家用联网的需要正在增加。这种需要由两种主要的因素驱动，使 用多种数据设备的日益增长，以及家用宽带服务的出现。
最近在美国拥有多台个人计算机的家庭越来越多。此外，家用电 器——比如冰箱和微波炉——已经增加了连通性和联网能力。不仅如 此，在各种多媒体(音频和视频)电器——比如TV、VCR、收音机 和扬声器——之间使数据能够连通，正在成为趋势。本文中使用的术 语“数据部件”是指能够产生和/或接收数据的任何设备。数据部件 的联网能够共享文件和应用程序，还能共享公共的外围设备，已经其 它益处。
对于家用连通性产品的需要背后的另一种驱动力是在线家庭的增 加。随着高速信息连接和宽带娱乐资源的剧增，在户内电器之间共享 和传递这种接入的需要也在增长。这些宽带服务主要是由三种服务供 应商供应的：
1.Telco公司，通过xDSL连接(目前是ADSL，随之而来的是 VDSL)。
2.有线电视，目前是通过电缆调制解调器，随之而来的数字机顶 盒。
3.无线连接，比如卫星、LMDS、WLL和其它方式。
户内通信可以分为两种类型：有线的和无线的。下面加以说明：
有线通信
有线通信需要使用至少两个独立的导电体。线路可以是为了户内 数据通信而专门安装的新线路，比如安装结构布线，比如用于以太网 IEEE802网络中的5类线。然而，在户内安装新线路结构是劳动密集 的、复杂的和昂贵的。不然，现有的户内线路——以前为了某种特定 目的而安装——也能够用于数据通信，而基本上不影响或削弱原来的 服务。现有的线路包括电话线路、电源线路和有线电视线路。下面分 别进行评价。
对于所有的有线布局，本发明依靠建筑物之内可能预先存在的导 电线，它至少具有两个独立的导电体，它们能够传送数据通信信号。 不仅如此，本发明还依靠适当的插座，导电线连接在该插座上，而且 它能够连接外部设备。
电话线路
户内电话服务通常采用两条或四条线，通过与电话机连接的电话 插座来使用。
图1显示了一所住宅或其它建筑物内，现有技术之电话系统10的 线路布局，用电话线5连接。住宅电话线5只包括一条双线，它连接 到接线盒16，后者又通过电缆17连接到公用交换电话网(PSTN)18， 终止于一台公用交换机19，它建立和启动从一部电话到另一部的通话。 本文中使用的术语“模拟通话”是指传统的低频音频语音信号，典 型情况下低于3kHz，有时称为“POTS”“普通老式电话服务”)， 而术语“通话”一般是指任何种类的电话服务，包括数字服务，比 如综合业务数字网络(ISDN)。本文中使用的术语“高频”是指显 著高于这种模拟通话音频频率的任何频率，比如用于数据的频率。典 型情况下，ISDN使用的频率不超过100kHz(典型情况下能量集中在 40kHz附近)。本文中使用的术语“电话线”是指主要用于传送和 分配模拟通话的导电线，包括但是不限于建筑物之内可能预先存在的、 目前可以提供模拟通话服务的导电线。本文中使用的术语“电话服 务”是指没有限制的任何通话装置(既包括模拟通话，也包括ISDN)， 同时还有使用电话信号的任何设备，比如传真、语音调制解调器等等。
接线盒16用于分隔户内电路和PSTN，而且用作户内发现故障以 及新布线的试验工具。多部电话13a和13b通过多个电话插座11a、 11b、11c和11d连接到电话线5。每个插座都有一个连接器(往往称 为“插孔”)，在图1中分别记为12a、12b、12c和12d。在北美 常用RJ-11。每个插座都可能通过连接器(往往称为“插头”)— —在图1中(对于展示的两部电话机13a和13b)分别记为14a和14b ——连接到一部电话机。连线5a、5b、5c、5d和5e在电学意义上是 同样的双线导体，注意到这一点也很重要。
尽管网络10展示的是串联的或者说雏菊链形的布局，其中线路仅 仅是从一个插座串行到下一个，但是也可以有其它的布局，比如星形、 树状或者任何任意的布局。不过，一所住宅之内的电话线系统总是由 有线连接组成的：两条或四条铜线，以及直接连接到这些铜线上的几 个插座。
电话和数据网络都需要同时使用现有的电话基础设施。以这种方 式，就简化了在户内或其它建筑物中建立一个新的局域网的任务，因 为不必安装附加的线路。授予Crane的美国专利4766402(下文中称 为“Crane”)提出了一种方法，在两条线的电话线上建立LAN， 但是没有电话服务。
