Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Datenkommunikation in Kabelfernsehnetzwerken nach Anspruch 1.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ferner ein Modem zur Datenkommunikation in Kabelfernsehnetzwerken nach Anspruch 6 und ein Kabelfernsehnetzwerk nach Anspruch 10.

Es gibt eine steigende Nachfrage nach kostenwirksamen Lösungen insbesondere für Internetverbindungen in MATV (Master Antenna Television – Gemeinschaftsantennen-) und SMATV (Satellite Master Antenna Television – Satelliten-Gemeinschaftsantennen-) Anlagen. Eine herkömmliche Lösung für einen Internetzugang ist, ein Modem in der gewöhnlichen Telefonleitung zu verwenden. Andere Lösungen, die die Telefonleitung verwenden, wie ISDN oder ADSL, werden oft sowohl im privaten als auch im geschäftlichen Gebrauch genutzt, wenn eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit nötig ist. Alle diese Telefonleitungslösungen werden hauptsächlich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Diese Art der Kommunikationsleitung mit mehreren anderen Nutzern zu teilen benötigt noch immer Zugangsnetzwerke in den Gebäuden. Eine Alternative ist, ein separates Netzwerk zur Datenkommunikation zu bauen, was die Standardlösung für Büro- oder Heimnetzwerke ist. In vielen Gebieten mag dieses teuer sein verglichen dazu, bestehende Kabel, wie das koaxiale Fernsehnetzwerk, alternativ zu nutzen.

Menschen, die an CATV (Kabelfernsehen) Netzwerke angeschlossen sind, können Zugang zum Internet über ein CATV Modem bekommen. Diese Lösung ist hauptsächlich in größeren Netzwerken verfügbar wegen der teuren CATV Kopfstationausrüstung, die zur Datenkommunikation in CATV Netzwerken nötig ist, auch bezeichnet als DOCSIS^TM (Data Over Cable Service Interface Specification), welches die von CableLabs^® zertifizierte (CableLabs^® Certified^TM), Standardtechnologie für CATV Netzwerke ist. DOCSIS^TM definiert Schnittstellenanforderungen für Kabelmodems, die an Hochgeschwindigkeits-Datenverteilungen über Kabelfernsehsystemnetzwerke beteiligt sind.

Ein herkömmliches Problem in Koaxialkabelnetzwerken ist die Rauschdichte, insbesondere im Band unter den Fernsehkanälen, das normalerweise bei 5–65 MHz liegt. Dieses Band ist Upstream-Daten (Daten vom Benutzer zur CATV Kopfstation) zugeordnet. Obwohl das Koaxialkabel abgeschirmt ist, wird das Rauschen hauptsächlich durch umgebende Störungen aus verschiedenen Quellen, wie Kurzwellentransmission, Motoren etc., verursacht. Auch CATV Modems tragen mit Rauschen von ihren aktiven Anteilen zum Netzwerk bei. Vom Rausch- und Störungsstandpunkt aus ist das Sammeln von Signalen in der Kopfstation schwieriger als das Verteilen von Signalen von der Kopfstation. Das liegt daran, dass die ganze Verkabelung im Netzwerk zu einem Punkt zusammengeführt wird. Wenn ein Datenkommunikationssystem in CATV Netzwerken installiert wird, ist es daher oft nötig, die Netzwerkkomponenten, wie Verteilverstärker und eventuell andere passive Komponenten, wie Weichen, Abgriffe, Fernsehausgänge, etc., zu verbessern.

Die existierende Modulationstechnik, die für CATV Netzwerke verwendet wird, heißt QAM (Quadrature Amplitude Modulation) und benötigt gute Signal-zu-Rausch- und Signal-zu-Interferenz-Leistung, insbesondere wenn das Netzwerk mit höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten betrieben wird und besonders im Band unterhalb der Fernsehkanäle. Die QAM Signale sind in zwei separate Kanäle für Downstream Daten (Daten von der CATV Kopfstation zum Benutzer) und Upstream Daten (Daten vom Benutzer zur CATV Kopfstation) aufgeteilt. Der Downstream kann in jedem Bereich in dem normalen Fernsehband angeordnet sein, beispielsweise bis zu 860 MHz in Europa aber auch höher in anderen Ländern oder bei anderen speziellen Anwendungen.

