CN103067147A - 具有改进的容量和安全性的有线通信系统 - Google Patents

具有改进的容量和安全性的有线通信系统 Download PDF

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CN103067147A CN2012103991933A CN201210399193A CN103067147A CN 103067147 A CN103067147 A CN 103067147A CN 2012103991933 A CN2012103991933 A CN 2012103991933A CN 201210399193 A CN201210399193 A CN 201210399193A CN 103067147 A CN103067147 A CN 103067147A
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Abstract

本发明的名称为“具有改进的容量和安全性的有线通信系统”。提供一种在线缆通信网络中使用无分工双工(DFD)的方法和系统。用于在线缆通信网络中应用DFD的技术可使得能够在不使用分工双工技术的情况下在同轴线缆上发送和接收数据。例如，线缆通信网络可包括DFD使能的网络节点，并且线缆网络的每个订户可配备有配置成在DFD模式中操作的DFD系统。在一些实施例中，可在一个频道上发送反向传播的信号，并且可使用DFD技术来恢复原始发送的信号。另外，在一些实施例中，DFD技术可与加密方法一起使用，以提高在线缆通信网络中发送的数据的安全性。

Description

具有改进的容量和安全性的有线通信系统
技术领域
本文公开的主题涉及通信系统，并且更具体而言，涉及使用无分工双工(division free duplexing)来进行通信的系统和方法。
背景技术
通信网络可包括能够通过多种通信路线来通信的多个通信装置。取决于网络的配置，可通过中心网络节点来实现从一个通信装置到另一个通信装置的通信路线，中心网络节点连接装置，或者通信路线可包括介于网络的任何装置之间的链路。例如，线缆通信网络可包括纤维环的一个或多个子网络，纤维环具有在连接在纤维环中的多个用户之间共享的同轴线缆。每个纤维环可支持例如附近的房屋，并且每个连接的房屋中的装置可通过共享的同轴线缆与中心网络节点(例如，互联网接入点、有线电视提供商等)通信。
一般而言，将每个用户连接到另一个用户或网络节点的同轴线缆可包括信号的双向发送。为了避免反向传播的信号之间的直接干扰，典型地可采用双工技术。双工技术可包括时分双工、频分双工和/或码分双工，以允许两个通信装置既发送又接收信息(例如数据、声音信号等)。例如，时分双工可使用时分复用来及时地分开进入的(接收的)和发出的(发送的)信号。可足够快地对信号进行时分，使得可让人觉得同时发送和接收信号。频分双工可包括在不同频率上操作的信号发送器和接收器。可充分地分开发送的信号和接收的信号的频率，使得它们的调制频谱不重叠，并且可将每个通信装置的接收器调谐成同时接收预计频率，以及拒绝其本身发送的信号。码分双工可包括用代码对发送的信号编码，使得在通信的接收端处接收时，某些信号可与其它信号分开。
虽然分工双工系统可使得能够几乎同时发送和接收信号，但是这样的系统对于变得日益复杂的一些通信网络可能是不够的。例如，使用时分双工系统的网络在接收信号时可能由于信号的时间复用而耽误时间，并且使用频分双工系统的网络可具有对传输链路(其支持日益增多的大量通信装置)可用的有限量的频谱。此外，数据安全性对线缆通信网络而言是共同的考量，而且典型的双工系统可能不足以处理这样的考量。
发明内容
在一个实施例中，提供一种管理通信网络中的通信的方法。该方法包括在第一方向中、在线缆通信网络中的线缆上从第一装置发送数据，以及在与第一方向相反的第二方向中、在线缆上从第二装置发送数据。使用无分工双工(DFD)技术，基本同时发送在第一方向中发送的数据和在第二方向中发送的数据。
