CN1040471A - 采用分布交换的用于声音和数据的分时多路传送通讯系统 - Google Patents

Abstract

一个网络，带有一单个媒介，媒介有一发送通道在一头端转换成一接收通道。系统的所有节点在一实际树型结构的逻辑总线系统中耦接到发送通道和接收通道。时隙由一时标发生器限定，每个节点只在接收通道上探测时标。各个时标之间的时间定义一个帧，而每个帧由多个时隙构成。每个节点只在接收线路上而不在发送线路上接收时标，以决定它在一指定时隙中发送信号所必须的滞后时间。每个节点离头端的实际距离不同。

Description

本发明涉及采用分时多路传送的局部区域网络通讯系统。

当今，许多办公室采用网络在办公室内的计算机终端和其它装置之间传送数据。对于声音通讯，一般用到一种专用的交换分机（PBX）。在一个交换分机中，所有电话机连到一个中心交换装置，该中心交换装置将各个电话分机互相连接，并提供与外部公共交换网络的连接。

对于数据通讯，则采用了几种不同的结构。在星形网络中，所有终端连到星的中心点，该中心点提供了对数据的中央控制。这种系统中的中央控制依靠轮流将来自一个或其余传送终端的数据在其时隙来到之前存储在寄存器中，可以将来自不同终端的数据进行分时多路传送。中央控制单元提供将数据插入到其相应的时隙中所必须的同步。遗憾的是，星形网络有几个缺点。能通过交换矩阵的带宽，以及通过交换的数据的完整性是有限的。此外，因为每增加一个电话机，就必须铺设一条从中央控制到设电话机的新的线路，所以，难以布置线路。另外，中央控制系统出错会使整个系统瘫痪。

另一种数据系统结构，也是较容易布置的一种，是环形网络。在环形网络中，一根电缆穿过每一个数据终端，因此，网络的带宽被分享。带宽多路传送采用标记方法，而不是依赖于分配时隙或取得时隙。在这种方法中，一个标记从一个终端传到另一个终端，希望进行信号传送的终端将该标记抓住。一个终端除非有了这标记，否则是不能进行信号传送的，所以，在某一时间里，仅有一个终端将进行信号传送。因而这种类型的分时多路传送不规则地脉冲式传送数据，而不是在有规则分配的时隙长度内传送。这种传送类型适合于通常发生得不频繁但时间较长的脉冲式数据通讯。另一方面，声音通讯需要在较长时间内有一持续的连接。

在以太（Ethermet）系统中，采用了一种防止因两个用户同时试图获得网络带宽而产生的差错的替换结构。在这个系统中，终端在能传送信号之前先看网络带宽是否已在使用中，然后在传送过程中，读数据终端再测定传送出的数据是否以相同的形式被接收到。如果接收到的数据不同，则有另一个终端同时也在传送信号，导致冲突，并因而形成被混杂的数据。于是，传送站停止传送，在一随机量时间之后再传送信号。这样，就不再需要对获得网络带宽的时隙的中央控制。因为数据传送发生得不频繁，第二次传输发生冲突的可能性较低。但耦合到系统的终端数量增多，冲突的可能性也随之增大。这种系统不适合于声音传输，因为声音通讯需要在较长时间内持续传送，冲突的可能性会因而增大。另外，通过网络的延迟时间是不固定的。

在授予科菲的名称为“分布交换网络（DSN）”的美国专利第4，470，140号中揭示了一种不用专用交换分机但综合了声音和数据通讯的途径。该DSN系统立足于一多总线网络。在DSN系统中，通讯媒介由双绞线构成。为了网络工作正常，至少要敷设三对绞合线路。这种线路绞合起到DSN系统的支持的作用。其中一对用来向线路组中心装置传送信息，余下两对用在一反馈线路中，以通过线路组中心装置从其它单元或远程单元接收信号。每根传送和接送线分成各个帧（frame），再分成各个时隙（timeslot）。在该网络中，任意两个单元之间的通讯要求每个单元为其自身传输需要取得一个时隙，并接收和读出另一单元的时隙，以提供双向通讯。DSN系统的一个主要假设是，各根总线是同步的，换句话说，总线上不容许信号溢出或时间不配合。每个时隙被划分成能接收一个字节的信息，这样，定时错误就不会发生了。