Die oben beschriebene Datenverteilung über Kabelfernsehsystemnetzwerke ist bereits bekannt durch die DOCSIS^TM Spezifizierung, die über CableLabs^® (Cable Television Laboratories Inc., Louisville, USA) verfügbar ist.

Ein Nachteil der bekannten Implementierungen der oben genannten herkömmlichen DOCSIS^TM Spezifizierung ist, dass teure Ausrüstung für Kopfstationen zur Datenkommunikation nach dieser Spezifizierung nötig ist, und dass die existierende Modulationstechnik, die in CATV Netzwerken in Übereinstimmung mit der DOCSIS^TM Spezifizierung verwendet wird, QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ist, die eine gute Signal-zu-Rausch- und Signal-zu-Interferenz-Leistung benötigt, insbesondere wenn das Netzwerk mit höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten betrieben wird und besonders im Band unterhalb der Fernsehkanäle. Daher ist es oft nötig, Netzwerkkomponenten, wie Verteilverstärker und eventuell andere passive Komponenten, wie Weichen, Abgriffe, Fernsehausgänge, etc., zu verbessern, um CATV Netzwerke anzupassen, um Datenkommunikation in Übereinstimmung mit der DOCSIS^TM Spezifizierung zu ermöglichen. Die Kosten, die mit einer solchen Verbesserung verbunden sind, können erheblich sein.

Die obigen Kostenaspekte sind oftmals die Hinderungsgründe (show stoppers) für jegliche Verbesserung, um Datenkommunikation und Datennetzwerkzugang in kleinen und mittleren Koaxialkabelnetzwerken, wie MATV (Master Antenna Television – Gemeinschaftsantennen-) und SMATV (Satellite Master Antenna Television – Satelliten-Gemeinschaftsantennen-) Anlagen, bereitzustellen.

D1: WO 96/37062, offenbart ein ein bestehendes CATV System nutzendes zweiseitiges Point-to-Multipoint Datenübertragungssystem, welches koaxiale Kabelsegmente, Fasersegmente und Kombinationen aus diesen umfassen kann. Die im System enthaltenen Modems, d. h. das Kopfstationsmodem und die sich an Benutzerknoten befindenden Downstream Modems, sind angeordnet, um eine gegenseitige Datenkommunikationsverbindung aufzubauen, die OFDM Modulation verwendet, wobei im CATV System ein Datensignal zusammen mit einem Fernsehsignal übertragen werden kann.

Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zur Datenkommunikation in Kabelfernsehnetzwerken bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Dank der Bereitstellung von Host- und Knoten-Modems, die Stromleitungs-Transceiver zur Handhabung von Datenkommunikation verwenden und Modulation/Demodulation bereitstellen, können Kabelfernsehnetzwerke, und insbesondere MATV und SMATV Anlagen, eine bezahlbare und leicht anwendbare Lösung für die gemeinsame Nutzung von Datenkapazität über die existierende Infrastruktur eines koaxialen Kabelfernsehnetzwerkes. Auch die Kosten einer Netzwerkverbesserung werden dank der Unempfindlichkeit der Modulationstechnologie von Stromleitungs-Transceivern minimiert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Modem zur Datenkommunikation in Kabelfernsehnetzwerken bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6. Außerdem spezifiziert Anspruch 10 ein zugehöriges Kabelfernsehnetzwerk.

