CN104247406A - 具有软件可重配置mac和phy能力的分布式电缆调制解调器终端系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种分布式且软件可重配置的CMTS(CMRTS)装置，该装置基于具有FPGA和DSP组件的MAC单元和PHY单元以用于HFC CATV网络。诸如QAM调制器的各种CATV RF调制器可在位于电缆设备处的QAM调制器与理想地位于光纤结点处的远程QAM调制器之间进行划分。CATV QAM数据波形的基本集可以使用第一光纤可选地被传送到结点，并且第二IP/点播数据集可以使用替代光纤或者替代光纤频率并且可选地使用诸如以太网协议之类的其它协议被传送到结点。所述结点提取特定于每个邻域的数据并且将该数据注入到未使用的QAM频道中，因此通过更精细的间隔实现提高的数据传输率。还公开了一种用于对基于FPGA和DSP的CMRTS单元进行管理和重新配置的“虚拟架构”控制系统。

Description

具有软件可重配置MAC和PHY能力的分布式电缆调制解调器终端 系统

相关申请的引用

本申请要求，发明人Shlomo Selim Rakib于2012年7月22日递交的美国专利申请13/555,170，标题为“DISTRIBUTED CALBE MODEM TERMINATION SYSTEM WITH SOFTWARE RECONFIGUABLEMAC AND PHY CAPABILITY(具有软件可重配置MAC和PHY能力的分布式电缆调制解调器终端系统)”的优先权并且为该申请的延续；本申请还要求发明人Shlomo Selim Rakib于2012年5月23日递交的美国专利申请13/478,461，标题为“EFFICIENT BANDWIDTH UTILIZATION METHODS FOR CATV DOCSISCHANNELS AND OTHER APPLICATIONS(用于CATV DOCSIS信道和其他应用的有效带宽利用方法)”的优先权；本发明还要求发明人Shlomo Selim Rakib于2012年4月10日递交的美国临时申请61/622,132，标题为“EFFICIENT BANDWIDTH UTILIZATION METHODS FOR CATV DOCSIS CHANNELS ANDOTHER APPLICATIONS(用于CATV DOCSIS信道和其他应用的有效带宽利用方法)”的优先权；本申请还要求发明人Shlomo Selim Rakib于2012年2月20日递交的美国专利申请13/400,415，标题为“METHODSOF ADAPTIVE CANCELLING AND SECONDARY COMMUNICATIONS CHANNELS FOR EXTENDEDCAPABILITY HFC CABLE SYSTEMS(适应性取消的方法和用于扩展能力HFC电缆系统的次级通信信道)”的优先权；这些申请的内容通过引用的方式合并在本申请中。

背景技术

最初在20世纪40年代末期作为通过同轴电缆将电视信号传送到接受较弱的地区中的家庭的方式被提出的电缆电视(CATV，Cable Television)已经经过了多年的改进以及扩展以使得电缆介质能够对数量不断增长的包括数字电视以及宽带互联网数据的不同类型的数字数据进行输送。

最显著的改善之一发生在20世纪90年代，当时大量的通过非营利研发联盟(R&D consortium)CableLabs工作的主要电子和电缆运营商公司提出了电缆数据服务接口规范(DOCSIS，Data Over CableService Interface Specification)。首先作为DOCSIS 1.0版本在20世纪90年代末期被提出并且自此经过了多次升级(目前为DOCSIS 3.0版本)，DOCSIS标准定义了通过同轴电缆发送相对大量的数字数据所需的物理层(PHY，Physical Layers)以及媒体访问控制(MAC，Media Access Control)层，所述同轴电缆最初被设计为处理模拟的标准清晰度电视频道。

起初，模拟电视(在美国)将电视频道作为从大约54MHz(起初被用于甚高频VHF频道2)直到大约885MHz(现在不再使用的超高频UHF频道83)频率处的一系列大致为6MHz带宽的射频波形进行传送。该电视信号被作为组合振幅调制信号(用于黑白部分)、正交振幅调制信号(用于彩色部分)以及频率调制信号(用于声音部分)来传送，并且该组合信号将被指定为频分复用(FDM，Frequency DivisionMultiplexed)信号。

随着20世纪80年代末期和90年代初期数字电视以及高清晰度电视标准化的到来，基本的6MHz带宽的模拟电视频谱被保留下来，但是调制方案改变为更加复杂并且具有更高数据速率的正交振幅调制(QAM)方案，该方案能够把数字信息编码到非常复杂的QAM模拟信号(波形)上。

DOCSIS标准建立在该模拟和数字TV基础上，并且对提供宽带互联网服务(Internet protocols，或IP)、网络语音电话业务(VoIP，Voice over IP)、定制点播视频以及其它基于以前建立的用于数字和高清晰度电视的QAM数据传送波形(通常仍为6MHz宽度)的现代服务的补充标准进行了规定。

因此，通过一系列的步骤，最初从20世纪50年代以及60年代开始以巨大的支出用于数百万住户的简单的同轴电缆已经被逐步升级以适应不断增长的数字数据的需求。在每个房屋(或者公寓、办公室、商店、餐厅或者其它地点)，住户通过电缆调制解调器连接到CATV电缆上，使用电缆调制解调器来提取下行DOCSIS数字数据(经常被用于高速互联网)并且注入上行DOCSIS数字数据(同样经常被用于高速互联网应用)。

不幸的是，即便是在同轴电缆中，能够用于传送数据的带宽量也是有限的。同轴电缆以及同轴电缆的相关射频接口设备通常只使用大约1000MHz以下的频率范围，因而存在对于20世纪50年代同轴电缆最终能够传送的数据量的限制。

相比之下，使用更高的光频段(通常具有800-2000纳米范围内的波长)的光导纤维(纤维光学、光纤)技术能够传送更大量的数据。光导纤维数据速率通常为每秒几十甚至几百吉比特。实际上，在不几近用尽光导纤维携带附加数据能力的情况下，整个RF CATV电缆的从0至1000MHz的频谱能够被转换为光波长(例如，1310nm或1550nm)，由光导纤维携带，并且在光纤的另一端被转换回完整的RF CATV电缆频谱。

该转换进程能够通过相对简单的光学数字转换器或者数字光学转换器来实现，在转换进程中，CATVRF波形通过位于将光导纤维连接到CATV电缆上的结点(光纤结点)中的简单的(“非智能”)E/O或者O/E转换器与光信号之间反复转换。

光导纤维的更高的数据携带能力同样允许携带附加数据，并且在一些方案中，在一个光波长(例如1310nm)处携带本质上模拟(以模拟形式编码数字)的CATV波形的频谱，并且可以在替换光波长(例如1550)处携带以完全不同的协议进行编码的数字数据。该双重方案经常被称为波分复用。

光导纤维技术已经被广泛用于大容量计算机网络，并且这些网络同城不使用DOCSIS协议或者QAM协议来传送数据。相反地，这些大容量计算机网络经常使用完全不同类型的数据传送协议，例如，以太网协议IEEE 802.3ah、1000BASE-LX10、1000Base-BX10以及其它协议。这些网络和协议经常被称为GigE网络，其是用于基于计算机网络的光纤的吉字节速率和以太网协议(Gigabyte speeds and Ethernet protocols)的缩写。

因此，如果用户希望将来自经CATV电缆输送的RF QAM波形的计算机数据转移到高速率GigE光纤网络，则该数据必须在DOCSIS电缆QAM波形与光纤GigE网络中所使用的替代协议(经常为以太网协议)之间反复变换。

尽管理想地，满足对数字数据(例如，点播视频、高速率互联网、VoIP等等)的不断增长的住户要求的最佳途径是将光导纤维延伸到每个住户，这将是非常昂贵的解决方案。与之相比，基于电缆的CATV解决方案已经被应用于数千万的住户，并且其开支已经产生并且被自20世纪50年代开始数十年的使用所摊销。因此，找出使现有的CATV电缆系统(如果为有限带宽)被进一步扩展以符合对于附加数据的不断增长的需求的解决方案在经济上更具有吸引力。

电缆系统组件：

在典型CATV电缆网络(电缆)的设备端或者“头”端，将许多不同类型的数据(模拟电视频道、数字电视频道、点播频道、网络语音电话业务、DOCSIS频道等)进行结合且将该数据发送到分散在城镇、城市、县甚至是州的各个区域中的许多不同邻域中的用户(住户)的挑战性任务在某种程度上通过电缆调制解调器终端系统(CMTS，Cable Modem Termination Systems)装置来解决。这些CMTS装置在一端连接到各种数据源(电视台、视频服务器、互联网等)并且在另一端连接到许多不同的CATV电缆。

通常，CMTS设备在一端将具有到各种数据源和诸如2/3级(Level 2/3)交换机之类的适合的数据交换机上的连接，并且在另一端经常具有多个不同的线路卡，这些线路卡经常被物理地封装到看上去像刀片式服务器并且被放入到保存有多个线路卡的主要CTMS盒中。每个线路卡通常被连接到离开电缆头朝着各个多住户群延展的电缆或者光导纤维，在这些邻域群中，每个多邻域群将在大致连续的地理区域中。线路卡电缆或者光导纤维随后通常被各个分路器和结点进一步细分，并且最终被细分为流向独立邻域的信号，每个邻域都由其自身的CATV电缆进行服务。

在邻域级，独立CATV电缆将在大约25和数百住户(房屋、公寓)之间进行服务。这些住户使用电缆调制解调器连接到该独立电缆。在此，不管电缆调制解调器是向房屋、公寓、办公室、车间还是其它应用进行服务，每个电缆调制解调器都被认为是住户或者“房屋”。

CMTS线路卡通常将包含至少一个发送和接收适当的CATV信号所需的MAC和PHY装置。代表性地，线路卡PHY装置将包括多个能够对2/3级交换机已发送到该特定线路卡的数字信号进行调制的QAM调制器，并且在电缆或者光线上将信号作为多个QAM频道进行发送。线路卡通常还包含MAC和PHY装置以接收从当地的各个电缆和电缆调制解调器发送回电缆头的上行数据。

将每个独立邻域CATV电缆直接连接到电缆设备是不切实际的。更确切地说，电缆网络被设置在更加复杂的方案中，在该方案中，到达或者来自许多不同的独立邻域的信号在到达电缆设备或者电缆头之前由网络进行结合。因此，每个CMTS线路卡通常将信号发送到多个邻域并且接收来自多个邻域的信号。

除了使用电缆发送和接收数据，各个CMTS线路卡能够替换为使用光导纤维与其各个邻域群通信。然而，将独立光纤直接从独立邻域铺设到电缆设备或者电缆头同样是不切实际的。因此，光纤网络同样经常被设置在更加复杂的方案中，在该方案中，到达或者来自不同的独立邻域的信号在到达电缆设备或者电缆头之前也由光纤网络进行结合。

在最低限度，光纤网络将通常使用不会改变光纤信号的“非智能”光纤分路器/合路器(在此被称为分路器)至少代表性地将光纤信号分路(或和路)，并且分路信号随后将使用子光纤被发送到各个邻域。其时，光纤信号能够使用“非智能”光纤结点被转换到或者转换自RF信号(适用于独立电缆)，该光纤结点自身在不改变光信号的情况下轻易地完成光信号到RF信号以及RF信号到光信号的转换。这些混合的光导纤维到电缆的网络被称为混合光纤电缆(HFC，Hybrid Fiber Cable)网络。

使用各种类型的CMTS系统和光纤结点的现有技术包括Liva等人的美国专利7,149,223、Sucharczuk等人的美国专利2007/0189770，以及Amit的美国专利7,197,045。

代表性地，几乎全部的CATV用户希望即时访问至少一个标准的电缆电视频道集，因此为了满足该基本预期，通常情况下全部的CATV电缆将接收一个基本的电视频道集，该基本的电视频道集对应于该“基本”或者“标准”包(还可包括各个通用的付费频道)。此外，大多数用户希望访问大范围的个性化数据，并且在此CATV电缆的有限带宽开始变为妨碍。

作为迈向更加高效的电缆利用的第一步，模拟电视逐步被淘汰，同时释放出大量的FDM带宽(模拟标准清晰度TV频道)，这些FDM带宽能够由携带数字TV以及DOCSIS数据的更加高效的QAM频道所取代。然而，尽管释放出附加的电缆带宽，逐步淘汰老式的FDM TV信号将至多仅满足几年内不断增长的对于数字TV和DOCSIS服务(数据)的住户需求。因此，提供更大的数据量，特别是更大的点播视频数据、VoIP数据、宽带互联网(IP)数据以及其它数据的数据量的附加方法则令人期待。

DOCSIS标准：

除非另有说明，在此对“DOCSIS”的参照指的是电缆实验室(Cablelabs)DOCSIS®3.0规范。在以下公开文献中对该规范进行了更加具体的限定：电缆数据服务接口规范DOCSIS 3.0安全性规范(SecuritySpecification)CM-SP-SECv3.0-I13-100611；电缆调制解调器客户前提设备接口规范(Cable Modem toCustomer Premise Equipment Interface Specification)CM-SP-CMCIv3.0-I01-080320；物理层规范CM-SP-PHYv3.0-I10-111117；MAC和上层协议接口规范(MAC and Upper Layer Protocols InterfaceSpecification)CM-SP-MULPIv3.0-I18-120329；运营支持系统接口规范(Operations Support System InterfaceSpecification)CM-SP-OSSIv3.0-I18-120329。附加的文件能够在DOCSIS 3.0技术报告CM-TR-MGMTv3.0-DIFF-V01-071228以及CM-TR-OSSIv3.0-CM-V01-080926中找到。就此说明书而言，实现另外的兼容DOCSIS 3.0规范的子集的特征被称为DOCSIS子集，并且实现DOCSIS 3.0中并未规定或者与DOCSIS 3.0不兼容的额外功能的特征被称为“非DOCSIS功能”。

远程安置的QAM调制器：

Liva等人在美国专利6,933,016中给出了一种使用独特方法来传送信息频道的方法，该独特方法处理信息频道、使用包技术将信息频道传送到目的地、以及随后重建频道。此外，Sawyer在美国公开文献2003/0066087中给出了一种混合分布式电缆调制解调器终端系统，该系统具有包含有位于离头端很远位置的CMTS调制器的迷你光纤结点。

