制解调器资源并增加了RF调制解调器利用率。
图8是对图6中mFN至首端200连接的改动。所有RF调制解调器232，234，236被汇总至一个调制解调器组614，调制解调器组614经一频率选择器—分离器616和一发送器及接收器618耦合至一光纤624。光纤624可为单根光纤或一对光纤其中1根光纤用作下行通信而另一根用作上行通信。所有mFNs202，204经分离器622耦合至光纤624。由于如下述mFNs202，204使用不同频带在光纤624上通信，分离器622是可选的。这样上述修改经光纤624将一串mFNs202，204连至中心局104。
图9是含频率选择器702，704，706及一分离器718的频率选择器—分离器616。除了不需块转换器710，712，714，716以外，频率选择器—分离器616与频率选择器 转换器—分离器238相似。由于所有的mFN信号在光纤624上被传送或接收，mFN信号映射成频率选择器702，704，706及mFNs202，204的发送器220分配的频带。频率选择器702，704，706及mFN接收器218从分配的频带接收信号。频率选择器702，704，706为RF调制解调器232，234，236将接收信号转成中频。mFNs202，204将接收信号转成各自所用频带或所有mFNs202，204共用的频带。
图8的结构在中心局的光纤分配及mFN连接极受限的环境是有利的。如mFN更新用于在中心局104与mFNs202，204之间仅有1根可用光纤的已有系统，则可采用图8结构。
当所有mFNs202，204的信号在光纤624上被组合与传输时，每一mFNs202，204保有独立的信道。这样使用一根光纤624时，图8所示系统的逻辑功能与图6所示的相同。另外块转换器710，712，714，716及频率选择器702，704，706可含其它元件如滤波器。图9与7仅表示逻辑功能。
图10是组织为调制解调器组602，604，606的RF调制解调器232，234，236。每一调制解调器组602，604，606都分别经频率选择器—分离器608，610，612及发送器/接收器624，626，628耦合至光纤总线如206，208与210。频率选择器—分离器608，610，612执行与图9所示频率选择器—分离器616相同的功能。上述结构中，每一调制解调器组602，604，606被分配至mFNs204，202之一。若mFNs202，204为地区性的，上述结构保证每一地理位置有一组调制解调器以使每一地理区域能访问主通信网100而不被其它地区的通信业务容量的影响。
图11是终端用户140直接与mFN202接口以进行电话服务的终端110的示例实施方式框图。如图4示，mFN202经双工器212与抽头134耦合至同轴信号线135。同轴信号线135直接连至终端用户140并连至位于终端用户处的一分离器250。分离器250分离出至少三种信号；(1)信号线252上输出的广播视频信号；(2)信号线254上输出与接收的如Internet通信的数据信号；(3)信号线256上传送与接收的电话等声音通信信号。由于mFN202用FDM/FDMA协议传送与接收声音通信信号，如电话台的终端110须以FDM格式传送与接收声音通信信号而与mFN202接口。
这样终端110含一经调制解调器260连至编码/解码器(codec)262的FDM单元258。从mFN202接收的RF信号由FDM单元258接收并被送至将其变为codec262所需形式的调制解调器260。编码/解码器262连至直接与用户使用的扬声器/麦克风280接口的扬声器/麦克风控制器264。扬声器/麦克风控制器264含一振铃/音频产生器276及与codec262接口以控制振铃/音频产生器276与扬声器/麦克风280的工作的信令控制器278。
终端110(此例为一电话台)也含与一传统电话台的终端282接口的传统电话接口266。由于如图2所示传统电话台需与一信道卡接口的双绞线，传统电话接口262执行一信道卡的功能且含一监测单元270，一电池268，一振铃/音频产生器272和一线保护单元274。这样终端110用作一电话台使用户直接通过麦克风/扬声器280进行音频通信且提供一传统电话台如终端282的接口以使用户可能有的传统电话也能使用。
图12是FDM协议中频率信道的示意图。FDM中，把带宽分成频率信道如302，304，306，308。每一频率信道可被分配至终端用户140，142，144。然而由于一特定终端用户可能不100％的时间使用分配的频率信道，频率信道可被视作信道库并可根据需求被分配至终端用户。
可用时分复用(TDM)在时域进一步划分每一频率信道而得到额外的信道。这样如图13所示，频率信道310可定义多个时隙如402，404，406。当同时使用TDM，FDM协议时，分配至一终端用户的一信道是一特定频率的一特定时隙如频率信道310的时隙402。这样，当同时使用TDM、FDM时，mFN202，204的带宽被更有效地利用。
如早先讨论的，每一信道可根据一预定计划被预分至终端用户140，142，144。然而若动态分配信道，则进一步增加有效带宽。然而信道动态分配需要额外的协议决定信道分配。下面讨论三种可选信道分配协议并用于执行这种信道分配。
对于所有三种可选协议，信道首先配对。每对信道之一专用于下行通信而另一个专用于上行通信。这样只要一信道分配至一终端用户，则提供了上行、下行信道。下述讨论中一信道意味着一对上行/下行信道。协议也能实现单独分配上行、下行信道。
如使用电话的声音通信，终端110为一电话台。首端200接收了对终端用户140的一呼叫时，首端控制器240判断1)mFNs202，204中谁服务该终端用户140与2)该呼叫访问的终端ID。上述信息存于数据库244。此时终端ID是电话台110的标识号如电话号码。首端控制器240分配一空间信道至该呼叫并将终端ID与该空闲信道的信道号格式为告警消息。该空闲信道是未用于其它目的的一频率信道或一频率信道中一时隙。告警消息502如图14示。