Dank der Bereitstellung von Stromleitungs-Transceivern zur Handhabung von Datenkommunikation und zum Bereitstellen von Modulation/Demodulation werden Modems für Kabelfernsehnetzwerke, und insbesondere MATV und SMATV Anlagen, bereitgestellt, die bezahlbare und leicht anwendbare Lösungen für die gemeinsame Nutzung von Datenkapazität über die bestehende Infrastruktur eines koaxialen Kabelfernsehnetzwerkes ermöglichen. Auch die Kosten einer Netzwerkverbesserung werden dank der Unempfindlichkeit der Modulationstechnologie von Stromleitungs-Transceivern minimiert.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgelistet.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, von denen:

1 ein Blockschaltbild eines Host/Knoten-Modems gemäß der Ausgestaltungen der Erfindung zeigt.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Diplexfilters zur Umgehung von Verteilverstärkern, die nicht mit internen Diplexfiltern ausgerüstet sind.

Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, betrachtet in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, offensichtlich. Es ist jedoch so zu verstehen, dass die Zeichnungen nur zum Zwecke der Illustration gestaltet wurden und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung, für die auf die beigefügten Ansprüche verwiesen werden soll. Weiterhin ist es so zu verstehen, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass, sofern nicht anders angegeben, sie lediglich gedacht sind, um konzeptionell die hier beschriebenen Strukturen und Prozeduren zu illustrieren.

Diese Erfindung betrifft die Datenkommunikation und den Datennetzwerkzugriff in verschiedenen Arten koaxialer Kabelnetzwerke, insbesondere MATV (Master Antenna Television – Gemeinschaftsantennen-) und SMATV (Satellite Master Antenna Television – Satelliten-Gemeinschaftsantennen-) Anlagen, die herkömmliche Zugriffsnetzwerke für die Verbreitung von Fernsehkanälen in Haushalten, Hotels, Schulen, Büros, etc. sind.

Eine andere Technik, die bestehende Kabel nutzt, ist die Datenkommunikation über die Stromleitungen für den Haus- oder Bürogebrauch. Dieses Verfahren benötigt durch die verrauschte Umgebung, der die nicht abgeschirmten Stromleitungen ausgesetzt sind, eine extrem robuste Modulationstechnik. Diese Modulation ist normalerweise eine Form der Spread-Spektrummodulation, beispielsweise OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Der große Vorteil dieser Modulation ist die von der Empfangsqualität abhängende dynamische Bandbreitenanpassung, die es möglich macht, mit aktueller Technologie Hochgeschwindigkeitsdatensignale bis zu 200–300 Meter in Stromkabeln zu verteilen. Die Stromleitungs-Datenkommunikationslösung ist eine relativ neue Technologie und hat raffinierte Merkmale für Medienzugriffssteuerung und Verschlüsselungsverfahren, die ideal für mehrere Benutzer sind, die das Zugangsnetzwerk teilen. Ein Versuch, die obige Technologie zu standardisieren, wurde von einer Gruppe die Branche führender Gesellschaften unternommen, die die HomePlug Powerline Alliance gründeten, um einen Industriestandard für Hochgeschwindigkeitsvernetzung von Haushalten über Stromleitungen zu schaffen. Dieser Standard ist heute als HomePlug-1.0-Spezifizierung verfügbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können MATV- und SMATV-Anlagen durch die Verwendung von Stromleitungs-Datenkommunikationstechnologie, die eine Technologie mit relativ großem Volumen und niedrigen Kosten ist, eine bezahlbare und leicht zu verwendende Lösung bekommen, um Datenkapazität über die bestehende Infrastruktur des koaxialen Fernsehnetzwerkes zu teilen. Auch werden die Kosten einer Netzwerkverbesserung minimiert dank der Stabilität der Modulationstechnologie, die für Stromleitungs-Kommunikation nötig ist.