DSN系统本身由两个主要单元构成，并行存取通讯接口块（PIBs）和线路组中心装置。PIBs用于将通讯装备连接到网络上。PIBs与发送线路和反馈接收线路的上游部分并行连接。采用并行存取是重要的，因为当一块PIB在公用传输线路上传送信号时，这种传送同时向上游和下游发出。线路组中心接口装置（LGIS）是DSN系统中所有绞合线路的终点。LGIS提供了网络定时，发送和接收线路之间的转换、室内呼叫和公共交换电话网之间的转换、以及所有网络控制功能。

在一块PIB要发送信息时，有两件事情发生。PIB发送线路首先取得定时信息，从而确定何时在发送总线上发送信号。该定时信息由线路组中心装置产生，并送出到接收线路上。通过测定接收和发送线路的状态，该PIB能确定有一特定时隙可以使用。这种对是否有一时隙可供使用的测定完全依赖于PIB与发送和接收线路的并行连接。

本发明提供了一种具有宽频带通讯通道的网络。该通道在结构上组织成一条时序总线。系统的所有节点同时耦合到发送媒介和接收媒介。网络带宽细分成时隙。时隙由一时标发生器限定，而每个节点探测仅在接收媒介上的时标。各个时标之间的时间限定一个帧，每个帧由多个时隙构成。在该网络中，各个节点到一中心折返点或头端可有不同的实际距离，由于在到达头端并返回的传送时间上的差别，导致各个节点在相对于所接收到的时标不同的时间发送信号。因而，每个节点发出一个测试信号，并在发送后测定时间，直到接收到返回的测试信号。这段时间称为滞后时间，用来发送信息。在所有随后的发送过程中，每个节点在它试图发送的时隙之前，提前等于滞后时间的一个时间发送信号。

本发明采用的网络是与媒介无关的。在一个实施例中，发送媒介是一根宽带公用无线电视（CATV）电缆，由不同频带定义发送和接收通道。系统的头端包括一个频率转换器，用来将从发送通道发出的信号转换到接收通道的接收频带内。该系统允许有多个通道，增加了能连到该系统上的用户的数量。信息在一个时隙内异步发送，这样，消除了对将一发送包放在一个特定时隙内所需的精确同步的要求。每个通道可能包含多个信号发送时隙和声音发送时隙。每个帧最好有一指定用来发出信号包的第一部分，和随后用于声音通讯的多个时隙。当一个节点要呼叫另一个时，在分时通道的信号发送部分中发送一个识别信号，并指定信号发送通道。在被呼叫的节点接收到该信号后，它在信号发送部分发出一个确认信号。呼叫节点然后发信号给一特定时隙，在该时隙中，数字化的声音或数据将随后来到。任何一个节点可以指示另一个节点转换到另一个时隙或通讯通道中。例如，这可以在一个通道极度忙碌时进行。对于双向声音通讯，最好第一个节点在相间帧的特定时隙内发送，而第二个节点在其间的帧中发送。

数据和数字化的声音都以相同方式送出，这样简化了所需的电路。该信号发送通道采用一种分隙阿罗哈（ALOHA）类型的冲突探测系统，每个节点在接收线路上监督，以确定发出的信号是否以相同的形式被接收到。如果测到一个冲突，该节上就等候一随机量的时间，再试图发送。声音时隙内的冲突利用一种ALOHA冲突技术测出，依靠这技术，在一假定空闲的时隙中插入一个测试信号，并将接收到的信号与原始信号比较。如果该测试信号未遭破坏地返回，就认为该时隙已被获得了。如果测出一个差错，节点就等候，取得另一个时隙，整个过程再次进行。在信号发送之前，节点必须确定一系列帧中是否该时隙都可用。一旦一个节点通过在其中发送信号而获取一个时隙，则在通讯期间它将一直保持住那个时隙。其它节点将测到正在那个时隙中传送的数据，而不再试图取得那个时隙。

图1是本发明的通讯系统的一个方框图;

图2是由图1头端再发送单元进行的频率转换的示意图;

图3是说明到达头端再发送单元的发送时间差的示意图;

图4是连接在图1系统中一个节点上的电路的方框图;

图5是用于连在图1的系统的一个节点上的电话机的电路的示意图;

图6是显示根据本发明的分时多路传送的定时图;和

图7是用在本发明的一个通讯系统中的不同频率通道的示意图。

图1示出一个通讯系统，其中，一个有多个分支14的宽带媒介12（最好是宽带同心或光纤电缆）耦接到一头端再发送单元（HRU）16。尽管该网络在拓扑学上是树结构，但它在逻辑上构成一时序总线，如图3所示。