另一个实施例提供一种包括多个节点的线缆通信系统。多个节点中的每个包括配置成使得多个节点中的每个能够在无分工双工(DFD)模式中操作的DFD系统。线缆通信系统进一步包括配置成控制多个节点中的每个的操作模式的处理器。
又一个实施例提供一种无分工双工(DFD)系统，其包括能够在线缆网络中从同轴线缆接收模拟初级信号的接收器，以及能够将模拟发送的信号发送到同轴线缆的发送器。DFD系统包括能够对模拟发送的信号的一部分采样以提供模拟基准信号的定向耦接器。DFD系统还包括能够将模拟初级信号转换成数字初级信号的第一模-数转换器和能够将模拟基准信号转换成数字基准信号的第二模-数转换器。另外，DFD系统包括处理器，其具有用自适应滤波器处理数字基准信号的指令，该自适应滤波器使用数字基准信号和数字初级信号作为用于确定自适应滤波器的滤波器权重的输入，以提供输出。该处理器还包括从数字初级信号中减去自适应滤波器的输出以产生数字抵消的信号的指令。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：
图1是根据本技术的实施例的、连接到纤维环上的线缆通信网络的一部分的示例；
图2是根据本技术的实施例的、适合于用于图1中示出的线缆通信网络的无分工双工系统的示例；
图3是根据本技术的实施例的、在图2中示出的系统的硬件实现的框图；以及
图4是表示根据本技术的实施例在无分工双工系统中发送加密变量的示意图。
具体实施方式
通信网络可包括能够发送和/或接收信号的多个互连装置。通信网络可具有将一个装置连接到另一个装置上的多种类型的配置。例如，线缆通信网络可包括纤维环的一个或多个子网络，纤维环具有在连接在每个纤维环中的多个用户之间共享的线缆(例如，同轴线缆)。每个纤维环可支持例如附近的房屋，并且每个连接的房屋中的连接的装置可通过共享的同轴线缆来通信。可在连接的装置和中心网络节点(例如互联网接入点、有线电视提供商等)之间的共享的同轴线缆上发送和接收数据。
图1是具有连接到中心网络节点8上的纤维环12的通信网络10的一个配置的例图。纤维环12可连接配置成彼此通信以及/或者与中心网络节点8通信的多个纤维集线器14。在一些实施例中，每个纤维集线器14可通过纤维节点15而连接。每个纤维节点15可在同轴线缆20上连接附近的房屋16(例如房屋16a-16d)，并且每个房屋16可具有一个或多个用户18(例如膝上型计算机18a上的一个用户和桌上型计算机18b上的一个用户)。可在网络10内在纤维环12和同轴线缆20上传送数据。可针对数据的双向传输来配置同轴线缆20。双向数据传输可表示在相反的方向中基本同时的数据传送。例如，可在从房屋至纤维节点15以及从纤维节点15至房屋16的方向中发送数据。
由于同轴线缆20是双向的，所以装置18或房屋16a中的装置18a和18b可能能够基本同地时发送和接收数据。大体上，基本同时地发送双向信号可包括用于避免反向传播的信号之间的直接干扰的技术。这样的技术(其也称为双工技术)可包括时分双工、频分双工和/或码分双工，以允许两个通信装置发送和接收信息。但是，虽然分工双工技术可使得能够有几乎同时的双向通信线路，但是这样的分工双工系统可能不足以处理典型的线缆通信系统中的多种问题。
由于线缆通信网络在大小和复杂性上有所提高，所以诸如带宽和安全性的问题可变得日益重要。例如，线缆通信系统(其包括大邻域中的许多用户)可导致带宽消耗增加。使用网络10作为示例，通过网络节点15发送到房屋16以及从房屋16中发送出的信号可使用较多带宽，因为连接到每个网络节点15上的房屋16增加，以及/或者因为连接附近的房屋16的较多网络节点15连接到网络集线器14上。例如，如果使用频分双工技术来在网络节点15和房屋16之间传输信号，则每个房屋16可使用两个独立的频道，其中，一个信道可用于接收信号，而一个信道可用于发送信号。添加房屋16和/或房屋16中的装置18可进一步增加用来支持房屋16和网络节点15之间的双向通信的频道的数量。超过连接的房屋16的某个数量时，在给定的频谱中可用的频道的数量可变得受限。