现场可编程门阵列(FPGA，Field-programmable gate array)技术：

作为一种可编程逻辑器件(PLD，programmable logic device)，现场可编程门阵列(FPGA)是集成的电路器件以及“芯片”，其被设计为允许在制造出芯片之后对芯片的各个内部电路的配置进行重新配置。FPGA包含具有可重配置连接的可编程逻辑块，即使是在芯片已经被并入到其它装置中之后，所述可重配置连接也允许对逻辑块中的各个逻辑门之间的线路进行重新接线。除数字功能之外，FPGA能够处理模拟功能。各种具有集成的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的混合信号FPGA也可使用。FPGA的示例包括加利福尼亚州圣何塞市的Xilinx公司生产的流行的Artix、Kintex、Virtex和Spartan芯片系列，加利福尼亚州圣何塞市的Altera公司生产的流行的Cyclone、Arria、Stratix芯片系列，以及其它芯片。

数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)技术：

数字信号处理器(DSP)设备和“芯片”是具有专用于高速数字信号处理的结构的微处理器。尽管标准的处理器也能够实现复杂信号处理，但是由于标准指令集硬件的本质，复杂信号处理经常要求大量(数百、数千或者更多)的指令来实现复杂函数。相比之下，DSP芯片经常包含至少某些用于数字信号处理的专用硬件，所述专用硬件包括环形缓冲器、分开的程序和数据存储器(例如，哈佛结构)、超长指令字(VLIW，very long instruction words)、各种类型的单指令多数据(SIMD，single instruction multiple data)指令、快速乘法累加(MAC，multiply-accumulate)硬件、比特反向寻址、特殊的循环控制等等。该专用硬件允许以相对较少的操作量来完成复杂信号处理，因而经常将复杂计算在时间上降低多个数量级。为了进一步减少处理时间，DSP经常被构造为不具有存储器管理单元，从而避免了由于存储器管理单元引起内容交换所导致的时间延迟。

DSP的示例包括德克萨斯州达拉斯市的德州仪器(Texas Instrument,Inc)生产的流行的C6000系列DSP，德克萨斯州奥斯汀市的飞思卡尔半导体控股股份有限公司(Freescale Semiconductor Holdings，Ltd.)生产的StarCore DSP。

使用FPGA和DSP来生产动态可重配置的通信装置的示例包括都归于赛灵思公司(Xilinx)的Dick的美国专利7,583,725以及Raha等人的美国专利7,724,815，这两个申请的内容通过引用的方式合并于此。

发明内容

在此公开了一种新型的用于HFC网络的高灵活性且可重配置的分布式功能CMTS系统和方法。在全部计算机控制的装置和网络配置以及数据分布方案下，该系统和方法将各个CMTS功能划分到电缆设备CMTS装置以及远程光纤结点CMTS(在此称为电缆调制解调器终端系统，或CMRTS)装置。

在一些实施例中，该计算机控制的信号和数据分布方案可以被配置为使被传递到为独立邻域提供服务的独立CATV电缆上的定制数据的间隔(邻域特异性)达到最大。在此类型的配置中，系统和方法经常能够被进一步配置为包括与传统HFC网络和装置的向后兼容性，并且在许多不同的CMRTS装置故障情境中，适当地从高级别的标准和定制数据传递服务降级到现有技术级别的标准和定制数据传递服务。此类型的配置允许现有HFC网络被适当降级以在有成本效益的基础上将改进的定制(IP点播)服务提供到所选的邻域，并且最终能够根据需求以及经济情况对全部邻域升级。

本发明部分地依赖于分布式CMTS设计，其中，CMTS PHY部分(用于最后提供用来将数据信号发射到给定的独立电缆的波形)中的RF传送器(在此由QAM调制器进行例示，但是也可以使用其它类型的RF调制/传送方案)根据软件可重配置FPGA和DSP装置进行构建，并且随后被划分并分配到整个HFC网络中。在此，在特定的传统实施例中，有时一些传统QAM调制器可以仍然位于中央CMTS单元上的主要(集中的，例如，电缆头或电缆设备)CMTS线路卡的PHY单元中。然而，诸如QAM调制器之类的其它基于软件可重配置FPGA和DSP的RF调制器位于远程或分布式CMTS的基于FPGA和DSP的PHY部分中。这些远程CMTS单元在此被称作电缆调制解调器终端系统(CMRTS)单元。

有时候，为了对当使用FPGA和DSP MAC和PHY单元进行构建时这些CMRTS单元还能够被配置为赋予MAC和PHY单元全新类型的功能的这一事实进行强调，这些CMRTS单元在替代方式中被称为FPGA-DSP CMRTS单元。然而简单起见，CMRTS这一术语将普遍使用，并且通常情况下，除非另有说明，本发明书中所述的全部CMRTS单元都应当被认为是使用基于FPGA和DSP的MAC和PHY单元构建。同样简单起见，尽管本说明书经常涉及QAM传送器和接收器，该QAM传送器和接收器产生和接收在现有技术的DOCSIS CATV电缆实施方式中常用的特定形式的RF调制，然而除非另有说明，本发明还考虑到其它形式的RF调制，例如，CDMA和OFDM调制。因此，QAM应当被理解为仅是本发明所考虑到的各个RF调制方案的一个示例(即使是非常广泛的示例)。

根据本发明，这些CMRTS单元经常位于HFC系统的光纤部分与HFC系统的电缆部分之间的最终网络光纤结点(FN)处。

在一个实施例中，位于集中化CMTS PHY部分的QAM调制器最初可以集中于发送数据，例如，电缆TV频道的标准化包并且有可能为通常由许多邻域请求的基本级别的DOCSIS服务。因此，在一个简化示例中，对三个邻域内的三个电缆进行驱动的中央CMTS线路卡中的中央QAM单元可以向全部三个邻域发送相同的QAM信号。与此同时，该中央CMTS单元和CMTS线路卡可选地可以使用位于多达三个远程CMTS(CMRTS)单元中的远程或分布式QAM调制器调整其工作(即，划分职责以用于产生QAM频道)，该远程CMTS(CMRTS)单元位于将HFC网络的光纤部分与为三个邻域提供服务的三个电缆相连接的最终光导纤维结点(FN)中。

本发明的CMRTS单元通常被设计为高度软件可配置以允许在不改变MAC和PHY单元的基本特性的情况下得到很高的操作灵活性。然而根据本发明，额外的优点是除该操作灵活性之外，CMRTS单元的MAC和PHY单元的基本硬件特性也能够根据需要进行改变。这是因为，CMRTS单元被设计为具有基于软件可重配置FPGA和DSP的MAC和PHY单元。这使得CMRTS单元具有几乎无限量的不同途径来操作CMRTS单元的远程或分布式QAM调制器(或其它RF调制器/传送器)以发送下行数据。

此外，由于使用了基于软件可重配置FPGA和DSP的MAC和PHY单元，CMRTS单元从各个电缆调制解调器接收调制的上行数据的多重RF突发、对突发进行解调、将该上行数据数字化并封装为包以及将该数据重传回到上行中的能力既能够是硬件的(例如，被改变为与RF接收器和处理器完全不同的类型)同时可选地也能够由远程软件可重新配置。对于现有技术的这些改进不仅能够简化分布式CMRTS网络的管理和配置，还能够极大地扩展它的标准功能。

在一些配置中，为了将标准化的TV频道集和其它服务提供到三个邻域中的三个电缆上，中央CMTS单元和中央CMTS线路卡可以具有CMTS线路卡集中的QAM调制器以使用光波长处的多重QAM信号来驱动光导纤维，QAM波形使得这些光QAM波形能够被廉价的“非智能”转换器直接转换为射频QAM波形并且被直接注入到三个电缆中以提供基本级别的服务。

为了提供数据来驱动远程CMRTS QAM调制器以提供更高级别的服务，可能存在各种选项。

在与现有CTMS更加向后兼容的第一选项中，驱动远程CMRTS QAM调制器的数据可以使用单独的2级交换机和单独的光导纤维系统来发送，通常使用数字以太网协议发送。2级交换机和第二光导纤维系统在很大程度上独立于电缆设备CTMS单元进行工作。在此，电缆设备CTMS单元的操作者可以仅仅将配置CTMS以具有一些可由远程CMRTS单元中配置作为QAM的基于FPGA和DSP的MAC和PHY单元接下来使用的空QAM频道，然而除此之外根据正常方法对标准(现有技术的)CTMS进行操作。

在表现出与现有技术的CMTS设计存在更大的根本性背离的第二选项中，除发送标准的CATV RF数据集之外，中央化CMTS单元和CMTS线路卡还发送附加数据到第二通信媒体上的CMRTS单元，并且智能地与第一通信媒体上发送的信息以及第二媒体上发送的信息整合，从而使整体的系统功能达到最大。

本发明的CMRTS单元的一个优点是，因为CMRTS单元能够被设计为高度软件可配置的并且附加地由于基于FPGA和DSP的MAC和PHY组件而具有软件可配置硬件，所以相同的CMRTS单元可以被重配置为与第一向后兼容CMRT选项、第二更根本的CMTS选项(设计)或者很多的其它选项共同工作。因为CMRTS设计既是软件可配置的并且在一些配置中也能够允许现有技术的CATV RF到光信号的转变，所以CMRTS能够被配置为按照需要同样高度向后兼容，并且能被实现使得对有线电视运营商高度透明直到请求更高的CMRTS功能。

对于第一或第二选项，被用于传送数据到CMRTS的第二通信媒体可以使用第二光导纤维以及替代性的数据传输协议，诸如之前所述的各个以太网协议。如果该方案被使用，则要求远程CMRTS单元对数据进行转换、格式变换以及QAM调制。在此例如，CMRTS单元中的FPGA和DSP单元能够被配置作为能够随后提供射频(RF)QAM信号的QAM调制器，该QAM信号能够被注入到电缆中并且由附接在各个电缆上的电缆调制解调器识别。在此配置中，为了避免冲突，由CMRTS单元提供的QAM波形的频率(或者至少时间片)应不同于由中央CMTS QAM调制器提供的QAM波形的频率(或者至少时间片)。

替代性地，该第二通信媒体可以使用相同的(第一或主要)光导纤维将数据携带到CMRTS单元，该光导纤维还被用于携带来自CMTS的QAM信号。在此替代性配置中，CMRTS数据能够在替代性波长处被携带。例如，可以携带CATV TV电视台的主要包以及可能某些DOCSIS服务的CMTS数据可以使用1310nm光波长进行通信，而携带补充的IP/点播数据的CMRTS数据可以使用1550nm光波长进行通信。此类型的方案经常被常为波分复用。如前所述，此补充CMRTS数据不需要使用适用CATV的QAM调制进行编码(尽管可以是)，更确切地说是使用不同的协议和调制方案来携带，例如，之前所述的GigE以太网协议。另外在此，由于CMRTS单元具有基于高度可重配置的FPGA和DSP的MAC和PHY单元，因此几乎任何协议和调制方案都可以使用，包括在各个CMRTS单元最初被安装在当地时还未创造出的协议和调制方案在内。

作为光导纤维媒体自身的第二通信媒体通常能够传送的IP/点播数据远多于可能在标准CATV电缆上传送的数据。不幸的是，在光纤网络的末端，重新遇到了CATV电缆带宽瓶颈，该瓶颈再一次限制了能够被传送到任何给定的独立邻域处的数据量。

本发明在某种程度上依赖于在当前级别的大致间隔尺寸(其中多个邻域由相同的CATV QAM信号提供服务)的观测，对于来自为多个邻域提供服务的多个电缆的IP点播数据的总需求可能很轻易地使有限的CATV带宽饱和。然而，在更精细级别的间隔尺寸上(其中每个邻域可以具有自己的定制CATV信号)，用于独立邻域的点播数据更加有可能适合于每个邻域的CATV电缆的有限带宽。该技巧因而通过挑出并选择标准QAM以及要传递到每个邻域的QAM IP/点播信号的混合来避免使每个邻域的特定CATV电缆带宽过载。然而，对可能一直变化的邻域具体CATV频道的混合进行传递的此方案以及提供与当前DOCSIS标准(目前为DOCSIS3.0)不同的服务的能力引起了某些更加复杂的网络管理问题。

如前所述，为了解决这些复杂的网络管理问题，该申请在某种程度上还依赖于复杂计算机控制系统以频繁地(或者一直持续地)对中央CMTS和远程CMRTS单元进行调整以仔细地保持用户对于标准数据(例如，标准QAM TV频道以及可能有限的标准级别的DOCSIS服务)以及定制数据(例如，IP/点播数据)的需求之间的平衡。此计算机控制系统另外能够被分配职责用于通过对包括MAC和PHY CMRTS单元的各个FPGA和DSP组件进行编程/配置来对CMRTS硬件进行配置。

计算机控制系统可以，例如除通过对各自FPGA和DSP组件进行配置来配置各个CMRTS MAC和PHY单元之外，对为各个邻域提供服务的电缆上的可用带宽进行管理。当被用于向后兼容第一选项模式中时，传送的“标准”QAM频道提前被有线电视运营商固定，并且这些频道保持相对稳定。当被用于更高的吞吐量或更根本的第二选项模式中时，计算机化系统可以对由任何给定的中央CMRT线路卡传送的“标准”QAM频道以及远程CMRTS单元传送的用户定制或“高级”IP/点播QAM频道两者进行改变。

在CATV术语中，电缆头处的各个CMTS系统经常被称为“架构”或“CMTS架构”。尽管本发明将CMTS单元的功能从电缆头分配到整个网络，然而从网络管理角度来看，在一些实施例中，其它网络设备和软件更易于继续与此网络分布式CMTS通信，就像其仍然是单一电缆设备或电缆头CMTS一样。因此，在一个实施例中，管理网络分布式CMTS的该CMTS和CMRTS计算机控制系统和软件也被称为“虚拟架构”硬件和软件，这是因为计算机控制系统可以对包括在分布式CMTS系统运行中的复杂配置问题进行管理并随后在需要时使该复杂性屏蔽于系统的其余部分。因此，电缆设备系统的剩余部分不需要被重新设计为对分布式CMTS功能进行处理，而是可以继续像现有技术的非分布式CMTS一样对本发明的分布式CMTS进行处理。