图中示出了多个声音接口单元（VIU）18，每一个都耦接到一电话机20。图中还示出一个中继接口单元（TIU）它有多根中继线，以耦接到公共交换网络。一般，一个完整的系统有大量声音接口单元18，并可能有好几个中继接口单元22。另外，网络中提供了两个维护节点，称为维护员接口单元26和网络管理员节点28。

在最佳实施例中，频率转换由图1的头端再发送单元（HRU）16执行，如图2所示。图1中各个节点30发送的信号由HRU16在第一频带32中接收。HRU将这些信号转换到第二频带34内，并顺着宽带电缆将信号发送回所有节点。频带32和34每个最好为6兆赫（MHz）宽。可以增加附加信道作为其它的数据发送或附加声音通道。发送通道最好是在5到108MHz的范围内，而接收通道最好是在174到400MHz的范围内。这是大多数宽带局部区域网络所采用的分频多路传送用的中分形式。

在最普通的情况下，HRU在网络上游支线上接收信号，将它们再发送到网络的下游支线。因为上游信息包到达HRU时的相对相位随着VIU在网络中的实际位置而变化，通过给这些信息包加上小于1的延迟量，并通过在没有上游数据的时间里插入一伪静寂帧面（pseudo-silence    pattern），HRU提供给下游频带一个恒定相位数据信号。HRU采用一个在本技术领域中众所周知的数字锁相环（DPLL）来插入这种可变化的小于1的延迟量。

设置在VIU调制解调器中的一个锁相环（PLL）从这下游信号中复原出系统时钟，接收器/发送器电路采用那个时钟来接收下游数据，以及发送上游数据。

图3示出一对声音接口单元（VIU）36和38，宽带电缆12上的频带32（见图2）示意性地表示为一根发送线路40，而频带34示作为一根接收线路42。VIU36和38中的每一个在箭头44、46所示的频带32（线路40）中发送信号。类似地，VIU36和38中的每一个在箭头48、50所示的频带34（线路42）中接收信号。在图3中线路42下面示出一串出现在频带34中的时标52。

可以看到，VIU36相对HRU16有一距离L，而VIU38相对HRU16有一距离L。如果VIU36试图在测到时标52之后N微秒实际开始的一个时隙中发送信号，那么，实际上VIU36在时间t（时滞）之后接收到该发送信号。时间t（时滞）等于（2＊L₂/C）+t₀，其中，L₁是到HRU16的距离，C是信号在传送媒介上的速度，t₀是通过HRU引入的任何延迟量。另一方面，VIU38来的信号发送将滞后（2＊L/C）+t₀。因此，由VIU36发送的数据比VIU38发送的数据更落后于时标52。

在过去，这个问题通过在发送线上使用一个时钟而得到解决，如环形网络那样;或者通过使用并行发送时钟来解决，如早些时候讨论的科菲专利那样。根据本发明，每个在启动的VIU将通过发送出一个测试数据包，并计算它接收到该测试数据包之前的时间值，来确定其特有的滞后时间。然后这段时间被标示为滞后时间，此后发送的每个信息包将比那个特定VIU在接收线路42上探测到特定时隙的时间提早等于该滞后时间的时间量发送出去。测试包在接收到帧时标之后立即发出。例如，如果一个VIU测出滞后时间为38微秒，那么，这表明网络半径大约为3英里（假定电磁波在同心媒介中每英里延迟6.25微秒）。

时称52最好由一个设置在图1的HRU16中的时标发生器产生，或者由耦接到发送线路40沿线某个点上的一个独立的时标发生器产生。该时标发生器可以在电缆12的任何位置上，但必须如图2中所示那样，在频带32中发送信号。然后，时标由HRU16转换入频带34中。频带32内的信号发送将不会引起任何其它节点的注意，因为它们不在那个率带内接收信号。

图4是任何连接到本系统的节点的电路的方框图。一个媒介接口单元将该节点耦接到该媒介并连接到控制逻辑单元。一个应用接口单元将该特定应用耦接到控制逻辑和媒介上。这个核心技术使得调制性成为可能，并极大地降低了新的应用产品开发的复杂程度及所需时间，并使得能快得多地交付高质量、可靠的产品。