例如该告警消息502在一预分配信令信道上被下行传至终端用户140。该信令信道未与其它信道配对，但专门分配给首端控制器240以向所有或一组终端用户140，142，144发送信令信息。所有终端用户140，142，144的终端监测信令信道且告警消息502中终端ID504访问的一终端通过执行合适的处理响应告警消息502。这样电话台110在告警消息502中检测到它的终端ID504，电话台110经扬声器/麦克风单元280的扬声器或经振铃/音频产生器272输出一“振铃”至终端282的振铃器件。若通过拿起电话台110或摘钩终端282来回答呼叫，电话台110经信道号为告警消息502中接收的信道号506的信道建立一通信路径。
若电话台110通过拿起电话台110或摘钩终端282来产生呼叫，在拨号音经扬声器/麦克风单元280的扬声器或经振铃/音频产生器单元272输出至终端282之前电话台110须获得一可用信道来通信。电话台110可扫描所有可能的信道来搜寻一安静信道以获得一信道。一安静信道是无信号的信道。
一旦找到安静信道，电话台110可向首端200提出一信道请求以使用该安静信道。信道请求508可在该安静信道上上行至首端控制器240。
图15示出了信道请求508的一示例。信道请求508仅含一终端ID504。终端ID504标识电话台110以使首端控制器240可将RF调制解调器如232，234，236分配至终端ID504并将所有来自中继线103的访问终端ID504的数据路由至分配的RF调制解调器。
首端可用一回传过程来分配安静信道给电话台110，其中在安静信道上行侧接收的信道请求508回传至安静信道的下行侧以告知电话台110已确认信道请求508。在安静信道的下行侧检测到了终端ID504且与电话台110的终端ID匹配时，电话台110经扬声器/麦克风280的扬声器或终端282输出一拨号音。首端也可在一预分至首端200的下行信令信道上回传信道请求508。
若从含终端ID504的多个终端ID收到了对同一信道506的多个信道请求，则回传过程返回一所有终端ID的联合。这样没有一个终端检测到它们的专用终端ID504且每一终端将再搜寻另一安静信道并发另一信道请求508。每一终端重复上述过程直至成功地得到一信道，若一预定尝试次数的不成功后经扬声器/麦克风280的扬声器或电话终端282输出忙音。
首端控制器240可明确地分配该安静信道给请求终端如电话台110以响应信道请求508。首端控制器240通过经该安静信道或预分配的下行信令信道返回一确认消息给所选终端ID504来分配该安静信道至终端IDs中之一。接收了确认消息后，电话台110进行通信过程并经扬声器/麦克风280的扬声器或传统电话台282输出一拨号音。
如若规定时间值后未收到确认消息，电话台110搜寻另一安静信道并重复信道请求过程。若在请求规定次数后未收到确认消息，则电话台110输出一忙音以提醒用户此时不能提供通信服务。
一替代协议如下：首端控制器240经下行信令信道广播信道可用信息。这可减轻电话台110而不用搜寻安静信道—这产生不希望的延迟。当电话台110摘钩时，通过监听下行信令信道可迅速判断一可用信道并可用该安静信道或为此预分配的上行信令信道发送信道请求508。若经下行信令信道或可用信道接收了回传终端ID或一确认消消，电话台110输出一拨号音。否则电话台通过监听下行信令信道选择另一可用信道并发送另一信道请求508，该过程可持续至首端200指出无可用信道为止。
第三可选方案中，首端200在一信道产生一可用信号。摘钩时，电话台110搜寻有可用信号的信道并用该信道或上行信令信道发送一信道请求508。若该可用信道被分配给电话台110，首端将通过该信道或下行信令信道回传终端ID或发送确认消息给电话台110。接收回传的终端ID或确认消息后，电话台110输出拨号音。然而若未接收回传终端ID或确认消息，电话台110将搜寻首端200选为可用的下一信道。电话台110占用该可用信道后，首端200选择另一信道并在被选信道上产生可用信息并重复上述过程。
图16是上述信道分配过程的流图。步S1000中电话台110用上述三种可选方法之一决定一可用信道。接着至步S1002。步S1002中，电话台110在该可用信道或一信令信道上发送一信道请求。然后电话台110至步S1004。
步S1004中，电话台110等待首端200来的确认消息并至步S1006。步S1006中，电话台110判断是否接收了一确认消息。若接收了确认消息，电话台110至步S1008。否则电话台110转至步S1010。
步S1010中，电话台110计数加1并至步S1012。步S1012中，电话台110判断计数值是否超过最大值。若计数值超过最大值，电话台110至步S1014。否则电话台110回至步S1000。
步S1014中，例如电话台110产生一忙音来表明没有信道可供通信。接着电话台110至步S1016并结束该过程。步S1008中，例如电话台110产生一拨号音表明有可用信道，并至步S1016并结束该过程。
与上面概述的特定实施方式一起描述本发明时，很明显熟练的技术人员将会有许多替代，修改和变化。例如，本发明可用于任何无源点对多点光纤网。这些网将提供电话，数据和娱乐通信服务，并受益于本发明的资源与信道分配技术。
此外虽然用FDM和/或TDM协议为例，也可用其它协议如码分复用(CDM)与波分复用(WDM)并得到相似的好处。因此上面提出的本发明优选实施方式仅用于示例而不是限制性。可在不偏离下面权利要求书规定的本发明的实质与范围下做出许多修改。