因此，虚拟架构硬件/软件系统可以例如采用多个邻域上的对于基本TV频道和基本DOCSIS服务的用户需求，单独邻域中对于先进或高级点播TV或高级DOCSIS IP服务(IP点播)的用户需求以及能够通过电缆携带的有限的总QAM频道数量作为输入。

在第一选项中，虚拟架构系统仅仅使用任何由有线电视运营商提供的空QAM频道进行工作，并且进行工作以在此整体限制内对到达用户的数据进行优化。

在第二选项中，为了发送更多的数据，虚拟架构系统可以有效得多。虚拟架构系统可以例如指挥中央CMTS线路卡的PHY单元中的QAM调制器来停止在QAM频道(频率)上发送信号，以释放此QAM频道(频率)用于邻域具体QAM频道(频率)。

在第三选项中，为了发送和接收更多的数据，虚拟架构系统甚至可以发送数据到当地的各个CMRTS单元的基于FPGA和DSP的MAC和PHY单元处以将两者重配置为对超出当前DOCSIS3.0标准的附加功能进行处理(即，非DOCSIS功能)。此附加功能能够根据需要属于特定CATV有线电视运营商并且可以不需要是被识别的标准。此特征使得不同的有线电视运营商能够进一步将其服务彼此区分开。

通常情况下，对各个CMRTS单元中MAC和PHY的基本功能的重配置可能是相对稀有的事件，有可能比当场硬件升级更加经常，但是不必是日常活动。相比之下，通常在更加频繁的基础上(例如，甚至可以是一天多次)，虚拟架构系统命令相同中央CMTS线路卡上预先配置的FPGA和DSP的GigE PHY单元来使用第二通信媒体并且通过以太网调制传输协议向这些邻域发送邻域具体(IP/点播)数据。虚拟架构系统随后命令为目标邻域提供服务的光纤结点上的运程CMRTS上的预先配置的FPGA和DSP的MAC和PHY单元取得来自第二通信媒体的此IP/点播数据、对数据进行解码和QAM调制以及使用目前空QAM频道(频率)将此目前RF调制的QAM数据注入到用于该特定邻域的电缆上。

虚拟架构系统还能够命令为不同邻域提供服务的不同光纤结点上的远程CMRTS单元取得来自第二通信媒体的用于此邻域的IP/点播数据，对此数据进行解码和QAM调制，以及同样将此目前RF调制的QAM数据注入到用于该邻域的电缆上。

注意到使用此方法，尽管两个邻域可能从相同的中央化CMTS线路卡处接收一些公共QAM频道和数据，然而整个CATV QAM频道并不相同。相反地，至少对于IP/点播数据来说，相同的QAM频道(频率)目前携带用于不同邻域的不同数据。

通过使用这些系统和方法，各个电缆和QAM频道的有效数据携带能力得到提高。然而，与此同时，如果中央化计算机系统(虚拟架构)被正确配置，则交换配置的大部分复杂性能够被选择为对于上行(电缆设备)和下行(电缆调制解调器)系统不可见，因此能够具有与现有HFC设备的良好的向后兼容性。

CMRTS单元上基于FPGA和DSP的MAC和PHY单元的使用，特别是基于远程可配置FPGA和DSP的MAC和PHY单元的使用，允许轻易地实现附加功能。该附加功能能够包括对诸如QAM、CDMA或OFDM波形之类的非DOCSIS RF波形进行处理的能力。该附加功能还能够包括配置特定CMRTS RF调制器(例如，QAM调制器)以对由CMRTS单元发射的RF波形进行预失真或定制从而例如对CATV电缆分支上的RF信号损伤进行校正的能力。替代性地，MAC和PHY单元可以被配置为允许CMRTS单元上的RF接收器对失真的RF信号(通常来源于住户电缆调制解调器)进行更好地均等化或调整。

此外，基于可重配置FPGA和DSP的MAC和PHY单元能够被重配置以允许使规律间隔的通信频道之间的间隔更窄，因而增大吞吐量。

采用基于软件可重配置FPGA和DSP的MAC和PHY单元的CMRTS单元还能够用于其它的CATV应用和功能。这样的其它应用的示例包括美国专利申请12/907,970、13/346,709，美国临时申请61/385,125和61/622,132，以及美国专利申请12/692,582和13/478,462这些专利中所述的应用。全部这些专利的内容通过引用的方式包含在本申请中。

附图说明

图1示出了针对携带传统模拟电视FDM频道、QAM数字电视频道以及各种类型的DOCSIS数据的典型CATV电缆所分配的各个频率和数据频道的总体视图。

图2示出了现有技术中HFC电缆系统使用光导纤维和光导纤维结点将数据从电缆头发送到各个独立电缆的一个示例。

图3对比出现有技术中光导纤维到电缆(光纤)结点与本发明中改进的电缆调制解调器终端系统(CMRTS)光纤结点之间的差别。

图4示出了本发明的改进CMRTS光纤结点如何也能够传送更大的上行数据量。

图5示出了本发明的分布式电缆调制解调器终端系统的一个实施例(在此示出了第二选项)在与电缆设备处的先进CMTS共同工作时如何能够将更大的有效下行数据量分布到为在不同邻域中的多个用户提供服务的各种CATV电缆上。

图6示出了CMRTS光纤结点的某些实施例如何在第二选项中进行构造并工作的附加细节。

图7A示出了CMRTS光纤结点的附加细节。

图7B示出了采用基于FPGA以及DSP的MAC和PHY单元的CMRTS光纤结点的附加细节，MAC和PHY单元在此被配置为重新产生与之前在图7A中所示相同的功能。

图8示出了如何借助于“虚拟架构”(virtual shelf)软件对分布式电缆调制解调器进行配置的概述，该软件对系统的CMTS和CMRTS装置的运行和数据流进行控制。

图9示出了本发明的分布式电缆调制解调器终端系统的可替代实施例(在此示出了第一选项)在与现有技术的CMTS共同工作时如何能够将更大的有效下行数据量分布到为在不同邻域中的多个用户提供服务的各种CATV电缆上。

图10示出了CMRTS光纤结点的一个可替代实施例如何在第一选项中被构造并工作的附加细节。

图11示出了CMRTS光纤结点的MAC和PHY单元的FPGA和DSP组件如何能够被配置为实现滤波器组传送器，该传送器可以是QAM传送器。

图12示出了由基于FPGA和DSP的CMRTS单元的MAC和PHY单元的FPGA部分和DSP部分处理的单一处理步骤之间的分工的示例。在此示出了TDMA(Time division Multiple Access，时分多址)突发接收器的实施方式。图12的下部示出了当各个上行CATV频道未被规律地频率间隔排列时非常有用的超外差接收器实施方式的示例。

图13示出了CMRTS光纤结点的MAC和PHY单元的FPGA和DSP组件如何还能够被配置为实现滤波器组接收器，该接收器可以是QAM接收器。当各个上行CATV频道被规律地频率间隔排列时该配置非常有用。

图14示出了信号流处理步骤中某些步骤的简化流程图，该信号流处理步骤经常由基于FPGA和DSP的CMRTS MAC和PHY单元的DSP部分处理。

图15示出了从软件管理角度的基于CMRTS的CATV网络的一个可替代视图。

图16示出了一个可替代实施例，其中，CMRTS单元被配置为提供多个电RF或数据输出，例如，四个CATV电缆引出线，或者可替换地提供CATV电缆引出线和其它电输出(例如诸如GigE端口之类的数据端口和/或电话端口)的混合。

图17示出了一个可替代实施例，其中，CMRTS单元被配置为提供多个电RF或数据输出，并且进一步被配置为直接连接到单一住户，该单一住户可以是单一房屋或者诸如办公大楼或者单元房之类的多单元设施。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明可以是用于混合光纤电缆(HFC)网络的分布式电缆调制解调器终端系统(CMTS)。该系统通常将包括多个部分。

在某些实施例中，该系统将基本上独立于电缆设备处的CMTS工作，并且将基本上通过在电缆设备处添加数量最少的新设备来补充现有技术中CMTS的功能。在此，电缆设备处的新设备将主要包括2/3级交换机、虚拟架构管理系统(将会进行说明)以及沿着光导纤维发送并接收数据的适当的MAC和PHY装置。现有技术的电缆设备CMTS继续像之前一样工作，只有一个例外是有线电视运营商应当提供某些空频道以便为本发明所提供的新频道提供空间。

在其它实施例中，系统的各个部分将被嵌入到先进CMTS头中，该先进CMTS头至少具有第一分组交换机、第一MAC(Media Access Control，介质访问控制)以及第一PHY(Physical Layer，物理层)，第一MAC和第一PHY能够将数据至少作为多个第一数字编码模拟QAM波形(第一光信号)从层2-3交换机发送并接收到第一光导纤维的第一端。

在某些实施例中，CMTS头还可以具有第二MAC和第二PHY，第二MAC和第二PHY能够将数据从层2-3交换机发送并接收到第一光导纤维的第一端或者第二光导纤维的第一端。如果使用第一光导纤维的第一端，尽管QAM波形也能够被使用，但第二PHY通常使用替代波长并经常使用可替代的诸如以太网协议之类的数据传输协议来发送并接收数据。例如，第一波长可以是1310nm并且第二波长可以是1550nm。一般情况下，两个不同的波长将被隔开足够的距离以避免串扰，两个波长根据光信号带宽经常被隔开20nm、50nm、100nm或者更大的间隔。

可替代地，第二MAC和第二PHY能够使用第二光导纤维的第一端将该数据发送出去。在两种情况中，这些数据被指定为第二光信号。为了简便并且易于讨论，不管第二信号是否实际是在第二光纤上或者仅在第一光纤的第二波长上被发送，该第二信号经常还被指定为“光纤2”，并且被描述为独立的光纤。

该系统通常还具有一个或更多个位于第一光导纤维的第二端处的远程CMRTS光纤结点。(在此，术语“第二端”同样被用于指定即使是在分路之后的光导纤维的(距离CMTS和电缆设备最远的)末端。)CMRTS光纤结点的一个可选组件可以是第一“非智能”光到RF(radio frequency，射频)转换装置，该转换装置将(通过光纤的第一端处的CMTS以QAM波形发送的)第一光信号直接转换到第一RF信号集。这些转换装置根据电RF到纤维光学转换的方向通常被称为O/E或者E/O转换器。

该CMRTS的另一个组件可以是至少一个RF调制器，诸如，能够检测第二光信号并且将第二光信号的选择部分编码为第二RF QAM波形集的QAM调制器装置。该RF调制器可以是CMRTS PHY单元的一部分，并且CMRTS经常可以具有对应的MAC和分组交换能力，以及可选的控制器(例如，微处理器和相关软件)以选择第二光信号中的部分并按照需要控制分组交换、MAC以及MHY(包括CMRTS QAM调制器)。

如前所述，在一个优选实施例中，用于该RF调制器/传送器的CMRTS PHY单元和MAC单元将基于FPGA和DSP组件，并且CMRTS经常被进一步设计以使得这些FPGA和DSP组件能够通过诸如光导纤维之类的第一或第二通信频道所携带的数据和信号进行配置，因而即使在CMRTS单元被安装在实地之后也能够从根本上对CMRTS单元的RF调制能力进行重新配置。

CMRTS通常还包括至少一个通常与FPGA和DSP组件不同的软件可控交换机，该软件可控交换机能够被远程定向以选择第二光信号中的至少某些信号(所选第二光信号)并且引导所述至少一个CMRTSQAM调制器装置将所选第二光信号在所选频率集处编码为第二RF QAM波形集(远程生成OAM信号)。该软件可控交换机经常是可选控制器的一部分或者由可选控制器控制。

CMRTS还可以包含至少一个远程软件可控RF包处理器，该处理器能够对由至少一个电缆调制解调器产生的CATV RF上行信号所携带的上行数据进行检测、并且对所述上行数据进行数字重封装以及将所述上行数据作为第三上行数字光导纤维信号进行重新传送。

此外如前所述，在一个优选实施例中，用于该软件可控RF包处理器(接收器)的CMRTS PHY单元和MAC单元仍基于FPGA和DSP组件，并且CMRTS经常被进一步设计以使得这些FPGA和DSP组件能够通过诸如光导纤维之类的第一或第二通信频道所携带的数据和信号进行配置，因而即使在CMRTS单元被安装在实地之后也能够从根本上对CMRTS单元的RF调制能力进行重新配置。

软件可控交换机和/或软件可控RF包处理器通常能够使用软件来进行远程配置以实现标准DOCSIS上行和下行功能的至少一个子集。例如，在上行侧，DOCSIS上行时分多址(TDMA，Time Division MultipleAccess)和DOCSIS同步码分多址(SCDMA，Synchronous Code Division Multiple Access)功能中的一个或更多个可以被实现。在下行侧，一个或更多个诸如16级、32级、64级、128级和256级QAM调制模式之类的DOCSIS QAM调制模式可以被实现。根据所需要的CMRTS的功能级别，CMRTS在光纤结点处可以产生携带数字广播视频、数字点播视频、数字高清晰度(HD)电视、声音数据以及DOCSIS(数据)频道的QAM频道。

但是在其它实施例中，诸如来自各种新的非DOCSIS标准机顶盒网关模型的上行数据之类的还未正式成为DOCSIS规范的一部分的附加功能(即，非DOCSIS功能)也可以由CMRTS实现。这能够通过将合适的配置数据和程序上传到包括CMRTS MAC和PHY的CMRTS FPGA和DSP单元来轻易实现。这将使有线电视提供商能够通过在其竞争者之前提供削切边缘服务来区别其本身。在此示例中，CMRTS能够被视为对DOCSIS功能的超集进行处理，这是因为CMRTS被用于将HFC系统的功能扩展到标准DOCSIS3.0功能之外。在此，如前所述，术语“超集”被用于表示附加(非标准DOCSIS)功能。因此，如果执行DOCSIS功能的全集或者DOCSIS功能的子集的CMRTS还实现附加的非标准DOCSIS功能，则该CMRTS再次被描述为实现DOCSIS“超集”。附加非标准DOCSIS功能(非DOCSIS功能)的其它示例包括对各种形式的数字视频(例如，标准数字视频、高清晰度HD数字视频以及根据需要的各种形式的数字视频)进行传送的功能。