另外，安全性考量还可能是由于线缆通信网络的复杂度提高而引起。由于在每个连接房屋16之间发送的所有信号都通过网络节点15在共享的同轴线缆20上发送，所以网络10中的用户可访问通过同轴线缆20的特定部分发送的所有波形信号。例如，拦截器可能能够通过拦截同轴线缆20的一部分来访问从每个房屋16发送出的信号和由其接收的信号。如果使用典型的分工双工技术来发送和接收信号，则分开这样的信号以确定原始内容可为可能的。例如，如果使用频分双工技术，则拦截器可能能够较容易地访问在每个或任何单独的频道上发送的信号，以及确定这样的发送的信号的原始内容。
本技术包括在线缆通信网络中使用可解决带宽和/或安全性问题的无分工双工。无分工双工可通过减少反向传播的信号所引起的干扰来使得线缆网络中的两个装置能够以相同频率以及在相同时间期间发送和接收信号。此外，在线缆网络中实现无分工双工包括在相反的方向中、在相同导体上同时发送信号，以及使用相同频谱空间。在一些实施例中，在线缆上在一个频道中反向传播的发送的信号和接收的信号之间的信号干扰可产生包括干扰成分(其表示发送的信号)的接收的信号。在正常操作期间，接收器输入端口将包含两个信号成分：强的发送的信号和显著地更弱的接收的信号。简单地减去接收器端处的发送的信号一般不足以消除这个干扰，因为接收的发送的信号的版本通常已经经受了一些失真。接收的发送的信号的副本可能由于诸如原始信号的多径反射图像、相位失真和幅度变化和/或延迟的影响而被“破坏”。因此，简单的相减不可解决接收的信号的、发送的信号的干扰成分的变化的类型和幅度。
在线缆通信系统中实现无分工双工技术可解决在接收器输入端口处接收的信号的变化。在一些实施例中，可在网络中的一个或多个装置上实现基于软件的自适应滤波器，以使在装置的发送器输入端口处采样的“干净的”发送的信号在时间和相位上对准存在于接收器输入端口处的“被破坏的”版本。可通过高速模-数(A/D)转换器和软件控制的数字信号处理器来实现这样的技术。例如，通过使用两个14位转换器和单循环自适应滤波器算法，可对低于发送的信号的水平的、进入的窄带信号解码。
在图2中示出了可在线缆通信网络10中实现的无分工双工(DFD)系统的示例。可在线缆通信网络10中的每个房屋16和/或每个网络节点15处实现DFD系统22。连接网络10中的每个房屋16的同轴线缆20可对DFD系统22进行发送和接收。在系统22的发送器部分中，来自发送源(发送器28)的信号26的一部分输入到定向耦接器30，以产生表示发送的信号26的衰减信号26a，同时大部分信号26b输出到线缆20。衰减信号26a输入到发送器输入端口32，并且被A/D转换器36转换成数字信号34。
在系统的接收器部分中，可在接收器前端38处接收进入的信号24，以产生接收的信号40。接收器前端38可包括模拟放大器和/或滤波器，诸如宽频带缓冲放大器。接收的信号40可输入到接收器输入端口42，在实施例中，接收器输入端口42可包括诸如输入塞孔(jerk)的硬件组件，并且接收的信号40可被A/D转换器46转换成数字信号44。在实施例中，接收的信号40和衰减信号26a可被单个A/D转换器(例如高速的14位转换器)或者被多个A/D转换器转换成数字信号。产生的数字的接收的信号44(其也称为初级输入信号44)然后输入到加法器48和自适应滤波器抽头权重估计器50。数字衰减信号34(其也称为基准信号34)也输入到估计器50和数字自适应滤波器52。抽头权重估计器50可定期对数字滤波器52提供抽头权重值。数字滤波器52可对加法器48提供可从接收的信号中减去的、发送的信号的估计，以提供抵消的信号54。
数字自适应滤波器52和加法器48受到软件的控制，并且在实施例中，可包括后向自适应滤波器抽头估计器或块前向抽头估计器。在一个实施例中，自适应滤波器/加法器差分方程由以下等式给出：
Figure 2012103991933100002DEST_PATH_IMAGE002
(1)
其中，y(i)是输出样本，r(i)是接收器输入端口样本(也称为初级输入信号)，t(i)是发送器输入端口样本(也称为基准输入信号)，M是自适应滤波器的长度，并且a(k)是自适应滤波器抽头权重。可通过以下矩阵等式的解来估计滤波器抽头：
(2)
其中