作为另一个实例，在本领域中相关的现有技术是在授予Dichter 的美国专利5896443(下文中称为“Dichter”)中公开的。Dichter 提议一种方法和装置，在住宅电话布线中应用频分多路复用(FDM) 技术，使之能够同时传送电话和数据通信信号。这种线路可用的带宽 分成一个低频带和一个高频带，分别能够远送模拟通话信号和数据通 信信号。在这种机制下，户内电话服务不受影响，同时在现有的电话 线路上提供了数据通信能力。
频分多路复用(FDM)的概念在业内众所周知，它提供的方法把 线路的带宽剖分成一个低频带和一个高频带，分别能够远送模拟通话 信号和数据通信或其它信号。例如，授予Reichert等人的美国专利 4785448(下文中称为“Reichert”)中就介绍了这种机制。同样广 泛使用的还有xDSL系统，主要是非对称数字用户环线(ADSL)系统。
图2中展示了Dichter网络，图中显示了网络20，既提供电话服 务，又提供数据部件的局域网。数据终端设备(DTE)部件24a、24b 和24c分别通过数据通信设备(DCE)部件23a、23b和23c连接到局 域网。数据通信设备的实例包括调制解调器、线路激励器、线路接收 机和收发机(这里术语“收发机”是指发送机和接收机的组合)。 DCE部件23a、23b和23c分别连接到高通滤波器(HPF)22a、22b 和22c。HPF允许DCE部件访问电话线5传送的高频带。在第一个实 施例(图2中未显示)中，电话13a、13b和13c分别通过连接器14a、 14b和14c直接连接到电话线5。不过，为了避免电话对数据网络造成 的干扰，在第二个实施例(图2中所示)中，低通滤波器(LPF)21a、 21b和21c加入电话13a、13b和13c和电话线5之间。不仅如此，还 有一个低通滤波器连接到接线盒16，以便滤除来自或去往PSTN线路 17的感应噪音。连线5a、5b、5c、5d和5e在电学意义上是同样的双 线导体，注意到这一点很重要。
在本领域中另外的现有技术专利，能够在US Class 379/093.08类 别下找到，它涉及在电话线路上传送数据，而不对电话线路(例如电 线和插座)进行任何改动。授予本发明者的美国专利5841360以及美 国专利申请书09/123486和09/357379是首开先河，建议改进电话线路， 把线路划分成独立的区段，每个区段连接两个电话插座。以这种方式， 网络就从‘总线’布局改进成多个‘点对点’区段，具有了优良的通 信特征。
图3中显示了这种网络30的一部分，介绍插座31a和31b，替代 图1和图2中插座11。电话线路5被剖分成独立的区段5a、5b和5c。 低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)连接到线路区段的每一端， 以便区分通话和数据信号。如图3所示，LPF 21b和21c连在线路区 段5b的两端。LPF设计为允许通话信号通过，连在一起因而为通话信 号提供一条连续的路径。接入通话信号是分别通过插座中的连接器12a 和12b进行的，电话装置13a和13b分别通过连接器14a和14b连接 到该插座中。因此，完全保持了通话服务。在频谱的较高部分传送的 数据信号，是通过HPF 26a和22b来接入的，它们连在电话线路区段 5b的两端。HPF 22a和26b分别连接到线路区段5a和5c的端点。每 个HPF都连接到一个调制解调器23和27，它通过电话线路发送和接 收数据信号。调制解调器23a、27a、23b和27b分别连接到HPF 22a、 26a、22b和26b。数据部件24a和24b分别通过插座中的连接器(图 中未显示)连接到插座31a和31b。数据部件通过插座中的DTE接口 连接。插座31a和31b分别包括DTE接口29a和29b。在每个插座中 的三股数据流——两股来自两个调制解调器，一股来自DTE——分别 由适配器28a和适配器28b处理，它们为插座31a和31b服务。尽管 在图3介绍的实施例中，用于相关功能的所有组件都隐藏在插座之内， 其它实施例也是可能的，其中只有用于这些功能的某些组件包含在插 座之内。
电力线
在户内，在用于传递电力的线路上传送数据也是可能的，它通常 的频率是50或60Hz。通过分布在房屋各处的电源插座，就可以接入 电源。这种线路包括双线(相线和中线)或者三线(相线、中线和地 线)。
为了能够在电力线上进行数据通信，使用了FDM技术以及其它 技术。在本领域中许多现有技术的专利，能够在US Class 340/310类 别中找到。