除FPGA和DSP组件之外，软件可控交换机和软件可控RF包处理器都经常包含有自己的微处理器或微控制器以及存储器(例如，闪存、ROM、RAM或其它存储装置)以包含操作交换机和处理器所需的软件，对从虚拟架构管理器发送的命令包进行解释，以及将数据包传送到虚拟架构管理器。

CMRTS经常还具有合路器装置或者至少被附加在合路器装置(例如，双工装置)上，该合路器装置将第一RF信号集与远程产生的QAM信号进行合路以产生合路RF信号，该RF信号适合于注入进连接到至少一个电缆调制解调器上的CATV电缆中。可替代地，该双工装置可以在实际的CMRTS单元之外，然而该CMRTS单元通常依赖于用于功能的内部或者外部合路器(例如，双工装置)。

该系统通常还具有运行对系统功能的多个方面进行控制的软件(例如，虚拟架构软件)的集中式计算机系统或者计算机处理器。如前所述，因为现有技术中功能不分散的CMTS单元经常被称为“架构”，所以对本发明的分散CMTS-CMRTS单元的功能进行控制的计算机软件将可替代地被称为“虚拟架构”。该“虚拟架构”软件将理想地以易于管理并且有时理想地对电缆设备几乎透明的方式管理分散CMTS-CMRTS系统高得多的复杂性，以使得电缆设备中的其它系统能对本发明的分散CMTS-CMRTS系统更复杂的数据分布特性进行处理，犹如该系统像现有技术中的更简单的CMTS系统一样运行。

特别地，计算机处理器和“虚拟架构”软件的一个重要功能是至少对第二光信号和远程产生的QAM信号进行选择和控制。正如所要说明的那样，这些信号将被管理使得极大地增加可用于电缆系统用户的IP点播数据量。

通常，计算机处理器和“虚拟架构”软件的另一重要功能是存储用于对实地中的各个CMRTS单元的各个FPGA和DSP组件进行配置的软件和数据。与来自实地的CMRTS单元和其它装置的适当反馈信号共同工作的“虚拟架构”软件经常判断何时需要对某些CMRTS单元进行升级，例如，通过将合适的FPGA和DSP配置数据加载到远程CMRTS上以进行预失真或者均衡化从而解决CATV电缆的各个分支上的电缆损伤。此外，由于CATV系统的人工管理者常常可以命令，“虚拟架构”软件可以被用于对各个CMRTS单元进行升级(或有时为降级)以随着用户支付、用户需要以及竞争环境命令来添加或者减去附加功能。

因此，在一个实施例中，本发明可以是用于混合光纤电缆(HFC)网络的远程CMTS光纤结点(CMRTS)。该系统的这个CMRTS部分可选地包括第一光到RF(射频)转换装置，该转换装置将第一RF调制光导纤维信号集直接转换为第一CATV RF信号集。CMRTS部分经常还包括至少一个RF调制器装置，例如，能够将数字编码的第二光导纤维信号的所选部分编码为第二RF波形集的QAM调制器。CMRT部分通常还包括至少一个软件可控交换机，该软件可控交换机能够被远程定向以选择第二光导纤维信号中的至少一些(所选第二光信号)并且引导所述至少一个RF调制器装置将某些所选第二光信号在所选频率集处编码为第二RF波形集。这些波形被称为远程产生的RF信号。CMRTS部分经常还包括至少一个远程软件可控RF包处理器(以及相关的MAC和PHY单元)，其能够对由至少一个电缆调制解调器产生的CATV RF上行信号所携带的上行数据进行检测，以数字方式对该上行数据进行重新封装，并且随后将该上行数据作为第三上行数字光导纤维信号重新传回(通常最后被传送回到电缆设备)。

在一个优选实施例中，至少一个软件可控RF调制器装置和/或软件可控RF包处理器包括至少一个FPGA和DSP装置，该FPGA和DSP装置能够使用软件进行远程配置以实现各种类型的MAC和PHY单元。这些MAC和PHY单元中的至少一些能够实现附加的非DOCSIS功能、DOCSIS功能的全集或者标准DOCSIS上行和下行功能的子集。

注意到为了得到增强的用户数据体验，CMRTS不需要实现标准DOCSIS功能的全集。这是因为，最终被传递到各个房屋上的各个电缆调制解调器的至少某一DOCSIS功能将通过从电缆设备处的CMTS所得到的直接转换的CATV RF信号来传递。

在本发明的许多实施例中，至少一个软件可控交换机的作用以及所述至少一个远程软件可控RF包处理器的作用优选地由远程虚拟架构管理器系统来控制。

在另一个实施例中，本发明可以是用于对混合光纤电缆(HFC)网络的数据携带能力进行增强的系统和/或方法，该HFC网络具有电缆头、光导纤维网络、多个光导纤维结点、多个连接到所述多个光导纤维结点上的独立CATV电缆以及多个独立的电缆调制解调器，每个调制解调器具有不同的数据要求并且对所述独立CATV电缆的每一个进行连接。该方法通常包括使用诸如QAM RF波形的多个RF波形将第一数据集从电缆头输送到光导纤维结点，RF波形能够通过光到RF转换器直接被注入到独立CATV电缆中。

该方法通常还包括将第二数据集从电缆头输送到光导纤维结点。在此，该第二数据集通常不能够通过光到RF转换器直接被注入到独立CATV电缆中。相反地，该方法通常反而在光导纤维结点处将该第二数据集的选择部分转换为RF波形，例如，RF QAM波形。这些来自第二数据集的选择部分的远程产生的RF波形被称为第二RF波形。

在一些实施例中，该方法则将第一RF波形与第二RF波形相结合，并且将结合的RF波形注入到为独立邻域提供服务的独立CATV电缆中。

该方法可以对该选择和混合过程进行控制使得对于每个独立CATV电缆(其可以是包含有许多其它独立CATV电缆的群或者多个CATV电缆中的一部分)，对第一RF波形和第二RF波形进行选择使得结合的RF波形不超出各个CATV电缆中任何一个的可用带宽。

在此，该方法经常对第二数据集以及第二数据集的选择部分进行控制以满足(通常比现有技术的方法更好地满足)对于许多不同的电缆调制解调器的不同数据需求。在此，通常情况下，当考虑到与一群多个独立CATV电缆形成对照时，不同的独立CATV电缆通常携带不同的第二RF波形，其中，每个不同的RF波形通常针对连接到特定独立CATV电缆上的各个电缆调制解调器满足唯一的数据需求。

图1示出了分配给CATV(100)的各个频率和数据频道的整体示意图。代表性地，诸如5-42MHz的低频被分配用于将数据“上行”从独立电缆调制解调器传送回到电缆头或者电缆设备(102)。代表性地，使用时间共享的TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)方式来传送上行数据，在此方式中，独立电缆调制解调器在大约2MHz宽的QAM频道上被分配一定时间来传送数据。从大约54MHz开始直到大约547MHz的空间目前被分配给在大约6HMz宽的FDM频道上传送的传统模拟视频频道(104)。在更高频率处，频率(空间、带宽)目前被分配给在大约6MHz宽的QAM频道上传送的数字电视(106)，并且之上的空间目前被分配给DOCSIS服务(108)，DOCSIS服务可以传送声音、点播视频、IP和其他信息并且通常再度为一系列的6MHz宽的QAM频道。大约1GHz以上的电缆带宽目前很少被使用。然而要注意，通过使用包括FPGA和DSP的MAC和PHY单元的CMRTS单元，并且与以引用方式并入到本申请中的共同待决申请13/467,709中所述的方法相结合，本发明的技术方案还被用于将CATV功能扩展到1GHz+频率范围。

至于更高频率的电缆带宽和频道的使用对于本发明是无关紧要的。如果可用，那么本发明可以使用这些带宽和频道。如果不可用，那么本发明将对现有的电缆频率和带宽进行处理。

CATV电缆因此具有最多大约100-200个QAM频道的有限带宽。当该带宽被用于为大量不同的用户提供大量不同的定制类型的数据时，该带宽很快就被耗尽。

示出如何对CATV频谱分配以更加简化的图形进行说明的附图被显示在下面(110)、(120)。该图形被用在各个图中以更加清晰地对本发明的CATV频谱分配方面中的某些方面进行显示。

“上行”区段(112)是全部上行频道的抽象，其既包括目前使用的5-42MHz范围内的上行频道，也包括目前以及未来更高频率的上行DOCSIS频道。“视频”区段(114)是几乎废弃的模拟TV FDM频道，以及标准“数字电视”频道，以及一旦模拟频道被逐步淘汰就占用可重新利用的模拟带宽的预计数字视频频道的抽象。区段(114)还代表其它的标准数字广播和FM频道，并且通常可代表任何标准化的下行频道集，这些标准化的下行频道集通常不会在不同的用户和邻域集之间进行定制。

“DOC1”频道(116)(根据使用的模式)可以是目前或者未来DOCSIS频道的全集或者子集。正如在该规范中通常使用的那样，DOC1经常代表DOCSIS服务的基本集，该基本集被提供用于在更高性能的IP/点播或者DOC2频道(118)出现故障的情况下供邻域备用。通常对DOC1QAM频道进行选择以避免耗尽CATV电缆的全部带宽，以使得至少某些剩余QAM频道可用于邻域定制的DOC2频道。“IP/点播或者DOC2”频道(118)基本上(根据使用的模式)是CATV电缆上剩余可用的下行带宽，并且通常被保留用于将经常使用不同的通信媒体(例如，第二光纤或第二波长以及经常使用非QAM协议)输送的邻域特定数据(IP/点播数据)从电缆头传送到独立邻域。

注意到当讨论现有技术中的使用时，使用光导纤维发送到邻域群的DOC1(116)和IP/点播(118)频道的总和决不能超过CATV电缆的有效带宽(即CATV电缆的携带能力以及电缆调制解调器检测电缆RF信号的能力)。

相比之下，当讨论本发明时，尽管DOC1(116)和IP/点播(118)频道的总和绝不会超过每个邻域基础上的CATV电缆的有效带宽，但使用光导纤维发送到邻域群的DOC1(116)和IP/点播(118)频道的总和经常超过邻域群基础上的CATV电缆的有效带宽。

如果使用光学方法(即，光纤)来传送相同的CATV频谱，这使得相同的波形使用相同的频率间隔但仅是转移到光波长来传送，则该频谱被指定为(120)，但是各个波形则保持相同的命名以减少混淆。

图2示出了现有技术中HFC系统(200)如何将数据从电缆设备或者电缆头(202)传送到为不同邻域(206)提供服务的不同光导纤维结点(204)处。每个邻域通常包括几百个不同的房屋、公寓、办公室或者商店(208)(在此统一称为“房屋”)，每个房屋配备有自己的电缆调制解调器(未示出)。为了简单起见，在此仅示出HFC系统的下行部分。

电缆设备从一个来源集得到诸如标准配置的模拟和数字视频频道之类的标准化媒体内容(210)，并且还得到更多的独立化数据(212)，例如，点播视频、来自因特网的IP以及其它来自其它来源的独立化数据。该数据被编译到CTMS架构(214)上的大量不同QAM(并且当前还可以是FDM)调制的CATV广播频道中。该CMTS(214)经常具有大量不同的刀片状线路卡(216)。这些线路卡通过光导纤维(218)将信号发送到不同的区域(邻域群)。

注意到FDM调制的CATV宽带信号是(用于老式模拟电视的)模拟信号甚至是QAM信号，尽管QAM信号携带数字编码信号，但是其自身仍然是模拟信号。由于历史原因，在下行方向上，FDM和QAM波形(信号)在美国通常具有大约6MHz的带宽。

为了对此进行显示，如之前图1中所述，即使是在携带数字信息时，FDM和QAM信号被显示为具有中心波长和带宽以强调该信号的本质模拟性质。这些模拟信号可以通过光导纤维携带，并且使用非常简单并且廉价的设备被转换为用于网络的CATV电缆部分的RF信号。

如前所述，典型的HFC网络实际上具有更加复杂的拓扑。光导纤维通常为多个邻域提供服务，而不是将一个光导纤维从CTMS发送到每个不同的邻域。为此，来自CTMS侧光导纤维的信号通常(使用光导纤维分路器(220))至少被分路为多个不同的子光导纤维(222)，并且每个子光纤依次将信号携带到不同的光导纤维结点(光纤结点，FN)(204)处。在此，尤其复杂的HFC网络的环形拓扑将被简化并且改为由这些光纤分路器表示。

在光纤结点(FN)(204)处，光信号被转换为CATV射频(RF)信号并且通过CATV电缆(226)被发送到每个邻域内的独立房屋(208)处的独立电缆调制解调器。代表性地，每个邻域包括25至几百个住户，这些住户由连接到本地光纤结点(204)上的CATV电缆(226)提供服务。

由于CATV电缆(226)被连接到邻域(206)中的全部房屋(208)上，如果邻域内的一个房屋中的电缆调制解调器想要请求定制的点播视频或者IP，则连接到该特定CATV电缆上的邻域中的全部房屋实际上都接收到该定制信号。尽管仅仅与请求房屋(未示出)相关联的电缆调制解调器实际对请求信号进行调谐和解码，但应当注意的是，如果邻域中的每个独立房屋在同一时间同时请求自己定制的点播视频集或者IP集，则CATV电缆的有限带宽快速达到饱和。因此，能够被传送到每个房屋的定制数据量存在上限，必须对超过该上限的带宽进行限制和/或必须对超过该上限的附加定制数据的请求进行拒绝。

尽管电缆设备(202)处的CMTS架构(214)的不同的刀片或者线路卡(216)能够将不同的定制IP/点播频道发送到不同的邻域群，但由于连接到相同的光纤分路器上的全部独立邻域得到相同的定制IP/点播信号，所以该进程的粒度并不是最优的。考虑到CATV电缆的有限带宽，如果全部邻域得到相同的信号，则能够被发送到每个独立邻域的数据量在必要时必须得到限制以避免超过总的可用带宽。

图3将光导纤维(222)与CATV电缆(226)之间的采用典型的现有技术光纤结点(204)的转换进程与本发明的改进CMRTS光纤结点(300)的转换进程进行对比。为了简单起见，在此仅示出该进程的下行部分。