Ein neues Verfahren, ein Hochleistungsdatenkommunikationssystem für MATV- und SMATV-Anlagen geeignet zu machen ist, die Technologie der Stromleitungs-Kommunikation an die Verteilung in Koaxialkabelnetzwerken anzupassen. Das Koaxialkabel verteilt die Datensignale über viel größere Distanzen als die Stromleitungen wegen der geringeren Leitungsdämpfung und der insgesamt besseren Leistung. Die stabile Modulation der Stromleitungs-Technologie wird in dem Koaxialkabel exzellente Ergebnisse bringen, insbesondere in dem verrauschten Band unterhalb der Fernsehkanäle und sie benötigt nicht die Hochleistung wie QAM modulierte Signale. QAM ist, wie oben erläutert, heute die Standardmodulation für CATV Netzwerke.

Ein Unterschied zwischen QAM Modulation und der Modulation, die für die Stromleitung verwendet wird, ist die größere Bandbreite der Stromleitungs-Modulation im Vergleich zu QAM. Dies ist in kleineren Netzwerken, wie MATV- und SMATV-Anlagen, akzeptabel, da das Fernsehband normalerweise nicht so stark besetzt ist, wie in großen Netzwerken. In einem unten beschriebenen transparenten System werden überhaupt keine Fernsehkanäle von den Datensignalen besetzt.

Die Koaxialkabelnetzwerke haben verschiedene Strukturen, die hauptsächlich von der Größe der Netzwerke abhängen. Kleine Netzwerke benötigen nur wenige Verteilverstärker und große Netzwerke benötigen mehr Verstärker und auch bessere Leistung der Fernsehverteilungseinrichtung. Daher ist dieses neue Datenkommunikationssystem in Abhängigkeit von der Netzwerkgröße in drei Systeme unterteilt. Transparenter Down- und Upstream, frequenzumgewandelter Downstream- und transparenter Upstream und frequenzumgewandelter Down- und Upstream.

Das Grundlegende in allen drei Alternativsystemen ist, dass der Sromleitungs-Transceiver-Chip zur Handhabung der ganzen Datenkommunikation in dem System verwendet wird und dass auch die Modulation von dem Chip bereitgestellt wird. Die Signale von dem Stromleitungs-Transceiver-Chip, TX (Transmit data – gesendete Daten) und RX (Receive data – empfangene Daten) werden bei jedem System separat behandelt um am Ende in einen 75 Ohm koaxial Konnektor zusammengeführt zu werden, um auf das Koaxialkabelnetzwerk über den herkömmlichen Fernsehausgang zuzugreifen. Das „Host-Modem" ist die Kommunikationseinrichtung, die in der Kopfstation verwendet wird, die mit den Benutzern kommuniziert. Jedes der Benutzergeräte wird „Knoten-Modem" genannt. In allen Systemen ist es auch möglich, die Datensignale zu „überbrücken" (wiederholen), um den Abstand eines Kollisionsbereichs zu überwinden.

In einer ersten Ausführungsform wird ein transparentes System beschrieben, das passend für die kleinsten Koaxialkabelnetzwerke mit kürzeren Kabelsegmenten ist, die daher keine oder nur wenige Verteilverstärker haben. Das Stromleitungs-Modulationsverfahren wird in dem Koaxialkabel auf die gleiche Art wie in der Stromleitung und bei den gleichen Frequenzen verwendet. Da die Stromleitungs-Kommunikation für sowohl Down- als auch für Upstream nur Frequenzen verwendet, die Frequenzen unterhalb der Fernsehkanäle entsprechen, werden keine Fernsehkanäle in diesem System besetzt. Verteilverstärker in dem Netzwerk lassen ggf. Datensignale nicht in beide Richtungen in dem Frequenzband unterhalb der Fernsehkanäle durch, und können daher mit einem externen passiven Diplexfilter umgangen werden, der die Datensignale in sowohl Down- als auch Upstream-Richtung transparent passieren lässt. Eine andere Lösung ist die Verbesserung auf Verstärker mit einem internen Diplexfilter. Andere passive Netzwerkkomponenten oder Fernsehausgänge müssen normalerweise nicht geändert werden.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines Host-/Knoten-Modems nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine PC (Personal Computer)-Schnittstelle und eine DC (direct current – Gleichstrom) Einspeisung 1 sind mit einem Stromleitungs-Transceiver-Chip 2 verbunden. Das TX (gesendete Daten) Signal von dem Stromleitungs-Transceiver-Chip 2 wird von einem Verstärker 3 verstärkt und von dem Hochpassfilter 4 und dem Tiefpassfilter 5 gefiltert, die beispielsweise Signale passieren lassen, deren Frequenzen in dem Band 4–25 MHz sind. Das TX Freigabesignal 6 steuert den Schalter 7 so, dass er weiterleitet, wenn Daten gesendet werden, und blockt, wenn Daten empfangen werden. Dies geschieht, um zusätzliches Rauschen im Signalweg von den verschiedenen Knoten zu verhindern, das den dynamischen Bereich des Systems reduzieren könnte.