Figure 2012103991933100002DEST_PATH_IMAGE006
(3)
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE008
(4)
以及其中，N是发送器输入端口/接收器输入端口样本的块的长度，在该长度上估计滤波器抽头。
一旦数字滤波器52提供可使用加法器48来从接收的信号中减去的发送的信号的估计，产生的抵消的信号54就可输入到软件控制的数字接收器56，并且可进一步被以任何适当的方式处理。抵消的信号54可能较干净，而没有由于在一个频率或信道上发送和接收信号而引起的干扰。在实施例中，系统20可包括用于在信号40未被数字自适应滤波器52处理的情况下将信号40直接传递到接收器56的旁路开关58。例如，如果信号40退化或被破坏到数字抵消可能无效的程度，则可实现这种实施例。
在一些实施例中，可在连接在通信网络10中的一个或多个节点14或房屋16中实现DFD系统，诸如图2中示出的那个。这些节点或房屋(其称为DFD使能的节点)可使得连接在网络10中的装置18能够在没有分工双工技术(例如，以相同频率和在相同时间)的情况下发送和接收信号，同时减小和/或消除可能由反向传播的信号引起的信号干扰的影响。
图3示出了意于表示可与本技术一起使用的宽泛种类的计算机系统(诸如个人计算机、工作站和/或嵌入式系统)的硬件系统的一个实施例。在一些实施例中，DFD系统22可耦接到这种硬件系统上，并且可包括具有用于实现DFD技术的硬件和软件组件的外部控制，包括DFD系统22的单独组件的控制。在图3中示出的实施例中，DFD系统22的硬件组件可包括耦接到高速总线64上的处理器60和大容量存储装置62。用户接口装置66也可耦接到总线64上。适当的接口装置66的示例可包括显示装置、键盘、一个或多个外部网络接口等。输入/输出装置68也可耦接到总线64上。在实施例中，用户接口装置66(例如显示器)可传送与自适应滤波器52和/或软件控制的数字接收器(图2)的操作状态有关的某些信息。例如，显示器可显示与自适应滤波器抵消的质量有关的信息。
某些实施例可包括额外的组件，可能不需要所有上述组件，或者可结合一个或多个组件。例如，大容量存储装置62可在带有处理器60的芯片内。另外，大容量存储装置62可包括电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，其中，在EEPROM中的地方执行软件例程。一些实现可采用所有组件都耦接到其上的单个总线，或者多种额外的组件可耦接到其上的一个或多个额外的总线和总线桥。额外的组件可包括额外的处理器、CD-ROM驱动器、额外的存储器和其它外围组件。
线缆通信系统中的这种DFD技术可处理线缆网络中的带宽考量。可在同轴线缆20上以单个频率以及在基本相同时间传播发送的信号和接收的信号，频分双工技术和时分双工技术可能不是必需的。与频分线缆网络中使用的频道数相比，使用DFD技术的线缆网络10中的连接的房屋16所使用的频道的总数可显著地更少(例如一半)。此外，与使用时分双工的网络中的数据速率相比，DFD使能的网络10中的数据速率可得到显著的改进(例如两倍)。在一些实施例中，虽然可在每个房屋16的DFD系统22和/或网络节点15的DFD系统22处使用DFD技术，但是典型的分工双工技术仍然可用于房屋16处的多个装置18。例如，DFD使能的房屋16a中的多个装置18a和18b可使用时分双工技术、频分双工技术和/或码分双工技术来将数据发送到连接到房屋16a的同轴线缆端口上的DFD系统22以及从DFD系统22接收数据。
在线缆通信系统中实现DFD技术还可处理线缆网络中的安全性考量。从每个房屋16发送出的信号以及由其接收的信号通过同轴线缆20反向地传播，如果信号被拦截，则可能更难分开从房屋16或网络节点15发送出的原始信号。另外，在一些实施例中，DFD系统22可配置成对发送的信号和/或接收的信号进行加密和/或解密，以提高安全性。例如，线缆公司可对DFD系统22使用多种加密技术，以保护在网络10内传送的数据的内容。在这样的实施例中， DFD系统22中的发送器28可包括适合于在将发送的信号26输出到线缆20之前对发送的信号26加密的软件。软件控制的数字接收器56也可包括适合于对抵消的信号54解密以确定原始信息的软件。