在现有技术的转换进程(上部)中，光导纤维(218)携带标准化视频信号以及(包含数字信息的)模拟QAM信号以供数字电视以及(能够携带点播视频或IP数据的)DOCSIS使用。

在现有技术中，“非智能”光纤结点(204)仅仅将光导纤维的光学FDM或者QAM模拟信号转换为RF FDM或QAM信号并且使这些信号通过CATV电缆(226)。因此，如果例如存在连接到该不同光纤结点上的四个不同的光导纤维，则全部光导纤维得到相同的定制IP/点播信号，并且非常低效率地依次将该信号传送到并未请求该定制信号的可能数千个非目标住户处。

相比之下，通过使用本发明的改进“智能”CMRTS光纤结点(300)，标准化信号(例如，标准化视频频道)以及(对于向后兼容性)DOCSIS QAM频道的全集或者子集能够由“主”光导纤维频道来携带，该“主”光导纤维频道在此被指定为“光纤1”并且被绘制为粗线。对于向后兼容性，光纤1经常能够是用于携带现有技术的信号并且强调本发明的向后兼容性方面的相同光纤，使用相同的编号(222)来指定光纤1。

代表性地，光纤1(222)携带作为一系列光波形的CATV频谱，该光波形直接对应于将被注入到CATV电缆(120)中的RF QAM波形。

然而，在本发明中，DOCSIS QAM频道的子集、全集或超集或者其它类型的RF调制信号也能够使用其它物理介质装置来携带，例如，使用第二光纤或者使用光纤1上的替代光波长。为了简单起见，携带该附加数据集的介质被指定为“光纤2”，并且被绘制为细线(302)以强调至少在初级阶段，光纤2可以被用于携带补充数据以拓展向后兼容的光纤1线路(222)的数据携带能力。当然，光纤2最终有可能携带远多于光纤1的数据。

尽管光纤2(302)也可以使用光QAM波形来传送数据，该光QAM波形适于单纯转换(可能仅通过在不同频率处对相同信号进行QAM调制)到电缆上使用的RF QAM波形，但实际并不需要光纤2使用任何类型的QAM编码。通常，光纤2可以使用标准吉比特以太网协议来传送该补充数据。为了强调光纤2经常通过非CATV兼容或者QAM信号携带方法来携带数据的这一事实，光纤2信号(304)被显示为一系列的线路(306)以表示这一事实，例如，可以使用可替代的数字信号传输方法。在此，每个线路代表最终被转换为QAM信号并且被发送到特定邻域的数据。

正如所述的那样，在某些实施例中，例如在完全由“智能”CMRTS光纤结点(300)组成的系统中，光纤1(222)完全不需要携带任何的定制(用户特定)信息，例如，DOCSIS信息(116)或者IP/点播频道(118)。这些定制频道能够从光纤1(222)中去除(即通过滤波)或者更加普遍地，定制IP/点播频道/DOCSIS中的某些或者全部在起初完全不会被电缆设备CMTS注入到光纤1中。

可替代地，光纤1(222)可以携带标准化视频频道(114)以及定制DOCSIS(116)或IP/点播DOCSIS信息(118)中的某些，并且IP/点播DOCSIS信息的这一部分集能够被发送到仍然由现有技术中“非智能”光纤结点提供服务的那些用户处。然而，由本发明的改进CMRTS光纤结点提供服务的用户将能对由光导纤维2、GigE或光纤波长2(304)发送的附加信息进行访问。

在本发明的改进CMRTS光纤结点(300)处，光纤结点的CMRTS单元将对其特定邻域所请求的定制数据集(308)、(310)、(312)进行确定(或者至少选择)，并且从光纤2介质(302)中检索该信息。该信息随后被QAM调制并且转换到适当的RF频率，安置在合适的空IP/点播QAM CATV电缆频道(314)、(316)、(318)上，并且随后通过CATV电缆被发送到请求该特定数据的邻域。在该邻域处，来自请求该数据的房屋的特定电缆调制解调器对该QAM频道进行调谐并且提取该数据，而同样连接到该电缆的其它电缆调制解调器将忽略该QAM频道和/或忽略该数据。

正如稍后将要叙述的，该方法允许更加精细的粒度以及相应更高的定制数据的传输率。

图4示出了本发明也可以使用相似的系统和方法来发送更高的数据上行量。如前所述的，仅分配有限量的带宽(112)来将数据上行从邻域中的独立电缆调制解调器传送回到电缆设备或者电缆头。在此示例中示出了5-42MHz的有限范围(112)。在现有技术的进程中，来自多个不同光纤的信号被合并到单一光纤(222)上，从而重新导致了拥堵问题。相比之下，通过使用改进CMRTS光纤结点(300)，来自每个邻域(400)、(402)、(404)的上行数据能够被提取，QAM信号被可选地解码，数据被安置在适当的(空)返回频道(或者适当返回频道的空TDMA时间片)(406)、(408)、(410)上并且通过诸如光纤2(302)之类的较不拥堵的第二定制数据传输介质被发送回电缆头或者电缆设备。

可替代地，为了保留向后兼容性，现有技术中上行方法可以被持续使用。作为又一替代方式，电缆系统可以根据系统配置和需求指示可互换地使用新的方法和现有技术中的方法。在此，由于CMRTS单元中本发明的FPGA和DSP MAC和PHY单元的独特的远程可重配置性，能够根据电缆系统管理的需要将各个CMRTS单元远程升级以执行新方法。

图5示出了之前所述的第二选项的一个示例，在该选项中，由CMTS产生的RF QAM频道的分布以及由CMRTS产生的QAM频道的分布都在采用CMRTS以及新型更强功能的CMTS的更复杂的系统中被共同管理。

在此，在该实施例中，改进“智能”CMRTS光纤结点(300)能够对更大的有效定制用户数据量进行输送。在此，这些改进“智能”CMRTS光纤结点(300)被显示为与电缆头处的改进CMTS架构(500)以及改进CMTS线路卡(502)共同工作。

在之前图2中所示的现有技术的系统示例中，来自电缆设备处的现有技术中的CMTS单元(214)的光导纤维(218)通过光纤分路器((220)被分路为三个子光导纤维(全部携带相同数据)(222)，并且这些子光导纤维随后被路由到三个不同的邻域。因为来自光纤分路器的全部光导纤维携带相同的数据，所以尽管仅来自一个邻域的一个房屋可能实际请求了该定制数据，但定制数据仍被无效率地发送到全部三个邻域。

因此，CATV定制IP/点播视频频道的有限携带能力(带宽)变得饱和。

相比之下，通过使用改进CMTS架构(500)和改进CMTS线路卡(502)，能够获取输入的数据并且将数据分割到两个输送介质(例如光导纤维1(218)和未分路光导纤维(301))中。通常在分路器(220)进一步将光导纤维1和光导纤维2分路为子光纤(222)、(302)之后，本发明的“智能”CMRTS光纤结点(300)现能够运输高得多的数据量。

如前所述，因为在每个不同的CMRTS光纤结点(300)处，不同的CMRTS光纤结点能够将到达或者来自为特定邻域提供服务的电缆的DOCSIS或者其它信号进行定制和优化以更好的服务于所述邻域，并且这样做使得较少受到整体电缆带宽的限制，所以能够传达更多的数据。

在此，假定改进CMTS(500)和改进CMTS线路卡(502)已经将合适的数据置于光纤1(218)、(222)和光纤2(301)、(302)上。(将对这一方面进行简短说明。)

为此，“智能”CMRTS光纤结点(300)从光纤2(302)中检索附加数据(304)；对该附加数据进行QAM调制，并且将该附加数据安置到适当的空QAM CATV电缆频道(118)上。

在图5中，邻域1具有请求的IP/点播数据(312)。邻域1的CMRTS(300)对该数据进行选择、QAM调制并且作为IP/点播频道(118)中的IP/点播信号或波形(316)输出到为邻域1提供服务的电缆(226)上。类似地，邻域2具有请求的IP/点播数据(310)。邻域2的CMRTS(300)对该数据进行选择、QAM调制并且作为IP/点播信号或波形(318)输出到为邻域2提供服务的电缆上。值得注意的是，QAM频道或频率(318)可以占据与信号(316)完全相同的频道(118)。因此，更多的数据已被传送，而同时也没有超出为两个邻域提供服务的CATV电缆的有限带宽。

因此，如果由该智能CMRTS光纤结点提供服务的邻域并未请求该数据，则空QAM CATV电缆频道(118)可用来将替代的数据类型携带到该邻域。CATV电缆有限的携带能力能够被集中于特定邻域的需要，而不是使用对于其它邻域不需要的QAM频道来填补CATV电缆有限的携带能力。

在图5中，本法明的改进“智能”CMRTS光纤结点(300)为邻域1和2提供服务。相比之下，邻域3仅由现有技术中“非智能”光纤结点(204)提供服务。

为了继续将合适水平的DOCSIS或者其它定制服务提供给邻域3，改进CMTS架构(500)和CMTS线路卡(502)可以选择发送邻域3所需的DOCSIS QAM频道的至少一个子集(116)(在此表示为DOC1)。

在此这是效率很低的，因为邻域3数据通过光纤1还与全部邻域通常使用的视频数据(114)一起被发送到全部领域处，邻域1和2对该邻域3数据不感兴趣。然而，这保留了邻域3服务，并且保持向后兼容性不变。

为了将优越的DOCSIS或者其它IP/点播服务提供给邻域1和2，改进CMTS(500)和CMTS线路卡(502)已经将邻域1和2请求的定制数据加载到光纤2(302)、(304)、(312)、(310)上。光纤2通常被路由到全部邻域，并且实际上可以仅是使用替代波长和可选不同协议的光纤1。

因此，由于IP/点播频道能够使用针对每个邻域的数据进行定制，所以系统将定制数据传递到邻域1和2处的有效能力得到显著提高，邻域1和2由改进“智能”CMRTS光纤结点(300)和改进CMTS(500)、(502)提供服务。与此同时，因为仍使用现有技术中的非智能光纤结点3(204)的邻域3能够继续对光纤1(222)传送的DOCSIS子集频道进行使用，所以向后兼容性得到了保留。

图6示出了“智能”CMRTS光纤结点(300)如何与电缆头CMTS(500)的改进电缆设备以及改进CMTS线路卡(502)共同运行的附加细节。为了简单起见，在此同样仅示出系统的下行部分。CMRTS光纤结点(300)经常具有简单的光电(O/E)(600)转换器可选地将光纤1传送的主要(标准化)CATV模拟(FDM和QAM)数据/波形(120)转换为RF信号。也就是说，该O/E转换器是光到RF(射频)转换装置，该转换装置将第一RF调制光导纤维信号集直接转换为第一CATV RF信号集。CMRTS光纤结点(300)经常还具有电光(E/O)(602)转换器以从CATV电缆取得上行RF数据并且将该数据转换为适用于按照需要使用光纤1(未示出)或者光纤2发送回电缆库的光信号。换句话说，该E/O转换器是RF(射频)到光转换装置，该转换装置将第一上行CATV RF信号集直接转换为RF调制光导纤维信号并且将所述RF调制光导纤维信号相对于CMRTS单元上行发送。

CMRTS光纤结点(300)还包含CMRTS单元(604)，该CMRTS单元从光纤2(301)、(302)处取得定制IP/点播数据信号，将该数据RF调制(通常为RF QAM调制)到合适的空CATV RF QAM频道(118)上，并且将该定制数据传送到CATV电缆(226)上。

来自光纤1(218)、(222)的RF转换的主要CATV模拟(例如，QAM频道)信号(114)、(116)，以及来自第二光纤(301)、(302)、(312)的频移定制IP/点播QAM频道(318)例如通过使用位于CMRTS光纤结点(300)的内部或者外部的双工单元(606)进行结合，并且随后全部的包含标准CATV视频(114)和DOCSIS CATV子集(116)以及扩展的IP/点播QAM调制数据(318)的复原CATV信号通过使用CATV电缆(226)被发送到邻域的各个房屋。

如前所述，应当注意的是，因为至少在最初阶段大多数HFC系统包括改变的改进CMRTS光纤结点与老旧的“非智能”光纤结点之间的混合；这将会使电缆设备(202)处的CMTS单元(500)遭受相当大的配置和管理问题。使用称为“虚拟架构”的计算机化网络管理系统和软件来解决该复杂性。

在改进“虚拟架构”系统的一个实施例中，CMTS(500)和改进CMTS线路卡(502)可以被配置有包处理器(610)以及MAC(612)和PHY(614)装置或功能以将标准CATV模拟信号、QAM信号和DOCSIS信号传送到第一(主)光导纤维1上。相同的线路卡还被配置有包处理器(616)、MAC(618)以及PHY(620)功能以在光导纤维线路2或者光纤波长2上传送补充的IP/点播扩展DOCSIS数据。如前所述，光纤2扩展数据可以通常使用完全不同的(非QAM)方法(304)进行编码。因此，用于光纤2的MAC(618)和PHY(620)能够与用于光纤1的MAC(612)和PHY(614)不同，例如，遵循标准GigE协议。

由改进线路卡传送和接收的光纤1信号和光纤2信号的精确混合根据下行连接(南端)到线路卡(502)上的光纤结点种类的不同而发生变化。

例如，如果全部的光纤结点都是现有技术中的“非智能”光纤结点(204)，则CMTS线路卡仅在光纤1上传送并且该特定CMTS线路卡的功能将向后兼容于现有技术中的CATV DOCSIS设备和光纤结点。也就是说，光纤1(218)、(222)传送DOCSIS频道的全集，并且光纤2(301)、(302)什么也不传送，这是因为没有可用于监听光纤2数据的CMRTS光纤结点(300)。

相比之下，如果全部的光纤结点都是“智能”改进CMRTS光纤结点(300)，则改进CMTS(500)和CMRTS线路卡(502)可以选择对全部DOCSIS频道(116)以及光纤2上全部对各个住户可用的定制数据进行最大化。在此情况下，光纤1仅被用于传送标准视频频道(114)。

该替代方案将使CATV电缆上的空闲QAM频道数量达到最大，并因此允许将最大数量的定制数据发送到在电缆的特定分支上的房屋处。

在混合“非智能”光纤结点(204)和“智能”CMRTS光纤结点(300)的情况下(如之前在图5中所示)，改进的CMTS(500)和CMTS(502)应理想地选择将标准视频频道(114)和DOCSIS的子集(116)信息发送到邻域3或者从邻域3处接收，邻域3由“非智能”光纤结点提供服务，从而使用光纤1来继续向领域3提供适当服务。