Das RX (empfangene Daten) Signal von dem Koaxialkabelnetzwerk 8 wird von dem Tiefpassfilter 9 und dem Hochpassfilter 10 gefiltert und von einem Verstärker 11 verstärkt und AGC (Automatic Gain Control – automatische Amplitudenregelung) gesteuert über Kabel 12. Der AGC Mechanismus ist in dem Stromleitungs-Transceiver-Chip 2 eingebaut, um den gleichen Eingangspegel aufrecht zu erhalten.

Schließlich werden die Impedanzen der RX und TX Signale angepasst und die Signale werden in einen einzelnen 75 Ohm RF Konnektor 8 zusammengefasst 13.

Der Block 14 ist eine Option für die Frequenzumwandlung des TX Signals von dem Stromleitungs-Transceiver-Chip 2 für die Kommunikation auf separaten Kanälen.

Der Block 15 ist eine Option für die Frequenzumwandlung des RX Signals von dem Stromleitungs-Transceiver-Chip 2 für die Kommunikation auf separaten Kanä len.

Wenn die Downstream- und Upstream-Datensignale unterhalb des Fernsehbandes eines Koaxialkabelnetzwerkes, das Verteilverstärker beinhaltet, übermittelt werden, können sie eventuell, wie oben beschrieben, diese nicht passieren, solange die Verstärker keine internen Diplexfilter haben. Daher muss ein passiver Diplexfilter 16, wie in 2 gezeigt, mit dem Verstärker 17 verbunden werden, um die Daten in beiden Richtungen transparent unter dem Fernsehband passieren zu lassen. Dieser Filter 16 wird eine geringere Schwächung des Fernsehsignals verursachen, die aber leicht durch Erhöhung der Verstärkungsfaktoren in den Verstärkern 17 kompensiert wird.

Ein CATV Kabel wird zu einem Diplexfilter 16 geführt, der die Daten in beide Richtungen durch einen Tiefpassfilter 18 weiterleitet, der den Datenkanal von dem im Koaxialkabel übertragenen Fernsehband trennt. Die Fernsehkanäle werden über einen Hochpassfilter 19 gespeist, der vom Fernsehband startet und der das Fernsehband von den Datensignalen trennt. DC Spannung darf 20 passieren wegen einer möglichen DC Ferneinspeisung über das Koaxialkabel zu den Verstärkern 17. Das Ausgangssignal aus diesem Hochpassfilter 19 wird in den Verteilverstärker 17 eingespeist, um dann zurück zu einem zweiten Hochpassfilter 21 mit DC Pass 20, der der gleiche wie für den ersten Hochpassfilter 19 ist, geführt zu werden. Die Impedanzen aller Konnektoren 8 werden auf 75 Ohm angepasst.