例如，发送加密信号可包括最初在DFD通信中、在一个或两个方向中发送加密变量。在一个实施例中，如图4中示出的那样，DFD技术可用于在传送加密信号之前发送加密变量70。加密变量70可表示用于执行发送的信号或接收的信号的加密或解密的算法或密钥。在一些实施例中，加密变量70可发送自在通信的任一侧上的DFD使能的网络节点，或者被其接收。例如，或者用户的DFD系统22(例如在房屋16a中的线缆订户处的DFD系统22)或者网络节点15的DFD系统22可在线缆20上发送加密变量70。加密变量70的发送在图4中表示为存在第一DFD系统22a和第二DFD系统22b。
在一些实施例中，第一DFD系统22a可将加密变量70发送到第二DFD系统22b。在第二DFD系统22b接收加密变量70时，第二DFD系统22b还可发送宽带噪声72，使得拦截器不可通过拦截线缆20来容易地揭露加密变量70。因此，加密变量70和噪声72的传送可为基本双向的、同时的，并且发生在两个DFD系统22a和22b之间的相同线缆20上。因为第二DFD系统22b产生发送的信号26b的衰减版本(即噪声72)，所以第二系统22b可使用衰减信号(即图2中的信号26b)来恢复第一DFD系统22a所发送的加密变量70。一旦加密变量70恢复，第二DFD系统22b就可使用该加密变量70来对接收自第一DFD系统22a的其它加密信号解密。在一些实施例中，可使用处理器60(图3)来控制解密信号和/或加密信号的过程。
虽然已经在本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解的是，所附权利要求意于覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。
元件列表
10线缆通信网络
12纤维环
14网络节点
16房屋
18装置
20同轴线缆
22DFD系统
24接收的信号
26发送的信号
28发送器
30定向耦接器
32发送器输入端口
34基准输入
36高速A/D转换器
38接收器前端
40接收的信号
42接收器输入端口
44数字信号
46高速A/D转换器
48加法器
50滤波器
52自适应滤波器
54抵消的信号
56数字接收器
58旁路开关
60处理器
62大容量存储装置
64总线
66用户接口
68I/O装置
70过程
72开始通信
74接收加密变量
76加密变量
78发送噪声
80噪声
82恢复加密变量
84带有加密的DFD通信。

Claims (23)

1. 一种方法，包括：
在第一方向中、在线缆通信网络中的线缆上从第一装置发送数据；以及
在与所述第一方向相反的第二方向中、在所述线缆上从第二装置发送数据，其中，使用无分工双工(DFD)技术，基本同时在所述第一方向和所述第二方向中发送所述数据。
2. 根据权利要求1所述的方法，包括下者中的一个或多个：
在所述第一装置处对在所述第一方向中发送的所述数据加密；以及
在所述第二装置处对在所述第二方向中发送的所述数据加密。
3. 根据权利要求2所述的方法，包括：
在所述第二装置处接收在所述第一方向中发送的数据；以及
在所述第二装置处对在所述第一方向中发送的数据解密。
4. 根据权利要求1所述的方法，包括将加密变量从所述第一装置发送到所述第二装置。
5. 根据权利要求4所述的方法，包括：
在所述第一装置将所述加密变量发送到所述第二装置时，从所述第二装置发送宽带噪声；以及
所述第二装置处使用DFD技术来移除所述宽带噪声，以恢复所述加密变量。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述DFD技术包括：
接收来自所述线缆的模拟初级信号；
接收来自发送器的模拟基准信号；
将所述模拟初级信号转换成数字初级信号；
将所述模拟基准信号转换成数字基准信号；以及