然而，为了向由“智能”CMRTS光纤结点(300)提供服务的邻域1和2提供优越性能，改进的CMTS(500)和CMTS线路卡(502)应理想地在光纤1上保持某些DOCSIS QAM频道空闲。可由外部命令进行指示(将要叙述)的“智能”CMRTS光纤结点(300)随后判定或者至少选择其特定领域所需的由光纤2(302)传送的GigE数据(304)，对该数据进行QAM调制，并且在空QAM频道上将该数据分布到它的邻域。在图6的示例中，数据(312)已经被QAM调制并且被作为QAM波形或数据(318)传送。

因此，相同的空QAM频道频率能够将一个数据集传送到邻域1中的房屋处并且将相同的空QAM频道频率上的不同的数据集传送到邻域2中的房屋处。

该方案高效并且向后兼容，然而该方案在电缆设备CMTS上强加了显著的配置和管理负担。这是因为“非智能”光纤结点(204)每次被转换为“智能”CMRTS光纤结点(300)时，网络的配置都会改变。

如前所述，为了对复杂性进行管理，改进的CMTS(500)和CMTS线路卡(502)的功能以及通常CMRTS光纤结点(300)的功能通过使用附加的“虚拟架构”网络管理计算机、控制器和软件进行扩展。

在一个实施例中，统一的网络管理系统(例如，以示例给出的Tail-f公司提供的ConfD管理系统)被添加到改进的CMTS(500)和线路卡(502)中以使网络和CMTS硬件以及虚拟化层一致，提供操作系统服务，管理中间设备并且配置系统以使用恰当的联网协议。在该实施例中，全部或者至少多个网络配置数据被存储在CMTS管理器中的数据库上并且网络的配置由进程控制，在该进程中，管理软件(ConfD)通过IPC(Inter-Process Communication，进程间通信)(套接字)与对改进的CMTS和CMRTS单元上的各个包处理器、MAC和PHY装置的功能进行控制的应用程序进行通信。

在此，计算机或处理器以及相关的软件存储器(622)被示为借助于位于改进的CMTS主干(627)和线路卡(502)中的各个其它控制器(624)、(626)对改进CMTS单元(500)的运行进行直接控制。该“虚拟架构管理器”(622)与本地控制器处理器(624)、(626)之间的通信被表示为虚线(628)。虚拟架构管理器还可以对2/3级交换机(629)和/或其它将改进CMTS单元连接到媒体内容(210)、互联网IP/点播数据或者“云”(212)以及由电缆设备(202)提供的其它服务上的装置的运行进行控制。

虚拟架构管理器经常还可以通过与嵌入到CMRTS光纤结点(未示出)内的控制器和应用软件经常进行通信对各个“智能”CMRTS光纤结点(300)进行管理。考虑到CMRTS光纤结点(300)与虚拟架构管理器(622)以及改进CMRT(500)(经常位于电缆头或者电缆设备处并且与各个结点(300)相距数公里或者更远)之间的通常的长距离，CMRTS光纤结点(300)到虚拟架构管理器(622)的通信经常通过光导纤维1或2传达的各个信号和信号协议来完成。在一个优选实施例中使用了基于套接字的进程间通信(IPC)协议。

这使得CMTS架构的配置以及实际上的整个网络能够被快速重新配置以符合由本发明产生的不断改变的网络模型。将该网络配置以及各个网络装置的特性存储在配置数据库(630)和配置数据库存储器装置(未示出)中常常非常方便。

图7A示出了CMRTS光纤结点(300)和CMRTS单元(604)的更多细节，在此未示出双工单元和/或信号合路器(606)(例如，双工RF信号合路器装置)。在更高或者至少替代的抽象级处，CMRTS光纤结点的CMRTS单元通常包括具有MAC和PHY单元的第一QAM-RF包处理器(700)，MAC和PHY单元将光纤2上的下行数据转换为多个射频(RF)QAM波形(频道)并且将该数据(702)下行输出到本地CATV电缆。如前所述，为了维持备用能力，CMRTS光纤结点通常还具有光电转换器(600)，该光电转换器能够将光纤1上发送的CATV波形直接转换为适于注入到电缆(226)中的RF CATV波形。

该CMRTS单元同样可选地包括第二RF-上行包处理器(704)，该第二RF-上行包处理器读取由连接到本地CATV电缆(706)上的电缆调制解调器发送的上行RF信号(数据)，并且将该上行数据转换为合适的以太网或者适于将该电缆调制解调器数据借助于光纤2上行传回电缆头或电缆设备处的改进CMTS(500)处的其它数据通信协议。该RF-上行包处理器是可选的，因为(为了向后兼容性)电缆调制解调器所发送的上行数据仅仅通过取得上行RF信号(708)、使该信号通过电光转换器(602)并且借助于光纤1(222)将该信号传送回CMTS而被替代性地返回到CMTS。

包处理器(700)、(704)的运行以及需要时O/E和E/O转换器(600)、(602)的运行可以借助于合适的控制器(常为微处理器)和本地应用软件(Apps)由虚拟架构管理器(622)进行远程控制，本地应用软件对来自光纤1(222)或光纤2(302)的数据进行拦截，并且经常借助于诸如之前所述的套接字协议之类的专用通信协议来接收和发送命令。

在对QAM-RF包处理器(700)和可选的RF-上行包处理器(704)中的PHY单元的更多细节进行公开的更深级上，CMRTS单元(604)通常包括诸如DOCSIS 2级转发器(710)之类的数据交换机、至少一个控制器(通常为未示出的微处理器和相关软件)、各种QAM调制器(712)，该QAM调制器从光纤2(302)中取得DOCSIS数据和/或其它IP/点播数据并进行转换、QAM调制并且按照需要将数据频移以匹配合适的空CATV频道。为此，CMRTS单元可以使用可控时钟发生器(714)对QAM频道的频率和时间进行控制，并且使用可变增益放大器(VGA，variable gain amplifier)单元(716)、(718)来帮助该单元的PHY部分管理将信号在CMRTS单元(300)与电缆RF信号之间来回转换的模拟进程。

和之前一样，虚拟架构管理器(622)可以通过本地(嵌入式)控制器(常为微处理器)和相关应用软件使用到达和来自虚拟架构软件的命令对DOCSIS 2级转发器(710)交换机以及对QAM调制器(712)和模数(A/D)单元(720)进行远程控制。和之前一样，这些命令经常通过与通常用于传送其它数据相同的光纤1或光纤2路径进行发送，并且还可以使用基于进程间通信(IPC)协议的套接字。

和之前一样，用于处理上行数据的返回进程能够使早前的电光(E/O)转换器生效并且将除了转换光波长之外基本没有修改的上行信号发送回去。替代性地，上行进程可以是本发明的之前所述的下行进程的上行版本。

在一个实施例中，可变增益放大器(VGA)单元(718)将来自本地邻域CATV电缆的输入上行RF信号转换为一个信号，该信号随后被时钟发生器和A/D转换器调谐并且数字化，并且随后经常使用使用光纤2(302)被DOCSIS2级转发器或者其它交换机(710)转发到电缆设备，以便允许发送更大数量的上行数据。另外在此，DOCSIS2级转发器和转换电路系统(710)可以使用来自虚拟架构软件的命令进行控制。

图7B示出了使用基于FPGA以及DSP的MAC和PHY单元的CMRTS光纤结点的附加细节，MAC和PHY单元在此被配置为重新产生与之前在图7A中所示相同的功能。在此，DSP(740)和FPGA(742)装置实现DOCSIS 2级转发器(710)和QAM调制器(712)的MAC和PHY单元的功能。根据所使用的FPGA，诸如A/D和D/A转换器之类的其它功能可以由FPGA来实现或者由FPGA之外的其它装置来实现。在某些将要说明的实施例中，FPGA(742)能够被配置为实现滤波器组类RF QAM调制器以代替QAM调制器(712)的功能。另外在此，根据所使用的FPGA特性，可以通过D/A转换器(744)和功率放大器(746)进一步对FPGA的输出进行处理以产生用于CATV电缆(226)的具有足够功率水平的RF调制信号(在此为QAM RF信号)。

用于DSP的程序和数据存器能够被存储在诸如分别示为(748)和(750)的闪存和DRAM存储器之类的计算机存储器中。

图8示出了虚拟架构管理器(622)和配置数据库(630)(之前在图6中示出)如何对多个CMRTS光纤结点(300)、改进CMTS(500)和CMTS线路卡(502)以及可选地HFC网络系统中的其它活动结点和交换机当中的大多数或者全部的功能进行控制的更多细节。

在此示例中，虚拟架构管理器软件(622)被示为作为范围更广的CMTS管理器软件包(800)的模块来运行；然而，该虚拟架构管理器软件还可以作为独立包来运行。CMTS管理器软件(800)经常以网络配置管理软件(802)为基础，该CMTS管理器软件经常被运行在一个或者更多个位于电缆设备或者其它方便地点的计算机处理器上。这样的网络配置软件(802)，也被常为运营支撑系统(OSS，OperationalSupport System)，例如可以是以瑞典斯德哥尔摩(Stockholm Sweden)(国际地点)以及弗吉尼亚州朗德山(Round Hill Virginia)(美国地点)的Tail-f系统公司所生产的ConfD网络管理软件为基础的软件。

在此实施例中，诸如ConfD之类的软件的使用是非常有用的，因为该类型的网络管理软件还提供了大量便利并且通用的接口以允许用户与网络进行交互并且随后对网络配置进行控制。这些接口可以包括NETCONF管理代理、SNMP代理、命令行界面(CLI，Command Line Interface)、互联网(网站)接口以及其它需要的代理/接口。

可以被用于对各个CMTS线路卡(502)和CMRTS光纤结点(300)的状态进行控制的虚拟CMTS架构软件经常与在网络配置软件(802)的控制下运行的网络配置数据库(630)进行交互。虚拟CMTS架构软件依次将命令发出到大部分或者全部的虚拟远程CMRTS光纤结点处，并且对电缆头(电缆设备)处的CMTS(500)以及根据需要的其它装置的运行进行控制。如前所述，用于实现该控制的一个优选方式是借助于基于套接字的进程间通信(IPC)协议和数据包(804)，该套接字通过诸如光纤1线路(218)和光纤2线路(302)用于发送CATV和DOCSIS数据的相同通信线路进行发送。在此情况下，例如，在远程CMRTS光纤结点(300)内的多个远程包处理器(700)、(704)中运行各种类型的应用软件(Apps)的控制器能够对来自虚拟架构管理器(622)的适当命令进行监听，并且相应地调整CMRTS包处理器(700)、(704)的运行。这些CMRTS光纤结点还能够使用相同的协议将它们的状态传送回虚拟架构管理器。

虚拟架构管理器系统的装置配置数据库(630)经常具有多个数据字段，这些数据字段包括含有网络中各个CMRTS单元的识别代码和/或地址的字段(CMRTS标识符字段)。数据库通常还具有与连接到各个CMRTS单元上的各个电缆调制解调器的状态有关的信息，这些信息包括电缆调制解调器识别数据(电缆调制解调器识别数据字段)以及与这些各个电缆调制解调器相关联的各个用户的特权。例如，一个用户可以拥有访问大范围服务以及大带宽的上传和下载数据的特权，而其它用户可能具有受限的对不同的服务集的访问并且更加受限的上传和下载数据特权。其它能够实现的功能包括事件记录、认证、授权和核算(AAA，Authentication,Authorization and Accounting)支持、DOCSIS管理信息库(MIB，ManagementInformation Base)功能等等。

数据库中的其它字段通常包括与用户识别字段(用户特权字段)、可用的DOCSIS频道、可用的IP地址、用于对各个CMRTS软件可控交换机进行远程配置的指令以及用于对各个CMRTS软件可控RF包处理器进行远程配置的指令相关的信息。

虚拟架构管理器和配置数据库，以及系统的其它组件，通常被运行在具有至少一个微处理器以及诸如MAC和PHY单元之类的标准硬件和软件的计算机系统上，该标准硬件和软件使得虚拟架构管理器能够(通常通过IPC协议)将数据包发送到网络上的各个远程CMRTS单元或者接收来自网络上的各个远程CMRTS单元的数据包。

OSS软件(802)能够将分配给各个用户的特权、证书和加密密钥告知虚拟架构管理器软件。OSS还能够对与分配给各个频道的频率和带宽有关的策略和分配限制进行设定。OSS还能够当检测到新的调制解调器时对来自虚拟架构管理器的查询进行响应。OSS能够进一步取得由虚拟架构管理器收集的统计数据，例如，传送和接收的包、数据大小，并且将该信息用于记账和网络管理。

在2004年斯普林格(Springer)Misra发表的OSS for Telecom Networks:An introduction to NetworkManagement(用于电信网络的OSS：网络管理介绍)”中能够找到关于OSS功能的其他信息以及更多可以在用于本发明的OSS软件中实现的功能的示例。

例如，该系统如何工作、如何对新的电缆调制解调器被第一次连接到系统上的情况进行考虑。电缆调制解调器发送上行DOCSIS信号(226)到CMRTS(604)。CMRTS(604)中的RF-上行(RF-up)包处理器(704)依次对与电缆调制解调器识别号有关的信息以及其他相关参数进行收集，将数据重新封装为数字格式，并且将数据上行发送回光纤GigE链接(302)上的虚拟架构管理器系统处。虚拟架构管理器系统(622)在装置配置数据库(630)中查找电缆调制解调器识别数据，并且对与所述电缆调制解调器识别数据相关的用户特权进行确认，并且根据用户特权字段、可用DOCSIS频道以及可用IP地址的值通常借助于对特定电缆调制解调器进行控制的IPC协议(804)将数据包发送到CMRTS(700)单元。

这些数据包与应用(例如，App 1、App n)进行交互并且对CMRTS单元(700)上的软件可控交换机进行配置，以对QAM-RF包处理器(700)上的软件可控交换机以及电缆调制解调器可用IP地址进行配置，从而在第一可用DOCSIS频道上将下行数据传送到电缆调制解调器。数据包还对软件可控RF包处理器(704)进行配置以在第二可用DOCSIS上行频道上接收来自电缆调制解调器的上行数据以及IP地址，并且将上行数据作为第三上行数字光导纤维信号(302)进行重新传送。