图5是本发明的声音接口单元的示意图。用作为媒介接口单元的调制解调器60耦接到一宽带电缆系统和一链耦电路62。该链耦电路62通过编码译码器（编码器/设码器）64耦接到一电话机接口电路66。链耦电路62由一中央处理单元（CPU）及其相关的随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）控制。该链耦电路由一个接收器/发送器（RT）、一个信息包控制器（PCTL）和一信息包RAM（PRAM）构成。在这个结构中，编码译码器和电话机接口逻辑充当应用接口单元。链耦电路、CPU、RAM和ROM作为节点控制逻辑单元。

参照图6的定时图可以理解声音接口单元的工作。由时标发生器单元发出的时标52每毫秒发送一个，建立起链形帧结构。每个VIU的R_xT_x电路在检查时标的完整性之后，将其内部计数器锁定到由时标建立起来的帧上。

VIU的CPU指示R_xT_x和PCTL电路紧随时标的时隙中送出信号包。R_xT_x测出第一个这种信号包（SP）的滞后时间，并在收到下一个时标之前（即其接收帧开始之前），将其发送帧调节到起始（时滞）数位。这样，由一个VIU发送的任何信号或声音包将在相对于该时标的恰当时间出现在HRU上。

RT电路监督每个来临的时隙，并通过探测是否出现信息包分界符，来确定该时隙是空闲的，还是已被占用的。它将该信息送给PCTL电路，该电路在PRAM中保持了一张这种信息的表格。该PRAM与PCTL和CPU之间是双口连接的;这样，CPU在它需要建立一种联系时能够读出这些表，并选择一个空闲的时隙。

一个VIU的CPU通过指示R_xT_x在一个时隙中送出的时隙信息包的前半部分中包括一个请求声音，并确证没有其它VIU在同时试图申请该同一个时隙，而申请到一个声音时隙。该R_xT_x电路通过将发出的信息包与收到的信息包比较，检查是否相同，而证实这一点。网络中所有其它单元在该被申请的时隙中看到该申请声音包，从而在它们的驻留PRAM空闲/占用时隙表中将该时隙的状态从空闲改成占用。

一旦申请到一个时隙，该CPU就能命令PCTL电路在一网络声音时隙与一编码译码器之间建立一种数字联系。R_xT_x电路在选出的时隙中从网络收到来临的串行脉冲编码调制数据采样，并将它们形成帧，进行串行到并行的转换，将样值给PCTL电路。然后，该PCTL电路在驻留PRAM环形缓冲寄存器中寄存该数据，并根据要求将数据字节送到编码译码器。

在反方向上，该编码译码器给PCTL电路输送PCM（脉冲编码调制）数据采样，PCTL电路将它们寄存在驻留PRAM环形缓冲寄存器中，直到它们必须由一个网络声音包发送出去为止。然后，PCTL电路从PRAM中检索这些样值，并将它们传给R_xT_x电路，R_xT_x电路给它们加上一个前序和分界符（为了在信息包目标处正确成帧），进行并行到串行的转换，并在选中的时隙中将该信息发送给网络。

另外，PCTL电路根据需要从含有音调数字采样的驻留PRAM缓冲寄存器向编码译码器输送音调（拔号音、回叫音、忙音、DTMF音等等）。PCTL还利用驻留PRAM查询表根据系统损耗情况需要放大或衰减信号。

在工作时，当一个用户拿起电话机20并拔了一个号码后，CPU68测到这次拔号，并指示信号包控制器76发送一个寻找所拔号码网络地址的呼叫请求信号包。呼叫的号码可以是网络中另一个VIU，或者是通过首先寻址一个中继接口单元22而寻址的一个外部号码。每个节点或声音接口单元在网络中有一地址存储在ROM72中。包控制器76在一个空的信号包区域88中发送呼叫请求信号包，进行冲突探测，以确定发送是否成功。呼叫请求信号包将指定一个时隙用来答复。然后各个帧受到监视，以确定是否从被呼叫节点接收到确认信号。在被呼叫节点处的网络组成部分将读出对它寻址的呼叫请求信号包，并通过在指定时隙的对应帧中发出答复来作出反应。如图6所示，接收网络节点总是在帧B中发送，而发送节点则采用帧A。每个帧A和B在每个周期中出现一次。如果接收到一个确认信号，则在指定时隙中开始数字化声音信号的发送。呼叫节点在各个帧A中发送信号，而被呼叫节点在各个同周期对应的帧B中发送信号。

每个网络节点有一数字地址。在多通道系统中，一个信号包（依次地）送到网络的所有通道中。被呼叫网络节点的反应可能是，它正忙于另一个通讯，它已准备好接收信号发送，或者是该呼叫节点应该转换到另一个通道中发送信号。这提供了在通道之间转换的分配能力，消除了用一中心桥连接各通道的需要。