用数字自适应滤波器处理所述数字基准信号数字，其中，所述数字自适应滤波器使用所述数字基准信号和数字初级信号作为用于确定所述数字自适应滤波器的滤波器权重的输入，以提供输出；以及
从所述数字初级信号中减去所述数字自适应滤波器的所述输出，以产生数字抵消的信号。
7. 权利要求1所述的方法，其中，在所述第一方向中发送的所述数据和在所述第二方向中发送的所述数据在相同频道上发送。
8. 一种线缆通信系统，包括：
多个节点，其各自包括配置成使得所述多个节点中的每个能够在无分工双工(DFD)模式中操作的DFD系统；以及
配置成控制所述多个节点中的每个的操作模式的处理器。
9. 根据权利要求8所述的线缆通信系统，其中，所述多个节点中的两个或更多个之间的通信通过同轴线缆来发送。
10. 根据权利要求8所述的线缆通信系统，其中，所述多个节点包括一个或多个网络节点和各自包括多个节点的一个或多个纤维环，其中，所述一个或多个网络节点中的每个连接到一个或多个纤维环上。
11. 根据权利要求10所述的线缆通信系统，其中，连接到所述一个或多个纤维环上的所述多个节点中的每个配置成接收来自所述一个或多个网络节点中的一个的加密变量。
12. 根据权利要求11所述的线缆通信系统，其中，连接到所述一个或多个纤维环上的所述多个节点中的每个配置成在接收所述加密变量时发送噪声，以及使用DFD技术来恢复所述加密变量。
13. 根据权利要求11所述的线缆通信系统，其中，所述处理器配置成控制：所述加密变量从所述一个或多个网络节点中的一个的发送以及所述加密变量在连接到所述一个或多个纤维环上的所述多个节点中的每个处的接收。
14. 权利要求11所述的线缆通信系统，其中，所述一个或多个纤维环中的所述多个节点中的每个耦接到所述线缆通信系统的用户。
15. 根据权利要求9所述的线缆通信系统，其中，所述多个节点各自包括用于进行下者的指令：
接收初级信号；
接收来自发送器的基准信号；
用自适应滤波器处理所述基准信号，其中，所述自适应滤波器使用所述基准信号和初级信号作为用于确定所述自适应滤波器的滤波器权重的输入，以提供输出；以及
从所述初级信号中减去所述自适应滤波器的所述输出，以产生抵消的信号。
16. 根据权利要求9所述的线缆通信系统，其中，所述处理器配置成使用分工双工方案来操作所述多个节点的相应的节点。
17. 一种无分工双工(DFD)系统，包括：
能够在线缆网络中接收来自同轴线缆的模拟初级信号的接收器；
能够将模拟发送的信号发送到所述同轴线缆的发送器；
能够对所述模拟发送的信号的一部分采样以提供模拟基准信号的定向耦接器；
能够将所述模拟初级信号转换成数字初级信号的第一模-数转换器；
能够将所述模拟基准信号转换成数字基准信号的第二模-数转换器；以及
包括用于进行下者的指令的处理器：
用自适应滤波器处理所述数字基准信号，其中，所述自适应滤波器使用所述数字基准信号和数字初级信号作为用于确定所述自适应滤波器的滤波器权重的输入，以提供输出；以及
从所述数字初级信号中减去所述自适应滤波器的所述输出，以产生数字抵消的信号。
18. 根据权利要求17所述的DFD系统，其中，所述DFD系统配置成耦接到线缆通信网络中的网络节点上。
19. 根据权利要求17所述的DFD系统，其中，所述DFD系统配置成耦接到线缆通信网络的用户装置上。
20. 根据权利要求17所述的DFD系统，其中，所述发送器配置成以与所述接收器接收所述模拟初级信号相同的频率将所述模拟发送的信号发送到所述同轴线缆。
21. 根据权利要求17所述的DFD系统，其中，所述发送器适合于将加密变量发送到所述同轴线缆。
22. 根据权利要求21所述的DFD系统，其中，所述接收器适合于接收加密变量，并且所述发送器适合于在所述接收器接收所述加密变量时发送噪声，以及其中，所述处理器包括用于进行下者的指令：使用所述自适应滤波器，以及减去所述自适应滤波器的所述输出，以恢复所述加密变量。
23. 根据权利要求22所述的DFD系统，其中，所述处理器进一步包括用于进行下者的指令：使用所恢复的加密变量来对在所述接收器处接收的加密信号解密。
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