In einer zweiten Ausführungsform wird das oben beschriebene System an Netzwerke mit längeren Koaxialkabelsegmenten angepasst, die mehrere Verteilverstärker benötigen. In diesem Fall werden die RX und TX Signale in zwei separate Frequenzen aufgeteilt (Split-Band). Die Downstream-Daten werden frequenzumgewandelt in einen passenden Kanal innerhalb des Frequenzbereichs von 47–1000 MHz. Die Upstream Daten benutzen weiterhin die ursprüngliche Frequenz in dem Band unterhalb der Fernsehnkanäle wie im transparenten System. Die Verstärker müssen mit einer passiven oder aktiven „Rückleitung" (Signalpass für Upstream Daten zu der Kopfstation) und in diesem System wird kein externer Umgehungsfilter benötigt. Andere passive Netzwerkkomponenten oder Fernsehausgänge müssen normalerweise nicht ausgetauscht werden. Es ist auch möglich, mehrere Downstream-Kanäle zu benutzen und den gleichen Upstream-Kanal zu teilen.

Im Host-Modem wird die Frequenz der TX Daten in Block 14 der 1 in irgendeine wählbare Frequenz im Band 1 MHz–1000 MHz umgewandelt. Die RX Daten werden transparent behandelt, d.h. Block 15 der 1 leitet die Signale nur weiter.

Im Knoten-Modem wird die Frequenz der RX Daten in Block 15 der 1 in irgendeine wählbare Frequenz im Band 1 MHz–1000 MHz umgewandelt. Die TX Daten werden transparent behandelt, d.h. Block 14 der 1 leitet die Signale nur weiter.

In einer dritten Ausführungsform ist das oben beschriebene System angepasst, um in größeren Netzwerken mit längeren Kabelsegmenten verwendet zu werden, die mehrere Verstärker mit aktiver Verteilung in sowohl Downstream- als auch Upstream-Richtung benötigen. Es ist auch möglich, für eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit zu den Benutzern durch Teilung des Netzwerkes in verschiedene Bereiche mehrere verschiedene Downstream- und Upstream-Kanäle zu verwenden. Es ist auch möglich, mehrere Downstream-Kanäle zu verwenden und den gleichen Upstream-Kanal zu teilen. Die Downstream-Daten werden frequenzumgewandelt in einen passenden Kanal innerhalb des Frequenzbereichs von 47–1000 MHz. Die Upstream Daten werden frequenzumgewandelt in einen passenden Kanal innerhalb des Frequenzbereichs von 1–1000 MHz.

In dem Host- und dem Knoten-Modem wird die Frequenz der TX Daten in Block 14 der 1 in irgendeine wählbare Frequenz im Band 1 MHz–1000 MHz umgewandelt. Die Frequenz der RX Daten wird in Block 15 der 1 in irgendeine wählbare Frequenz im Band 1 MHz–1000 MHz umgewandelt.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der folgenden Ansprüche variiert werden.

Daher ist es selbstverständlich, dass, während grundlegende neue Merkmale der Erfindung gezeigt und beschrieben und aufgezeigt wurden, wie sie in einer bevorzugten Ausführungsform davon angewendet wurden, verschiedene Auslassungen und Substitutionen und Veränderungen in der Form und den Details der abgebildeten Einrichtungen und deren Arbeitsweise von Fachleuten vorgenommen werden können. Es ist beispielsweise ausdrücklich beabsichtigt, dass alle Kombinationen von den Elementen und/oder Verfahrensschritten, die im Wesentlichen die gleiche Funktion auf die im Wesentlichen gleiche Weise erfüllen um die gleichen Ergebnisse zu erhalten, im Rahmen der Erfindung enthalten sind. Zudem sollte anerkannt werden, dass Strukturen und/oder Elemente und/oder Verfahrensschritte, die in Verbindung mit irgendeiner offenbarten Form oder Ausgestaltung der Erfindung gezeigt und/oder beschrieben wurden, in jede andere offenbarte oder beschriebene oder vorgeschlagene Form oder Ausgestaltung als generell wählbaren Aufbau integriert werden können. Es ist daher die Absicht, nur soweit eingeschränkt zu sein, wie es durch den Rahmen der hieran angehängten Ansprüche angezeigt ist.