虚拟架构管理器(622)经常通过代理动态主机配置协议(DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol)服务或者其它方法对用于电缆调制解调器的IP地址进行处理。

同样如同在其它部分所述的那样，本方法的一个特别的优点在于其出色的向前和向后兼容性。相同的CMRTS单元能够被用在当前的HFC网络中，使用常规CMTS单元的HFC网络(选项一)或者使用先进CMTS单元的先进HFC网络(选项二)。

作为运行中的先进CMTS选项二系统的一个示例，假设由于日常维护，图5中的“非智能”光纤结点3(204)现在由“智能”CMRTS光纤结点3(300)代替。由于这一改变，网络可能想要例如现在通过对CMTS线路卡(502)进行配置而使该分支的性能达到最优，该CMTS线路卡(502)发送信号到光线分路器“n”(220)以停止在光纤1(218)、(222)上发送DOC1(116)频道。通过不再在光纤1上传送DOC1频道，在HFC网络的该分支上创建附加的空频道(频率)，该频率能够被替代地用于借助于光纤2(301)、(302)来传送附加IP/点播数据。

为了完成这一改变，虚拟架构管理器(622)发送命令到合适的2/3级交换机(629)以及CMTS线路卡(502)，从而将CATV视频和DOCSIS包处理器(610)、CATV MAC(612)以及CATV PHY(614)配置为不再传送DOC1频道。虚拟架构管理器还发送命令到合适的2/3级交换机(629)、GigE(GigabyteEthernet，吉字节以太网)包处理器(616)、GigE MAC(618)以及GigE PHY(620)处，以替代性地将通常由光纤1(218)上的DOC1频道传送的数据现使用光纤2(301)对该数据进行传送。虚拟架构管理器还与CMRTS光纤结点1、2以及新的CMRTS光纤结点3(300)进行通信，指示光纤结点使用QAM-RF包处理器(700)和/或DOCSIS L2转发器(710)在光纤2(302)上寻找以前的DOC1数据，并且使用QAM调制器(712)对该DOC1数据进行QAM调制，以及空DOC1频道(116)上将该数据发出。虚拟架构管理器目前能够更好地利用之前低效使用的DOC1频道(频率)，这是因为该DOC1频道现在被用于发送邻域特定数据。

在此，灵活性的提升增大了可用于系统用户的数据量。在现有技术中的系统下，不论任何连接到附加在特定光纤结点处的CATV电缆上的电缆调制解调器是否需要数据，DOC1频道(频率)(116)上的DOC1QAM信号被传送到全部三个光纤结点处，这三个光纤结点连接到三个不同邻域中的电缆上。如今，通过使用“智能”CMRTS光纤结点3(300)来代替“非智能”光纤结点3(204)，增大了其它邻域接收更大范围的定制IP/点播服务的能力。

接着此示例，进一步假设新的CMRTS光纤结点3(300)中的CMRTS单元(604)在安装后不久经历早期重大故障。在此情况下，CMRTS光纤结点3的O/E和E/O部分(600)、(602)继续工作，并且由此，故障的CMRTS光纤结点3(300)目前再次表现为“非智能”光纤结点3(204)。在此情况下，虚拟架构管理器(622)能够通过仅仅对刚刚完成的改变进行回滚来解决该故障，并且在对故障的新CMRTS光纤结点3进行维修的同时针对全部三个邻域的服务能够继续进行(至少能够以现有技术的水平)。

对用于CMRTS MAC和PHY单元的FPGA和DSP装置进行配置所需的数据和软件(配置数据)能够被存储在多于一个的位置中。在一些实施例中，该配置数据能够被存储在存储器中(即，RAM、ROM、闪存等)，例如，存储在图7B(748)中的远程CMRTS单元上。实际上，用于多于一个的FPGA和DSP配置的配置数据可以此方式存储，并且CMRTS单元可以配备有一些根据本地环境进行自配置的能力。然而，可替代地或者附加地，配置数据经常被存储在CMRTS外部，例如，存储在之前所述的远程虚拟架构管理器配置数据库(630)中。

在这个后一手段中，远程虚拟架构管理器(622)则能够使用与基于套接字的进程间通信(IPC)(804)类型相同的或者其它手段对中央控制下的基于CMRTS FPGA和DSP的MAC和PHY进行配置。该后一系统的净效果实际上是允许当系统的管理器需要时立即对CMRTS单元进行“现场升级”。因此例如，更新后的FPGA程序或图像能够被从配置数据库(630)下载到CMRTS板上闪存(图7中748)，并且随后被用于对FPGA的配置进行升级以根据需要允许附加的CMRTS MAC和PHY硬件能力。DSP程序和数据也能够使用该方法进行更新。

因此总的来说，CMRTS FPGA和DSP单元能够使用虚拟架构管理器系统进行配置，例如图8中(800)所示的具有装置配置数据库(630)的系统，该装置配置数据库至少具有CMRTS标识符字段、电缆调制解调器识别数据字段、与所述电缆调制解调器识别字段相关联的用户的特权(用户特权字段)、可用DOCSIS频道、可用IP地址、对所述至少一个软件可控交换机进行配置的指令以及对软件可控RF包处理器进行远程配置的指令。该虚拟架构管理器通常包括至少一个处理器，以及能够将数据包发送到多个远程CMRTS单元(例如，700、704)或者接收来自多个远程CMRTS单元的数据包的硬件和软件。

装置配置数据库(630)因此能够另外包括多个FPGA配置数据以及DSP程序数据。虚拟架构管理器能够根据需要将该FPGA配置数据和/或DSP程序数据中的至少一些下载到各个远程CMRTS光纤结点(例如，诸如700、704之类在该领域中所安装的CMRTS结点)。

图9示出了一个示例，其中本发明的CMRTS系统被用在更加常规的CMTS HFC系统中。在此，CMTS架构是标准(现有技术)CMTS架构(214)，该标准CMTS架构通过有线电视运营商进行配置以将某些QAM频道(DOCSIS频道)保留为空。由CMRTS光纤结点(300)中的CMRTS单元处理的数据以完全独立于标准CMTS架构(214)所处理的数据的方式进行处理，标准CMTS架构(214)所处理的数据仅仅被CMRTS光纤结点(300)中简单的O/E(600)和E/O(602)装置从各个邻域中的本地电缆中来回传递。

在此，去往各个CMRTS单元(604)的互联网/IP之类的数据由独立于CMTS(214)的2/3级交换机进行处理，由上述GigE MAC和PHY单元(未示出)转换为光信号，并且像之前一样沿光纤2(301)发送。在此，虚拟架构管理器(622)仅与2/3级交换机(629)以及相关的CMRTS单元(300)进行交互，而不直接与标准CMTS架构(214)进行交互。像之前一样，该虚拟架构管理器(622)由网络配置管理软件(OSS)(802)进行控制。

图10示出了“智能”CMRTS光纤结点(300)如何与现有技术中的电缆头CMTS(214)以及现有技术中的CMTS线路卡共同运行的附加细节。就图9而言，CMRTS的功能基本上一样，然而现有技术的CMTS架构(214)不再对它的QAM频道进行智能管理，而是改为仅仅具有一些预先分配的能够由CMRTS单元进行填充的空QAM频道。

注意到即使CMRTS示例使用了包处理器(700)、(704)，但是在替代实施例中，可能不需要这些数据包处理器中的一个或者更多个。替代性地，信号可以仅仅通过，要不然使用波形整形进行修改，或者使用一些其它手段进行修改。

举例而言，还有一个实施例中，基于CMRTS FPGA和DSP的MAC和PHY单元可以被配置为完全不包含QAM调制器。在此替代实施例中，QAM信号可以在第二光导纤维上被来回发送(例如，被发送到或者接收自电缆设备或者靠近电缆设备的光导纤维结点)，并且CMRTS FPGA和DSP单元能够仅仅实现频移电路系统以将第二光导纤维QAM信号转换到适当的空CATV QAM频道(DOCSIS频道)。

图11示出了CMRTS光纤结点的MAC和PHY单元的FPGA和DSP组件能够如何被重新配置为实现RF滤波器组传送器，例如，RF QAM传送器。为了实现使用FPGA和DSP装置的RF QAM传送器，可以使用哈里斯(Harris)等人(“Digital Receivers and Transmitters Using Polyphase Filter Banks for WirelessCommunications(利用无线通信的多相滤波器组的数字接收器和传送器)”，IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques(微波理论和技术的IEEE学报)，2003年，第51卷第4期，1395-1412页)的方法或者替代性方法。简单来说，CMRTS MAC和PHY传送器装置能够取得输入的比特流数据d_0,k，d_1,k，d_N-2,k和d_N-1,k(1100)，通过使数据经过由CMRTS的FPGA以及DSP MAC和PHY单元所实现的快速傅里叶逆变换(FFT^-1)波形发生器(1102)以对数据进行RF调制，随后使数据经过多相滤波器E₀...E_N-2(1104)(例如，有限冲激响应(FIR)滤波器)，对结果进行多路复用，并且通过数模转换器输出，从而产生QAM调制的RF输出信号(1108)。该系统能够产生一系列的堆叠RF QAM频道，其产生如下所示的RF频谱(1110)。

原则上，除QAM调制的RF波形外，通过基于FPGA和DSP的CMRTS MAC和PHY单元还可以产生其它类型的RF波形，例如，码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)、正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)以及甚至任何类型的RF调制方案。

此外，如前所述，软件可配置RF调制器/传送器装置可被进一步配置为实现RF调制器和传送器，该RF调制器和传送器对所述第二RF波形集进行预失真或者定制以对在所述混合光纤电缆(HFC)网络的电缆部分的至少一部分中的RF信号的损伤进行修正。在此，如前所述，以引用方式合并在本申请中的原申请13/478461的方法可以使用本申请的基于FPGA和DSP的MAC和PHY传送器单元来实现。

尽管(1110)中所示的堆叠QAM频道RF输出频道全部以等振幅绘制，但该方法的一个优点在于实际上不同频道的振幅并不需要被设定为相等。通常在CATV电缆中，更高的频率比更低的频率衰减更快。因此在此，例如，FPGA和DSP实现的CMRTS MAC和PHY传送器能够被配置为对某些频道(例如，更高频率的频道)采用比其它频道更高的平均振幅进行加权，因此赋予该独立CMRTS单元解决本地CATV信号损伤的能力。例如，如果给定的CATV电缆分支非常得长，使得电缆调制解调器被调谐到很远的更高频率频道并且经过信号衰减，那么CMRTS单元可以被配置为对特定频道采用更高的振幅进行加权。这样的用于克服频道损伤的权重差异被称为预失真，并且系统能够因此使用这些方法来实现可编程预失真。

图12示出了由基于FPGA和DSP的CMRTS单元的MAC和PHY单元的FPGA部分(1200)和DSP部分(1202)处理的单一处理步骤之间的分工的示例。在此示出了TDMA突发接收器的实施方式。图12的下面部分(1204)示出了超外差接收器实施方式的示例，当各个上行CATV频道并非规律地频率间隔排列时该实施方式最有用。在此，Harris等人的方法仍然有用。

在此，在数字前端，系统获得输入的RF信号样本，并且FPGA组件(1200)(该组件自身是软件可配置的)能够对模数(A/D)转换过程的最初阶段进行操作。FPGA还能够调谐到该信号(例如，采用调谐器和匹配滤波器)。在此配置中，FPGA随后将数据以第一数据率和数据格式转移到DSP(1201)，例如，以每个符号两个样本的速率进行转移。DSP(1202)则能够实现其它功能，例如，DOCSIS RF信号突发检测器(SBD，signal burst detector)和定时恢复(TR，Timing recovery)功能，载波恢复(CR，carrier recovery)，均等化(等化器)，DOCSIS去映射和解扰功能(去映射器、解扰器)，以及里德索罗门纠错(RS，ReedSolomon)。

解扰器在此能够例如是标准DOCSIS解扰器。DOCSIS传送器和接收器使用扰频器和解扰器的方法将足够的随机性引入到DOCSIS QAM RF信号中，从而产生足够的信号过渡以用于接收器定位，因此允许系统维持正确的同步。

系统还可以执行附加DOCSIS功能，例如，头检验、解析、分段校正、误差抑制，诸如此类。像之前一样，尽管RF QAM调制方法经常被用作整个RF调制方案的主要示例，但是系统还可以被配置为接受其它的非DOCSIS RF调制方案，例如，CDMA或OFDM调制RF信号。

同样显而易见的是，对于CMRTS传送器，CMRTS软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置还可以使用FPGA配置数据被配置或者重新配置，该FPGA配置数据被存储在远程CMTS光纤结点处的存储器(例如，图7A中的748)中或者从远程虚拟架构管理器系统(图8中的622、800)的配置数据库(图8中的638)进行下载。同样地，CMRTS软件可控RF包处理器的至少一个DSP装置还可以使用DSP软件进行编程，该DSP软件被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器(748)中或者从远程虚拟架构管理器系统(622)、(800)的配置数据库(638)进行下载。

各种类型的接收器都可以使用FPGA和DSP技术来实现。一种类型是超外差接收器(1204)，当要接收的各个RF频道并非规律地隔开时超外差接收器通常更加有用。例如在此，通过乘法运算将该类型的本地振荡器信号例如与输入的信号x(n)进行混合，并且随后在步骤h(n)中使用例如冲激响应滤波器对两个信号的和与差进行滤波。该过程的输出则被进一步削减以将最初可以是超高频采样率降低为较低的采样频率，从而产生有用的输出。这些步骤经常在电路的FPGA部分中实现。

图13示出了CMRTS光纤结点的MAC和PHY单元的FPGA和DSP组件还如何能够被配置为实现滤波器组接收器，该接收器可以是QAM接收器。当各个上行CATV频道规律地频率间隔排列时该配置最有用。在此，Harris等人的方法或者替代方法还可以被使用。

当存在要接收的一系列的规律性隔开的输入RF频道(如图13中1300所示)时，滤波器组接收器变得更加有用。滤波器组接收器通常使用与之前在图11中所述的滤波器组传送器相反的方法起作用。