图7是用在本发明通讯系统的一个最佳实施例中各种通道的示意图。如图所示，对于特定的局部区域网络，一些通道用于声音通讯，而其它通道指派给视频或数据信号发送。每个通道有一接收和发送部分，每一个为6兆赫宽度，发送和接收通道如前面讨论的那样在频率上区分开。

那些对本技术领域熟悉的人将能理解，本发明可以其它特有形式实施，而不会脱离本发明的精神，或丧失其基本特征。例如，可以采用红外或其它传输媒介，以代替宽带同心电缆、光纤。另一方面，声音和数据可以在同一通道上交错的时隙中发送，以代替将声音和数据分开在不同通道上的方法。另外，网络可以以这样的方式构成和操作，即给每个节点指派一个特定的时隙，一个或几个其它的节点充当一个中央信号分路点。在这种情况下，网络作为一个分布的、按地区分开的多路转换器。因此，对本发明最佳实施例的揭示是说明性的，而不是对权利要求中陈述的本发明的范围的限定。

Claims (11)

1、一种用于在一分时多路传送通讯系统中一个指定时隙内从一个节点发送信息的方法，其特征在于，所述通讯系统具有一根终止于一头端的单向发送总线，该总线在所述头端转变成一从所述头端出发的单向接收总线，所述方法包括以下步骤：

在所述发送总线上从所述节点发送一个测试信号；

在所述节点处从所述接收总线接收所述测试信号；

计算在所述发送和接收步骤之间的经过时间；和

在所述时隙到来时间之前，提前一个等于所述经过时间的时间，在所述节点处，在所述接收总线上发送一个信息信号。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括将一声音信号数字化以产生所述信息信号的步骤。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送一个信息信号的步骤包括在所述时隙内异步地发送所述信息。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：

产生一周期性的时标，所述时标之间的周期构成帧，每个帧有多个时隙;

在第一帧内所述指定时隙中将信息信号发送到一第二节点，所述第一帧每隔一个帧出现一次;和

在第二帧内所述指定时隙中从所述第二节点接收信息信号，所述第二帧出现在所述第一帧之间。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述产生一周期性时标的步骤包括从一公共交换网络接收一定时信号，和用所述公共交换网络定时信号生成所述时标。

6、一种在一多通道通讯系统内在第一和第二节点之间发送信息的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

在一第一通道上从所述第一节点发送一呼叫信号到达所述第二节点;和

响应从所述第二节点来的一个回答信号，在一第二通道上从所述第一节点发送信息到所述第二节点，所述回答信号是一个转换到所述第二通道的指令，或者是对一个从所述第一节点来的转换到所述第二通道的指令的确认。

7、一种在多个节点之间交换信息的通讯系统，其特征在于，它包括：

一个单向发送媒介，它将每个所述节点耦接到所述发送媒介的一个头端;

一个从一起始端延伸到每个所述节点的单向接收媒介;

将在所述发送媒介的所述头端接收到的信号转换到所述接收媒介的所述起始端的头端转换装置;

在所述接收媒介上产生一周期性时标的装置，每个在一对时标之间的间隔作为一个帧，每个帧限定了多个时隙;

在所述发送媒介上从一第一节点发送一测试信号的装置;

在所述接收媒介上于所述第一节点处接收所述测试信号的装置;

计算在所述测试信号的发送与接收之间经过的滞后时间的装置;和

在一特定时隙到达所述接收装置之前，提前等于所述滞后时间的一个时间，就所述特定时隙发送信息的装置。

8、如权利要求7所述的通讯系统，其特征在于，它还包括耦接到所述第一节点，将一声音信号数字化以生成所述信息的装置。

9、如权利要求8所述的通讯系统，其特征在于，所述发送媒介和所述接收媒介是在一个实际媒介上的分开的频道，所述转换装置是一频率转换器。

10、如权利要求9所述的通讯系统，其特征在于，它还包括多个将声音信号数字化的装置，每个数字化装置耦接到所述节点之一，每个所述节点具有一独立的地址，系统还包括多个存储器，每个存储器耦接到所述节点之一，以存储所述节点的地址。

11、如权利要求9所述的通讯系统，其特征在于，它还包括在所述实际媒介上的多个发送和接收通道，每个所述节点带有在不止一条通道上发送和接收信号的装置。

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