在此实施例中，基于CMRTS FPGA和DSP的MAC和PHY单元能够被配置为实现软件可控RF包处理器接收器。该方法的一个优点是，该手段随后变得更加易于进一步将各个接收器配置有能够对各个CATV上行RF信号(通常来源于各个电缆调制解调器)进行均等化和调整的能力，以对混合光纤电缆(HFC)网络的电缆部分的至少一部分中的RF信号损伤进行修正。

图14示出了实现其它的DOCSIS功能所需的信号流处理步骤中的某些步骤的简化流程图。这些经常再次通过基于FPGA和DSP的CMRTS MAC和PHY单元的DSP部分进行处理。

在此，RF突发信号首先由FPGA进行采集。随后对RF突发进行处理，对RF突发所传送的各个数据包进行检测，以及依次对这些数据包进行解析、重新组装并且送往各个功能。例如，系统可以对数据包的头进行检验，判断该数据包是MAC消息还是需要进行转发的数据包，并且根据头的不同采取合适的措施。

图15示出了从软件管理和系统控制角度看到的基于CMRTS的CATV网络的一个可替代视图。

其它实施例

本发明的其它替代性实施例同样是可能的。在这些替代性实施例中，在美国临时申请61/511395(该申请的内容以引用方式包含在本申请中)中更加详细地说明的CMRTS的各个单元能够具有多个输出，例如，多个CATV电缆输出、甚至CATV或同轴电缆输出与诸如数据输出(例如，GigE或其它数据输出)、电话输出等之类的其它输出类型的混合。

在其它替代性实施例中，CMRTS单元还可以被安置得更加靠近独立住户。例如，在一些替代性实施例中，CMRTS单元可以被安置得极度靠近甚至是附加在多个住户单元(例如办公室或公寓大楼)，或甚至附加在独立住户上，在此情况下，CMRTS在一定程度上能够多少表现为“入户光纤”的光网络终端。

图16示出了一个可替代实施例，其中，CMRTS单元(1300)被配置为提供多个电RF或数据输出，例如，四个CATV电缆引出线(1302、1304、1306、1308)，或者可选地提供CATV电缆引出线和其它电输出(例如GigE端口之类的数据端口和/或电话端口)的混合。

用于(1300)的一个可能的配置的示意图在(1310)中示出。当CMRTS单元(1310)被用于驱动多住户设施时，或者CMRTS单元可以被配置为对被分割到多个CATV电缆中的邻域进行驱动的情况下(例如，参见图6，在此CMRTS单元(1300)基本上被用作单一单元以代替智能光纤分光器(220)以及CMRTSFN1(300)和CMRTS FN2(300)，并且甚至是代替非智能的FN3(204))，将CMRTS单元配置为驱动多个CATV电缆的该配置可能很有用。

在此，用于在全部电缆(1302、1304、1306、1308)上传送的标准化视频信号能够使用诸如单纯的光电转换器(1312)之类对全部电缆(1302、1304、1306、1308)通用的方法进行处理，并且这些结果可以到达全部输出电缆(1302至1308)。实际上，公共数字视频信号(1314)可以使用类似机制进行处理。然而在最简单的替代方案中，不同的单元1、2、3和4(1316、1318、1320、1322)能够是不同的CMRTS单元(例如，原来的604)，并且现在可以被分配给不同的电缆(例如，一个CMRTS用于电缆(1302)，另一个CMRTS用于电缆(1304)，以此类推)，因此使得该替代性D-CMRTS光纤结点现在能够对电缆的多个邻域部分或者用于单个建筑物的电缆的多个部分进行处理。

然而在另一个并且是更加基本的替代方案中，至少单元(1318)、(1320)、(1322)可以是被分配用于其它用途的其它类型的光电数据处理单元。例如，在一个替代性实施例中，单元2(1318)可以被配置为具有用于IP数据的MAC和PHY能力，在此情况下，电缆或接口(1304)可以是数据端口，例如，GigE端口或其它类型的数据端口。同样地，单元3和/或单元4(1320)、(1322)可以被配置为具有用于电话数据的MAC和PHY能力，在此情况下，电缆或接口(1306)和/或(1308)可以是一个或更多个电话电缆或接口，例如，用于电话和/或传真线路。

因此，在一个极端情况下，邻域(206)可以仅仅是单个住户或者至少是单一的多单元设施。在此极端情况下，CATV电缆(226)的长度可以达到最小值(即，极短)，并且CMRTS单元(1300)、(1310)甚至可以被附属于住户或者其它设施。

图17示出了一个可替代实施例，其中，CMRTS单元(1300)被配置为提供多个电RF或数据输出(1302至1308)，并且进一步被配置为直接连接到单一住户(1400)，该单一住户可以是单一房屋或者诸如办公大楼或者单元房之类的多单元设施。

将该改进光导纤维节点放置在临近或附属于房屋或其它建筑物(可以是多住户/办公大楼)的一个附加优点是，以前提出(例如，以引用形式包含在本申请中的申请61/511,395)的包括TDD协议的其它协议的使用也可以根据需要被使用。

Claims (26)

1.一种远程CMTS光纤结点(CMRTS)系统，其用于混合光纤电缆(HFC)网络，包括：

至少一个软件可控RF调制器装置，其能够将数字编码的第二光导纤维信号的所选部分编码为第二RF波形集；

至少一个软件可控交换机，其能够被远程定向以选择所述第二光导纤维信号中的至少某些信号(所选第二光信号)并且引导所述至少一个软件可控RF调制器装置将所述所选第二光信号在所选频率集处编码为所述第二RF波形集(远程产生RF信号)；

至少一个远程软件可控RF包处理器，其能够对至少一个电缆调制解调器所产生的CATV RF上行信号所携带的上行数据进行检测，对所述上行数据进行数字重封装，并且将所述上行数据作为第三上行数字光导纤维信号进行重新传送；

其中，所述至少一个软件可控RF调制器装置，和/或所述软件可控RF包处理器包括至少一个FPGA装置和DSP装置，所述FPGA装置和DSP装置能够通过软件进行远程配置以实现MAC和PHY，所述MAC和PHY具有附加的非DOCSIS功能、DOCSIS功能的全集、或者标准DOCSIS上行和下行功能的子集；

其中，所述至少一个软件可控交换机的功能、所述RF调制器的功能以及所述至少一个远程软件可控RF包处理器的功能能够由远程虚拟架构管理器系统控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述软件可控RF调制器装置的至少一个FPGA装置通过使用FPGA配置数据进行配置，所述FPGA配置数据被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载；

并且所述软件可控RF调制器装置的至少一个DSP装置通过使用DSP软件进行编程，所述DSP软件被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述软件可控RF调制器装置的至少一个FPGA装置和至少一个DSP装置被配置为实现滤波器组型RF调制器和传送器。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述软件可控RF调制器装置的至少一个FPGA装置和DSP装置被配置为产生QAM或CDMA或OFDM波形，并且所述第二RF波形集为QAM或CDMA或OFDM波形。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述软件可配置RF调制器装置进一步被配置为实现RF调制器和传送器，所述RF调制器和传送器对所述第二RF波形集进行预失真或者定制以对在所述混合光纤电缆(HFC)网络的电缆部分的至少一部分中的RF信号损伤进行校正。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置和DSP装置被配置在MAC单元和PHY单元中，所述MAC单元和PHY单元起到至少一个TDMA突发接收器或CDMA接收器或OFDM接收器的作用。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置通过使用FPGA配置数据进行配置，所述FPGA配置数据被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载；

并且所述软件可控RF包处理器的至少一个DSP装置通过使用DSP软件进行编程，所述DSP软件被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置和DSP装置被配置为实现至少一个滤波器组接收器和/或至少一个超外差接收器。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述软件可控RF包处理器被进一步配置为实现至少一个接收器，所述接收器具有对所述CATV上行RF信号进行均等化或调整的能力以对在所述混合光纤电缆(HFC)网络的电缆部分的至少一部分中的RF信号损伤进行校正。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述虚拟架构管理器系统包括装置配置数据库，所述装置配置数据库至少具有CMRTS标识符字段、电缆调制解调器识别数据字段、与所述电缆调制解调器识别字段相关联的用户的特权(用户特权字段)、可用DOCSIS频道、可用IP地址、对所述至少一个软件可控交换机进行配置的指令以及对所述远程软件可控RF包处理器进行配置的指令；

至少一个处理器；以及

硬件和软件，其能够将数据包发送到多个远程CMRTS单元或者接收来自多个远程CMRTS单元的数据包。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述虚拟架构管理器系统将数据包发送到所述远程软件可控RF包处理器，以对由至少一个最新初始化的电缆调制解调器传送的上行电缆调制解调器识别数据进行检测，并且将所述调制解调器识别数据传送到所述远程虚拟架构管理器系统。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述装置配置数据库还包括多个FPGA配置数据和DSP程序数据，并且其中，所述FPGA配置数据和DSP程序数据中的至少一些被从所述远程虚拟架构管理器系统下载到所述远程CMTS光纤结点。

13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：第一光到RF(射频)转换装置，该转换装置将第一RF调制光导纤维信号集直接转换为第一CATV RF信号集。

14.一种用于对混合光纤电缆(HFC)网络的数据携带能力进行增强的方法，所述HFC网络具有电缆头、光导纤维网络、多个光导纤维结点、多个连接到所述多个光导纤维结点上的独立CATV电缆以及多个独立的电缆调制解调器，每个电缆调制解调器具有不同的数据要求并且与所述独立CATV电缆中的每个连接，所述方法包括：

获取至少一个远程CMTS光纤结点(CMRTS)，所述远程CMTS光纤结点包括：

至少一个软件可控RF调制器装置，其能够将数字编码的第二光导纤维信号的所选部分编码为第二RF QAM波形集；

至少一个软件可控交换机，其能够被远程定向以选择所述第二光导纤维信号中的至少某些信号(所选第二光信号)并且引导所述至少一个软件可控RF调制器装置将所述所选第二光信号在所选频率集处编码为所述第二RF波形集(远程产生RF信号)；

至少一个远程软件可控RF包处理器，其能够对至少一个电缆调制解调器所产生的CATV RF上行信号所携带的上行数据进行检测，对所述上行数据进行数字重封装，并且将所述上行数据作为第三上行数字光导纤维信号进行重新传送；

其中，所述至少一个软件可控RF调制器装置，和/或所述软件可控RF包处理器包括至少一个FPGA装置和DSP装置，所述FPGA装置和DSP装置能够通过软件进行远程配置以实现MAC和PHY，所述MAC和PHY具有附加的非DOCSIS功能、DOCSIS功能的全集、或者标准DOCSIS上行和下行功能的子集；

以及，使用远程虚拟架构管理器系统对所述至少一个软件可控交换机的功能、所述RF调制器的功能以及所述至少一个远程软件可控RF包处理器的功能进行控制。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步使用FPGA配置数据对所述软件可控RF调制器装置的至少一个FPGA装置进行配置，所述FPGA配置数据被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中，或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载所述FPGA配置数据；

并且，进一步使用DSP软件对所述软件可控RF调制器装置的至少一个DSP装置进行编程，所述DSP软件被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中，或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载所述DSP软件。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步对所述软件可控RF调制器装置的至少一个FPGA装置和至少一个DSP装置进行配置以实现滤波器组型RF调制器和传送器。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步对所述软件可控RF调制器装置的至少一个FPGA装置和DSP装置进行配置以产生QAM或CDMA或OFDM波形，其中，所述第二RF波形集因而为QAM或CDMA或OFDM波形。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步对所述软件可配置RF调制器装置进行配置以实现RF调制器和传送器，所述RF调制器和传送器对所述第二RF波形集进行预失真或者定制以对在所述混合光纤电缆(HFC)网络的电缆部分的至少一部分中的RF信号损伤进行校正。

19.根据权利要求14所述的系统，进一步将所述软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置和DSP装置配置在MAC单元和PHY单元中，所述MAC单元和PHY单元起到至少一个TDMA突发接收器、CDMA接收器或OFDM接收器的作用。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步使用FPGA配置数据对所述软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置进行配置，所述FPGA配置数据被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中，或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载所述FPGA配置数据；

以及，使用DSP软件对所述软件可控RF包处理器的至少一个DSP装置进行编程，所述DSP软件被存储在所述远程CMTS光纤结点处的存储器中，或者从所述远程虚拟架构管理器系统下载所述DSP软件。

21.根据权利要求19所述的方法，进一步对所述软件可控RF包处理器的至少一个FPGA装置和DSP装置进行配置配置以实现至少一个滤波器组接收器和/或至少一个超外差接收器。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，进一步对所述软件可控RF包处理器进行配置以实现至少一个接收器，所述接收器具有对所述CATV上行RF信号进行均等化或调整的能力以对在所述混合光纤电缆(HFC)网络的电缆部分的至少一部分中的RF信号损伤进行校正。

23.根据权利要求14所述的方法，其中，所述虚拟架构管理器系统包括装置配置数据库，所述装置配置数据库至少具有CMRTS标识符字段、电缆调制解调器识别数据字段、与所述电缆调制解调器识别字段相关联的用户的特权(用户特权字段)、可用DOCSIS频道、可用IP地址、对所述至少一个软件可控交换机进行配置的指令以及对所述远程软件可控RF包处理器进行配置的指令；

至少一个处理器；以及

硬件和软件，其能够将数据包发送到多个远程CMRTS单元或者接收来自多个远程CMRTS单元的数据包。

24.根据权利要求23所述的方法，进一步使用所述虚拟架构管理器系统将数据包发送到所述远程软件可控RF包处理器，以对由至少一个最新初始化的电缆调制解调器传送的上行电缆调制解调器识别数据进行检测，并且将所述调制解调器识别数据传送到所述远程虚拟架构管理器系统。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述装置配置数据库还包括多个FPGA配置数据和DSP程序数据，进一步将所述FPGA配置数据和DSP程序数据中的至少一些从所述远程虚拟架构管理器系统下载到所述远程CMTS光纤结点。

26.根据权利要求14所述的方法，进一步使用第一光到RF(射频)转换装置以将第一RF调制光导纤维信号集直接转换为第一CATV RF信号集。