有线电视线
在户内，在用于传递电视信号的线路上传送数据也是可能的。这 种线路通常是同轴电缆。
电缆线和有线电视线路系统都类似图1中介绍的电话线结构。线 路系统是基于导体，通常位于墙上，通过专用的插座接入这些线路， 每个插座隐藏着一个之间连接到线路的连接器。所有这些系统的共同 点是这样一个事实：安装该线路是为了某个专门的目的(电话、电力 或者有线电视信号传递)。无论在何处，这些现有的线路系统之一用 于传送数据时，都需要原来的服务(电话、电力或者有线电视信号传 递)不受影响。专用的调制解调器用于传送数据的媒介，同时也用于 原来的服务。
使用现有的线路时，往往需要特定的有线调制解调器以便进行导 电线上的通信，接入该导电线是通过相关的插座。使用导电线作为通 信媒介，允许利用高带宽，也提供了稳健和节省成本的通信。另外， 远距离的通信也是可能的，在大多数情况下能够覆盖整所房屋，从而 保证了在户内从任何插座到另一个插座的通信。
不过，这种网络需要数据部件连接到插座，通常是利用从数据部 件到附加适当插座的电缆。这使得连接复杂而难以使用，需要数据部 件邻近某个合适的插座，损害了某些数据部件在户内的移动性。
无线通信
户内数据联网的无线解决方案，使用无须导电媒介而传播的波。 常用的三种主要技术是：
1.射频(RF)。数据部件之间的数据传输能够利用射频电磁波信 号。作为一个实例，可以使用IEEE802.11标准。
2.光线。数据部件之间的数据传输也能够利用可见或不可见光谱 中的光线。目前，最流行的是基于红外线(IR)的通信。大多数这种 系统需要通信中的数据部件放置在视线’上。
3.声波。数据部件之间的数据传输还能够利用声波，或者在声音 频谱(20-20000Hz)内，或者在无声频谱(超声，高于20000Hz；或 次声，低于20Hz)内。
应当注意，尽管光线和无线电波都是电磁波现象，但是它们占据 着电磁频谱的不同部分，并且用于本发明的目的时具有显著不同的特 征。因此，本文中把光线和无线电波作为截然不同的物理现象对待。
图4中显示了无线数据网络40的一个实例。其中显示了两个数据 部件41a和41b，分别连接到无线收发机42a和42b。无线收发机42a 和42b跨越没有任何导电媒介的空间43进行通信。如果使用RF传输， 这些收发机就是RF收发机，跨越空间43的通信是基于射频电磁波的 传播。同样，在基于光线通信的情况下，收发机42a和42b使用光发 射器(例如LED)和光探测器(例如光电管)，跨越空间43的通信 要依靠光线的传播。类似地，在跨越空间43的、基于声音的通信的情 况下，这些收发机使用话筒和扬声器，通信要依靠声波通过空间43中 空气的传播。
由于这些解决方案不需要任何物理连接，比如电缆，所以它们既 便于使用，又具有移动性。不过，这样的无线解决方案仅仅在短距离 内有效。不仅如此，由于对信号的衰减，大多数无线解决方案不能轻 易地穿过墙壁和其它此类的障碍物。因此，这种技术只适用于在一个 房间之内的通信，而不适用于家庭或其它建筑物中房间之间的通信。
因此，对于在数据部件之间实施户内数据联网的需要，有了广泛 的共识，而且它会具有极大的优越性，在家庭或其它建筑物中这种数 据部件能够联网，同时提供移动性和使用便利。这个目标由本发明达 到。

本发明公开了一种建筑物之内的数据通信网络，它具有有线和无 线的区段。有线区段是基于安装在建筑物之内的导电线。除了支持数 据通信，这些导电线同时还传递一种有别于数据通信信号传输的主要 服务，比如电话服务电力服务或者有线电视服务，这些导电线可能是 原来为了传递主要服务而安装的已有线路。为了能够直接接入这些线 路，使用了专用的插座。本发明使用的装置能够使导电线同时进行数 据通信信号的传输和主要的服务，而在这两种用途之间没有任何干扰。 无线区段使用无须导电媒介的通信，通过开阔空间中传播的波，比如 光线或无线电波，或者空气中的声波。
利用一个或多个插座中的电路，把有线和无线区段结合起来。连 接设备是一种模块，包含一个端口，用于连接使用特定有线调制解调 器的有线网络。该设备的另一个端口连接到无线区段——使用一种无 线调制解调器。一种适配器处理有线区段和无线区段之间的数据流， 如果需要，该适配器还备有协议转换。
连接两种区段的模块，或者模块的任何组件，都能全部合并到插 座中、部分合并到插座中或者与它外接。
所以，依据本发明，为了在多个数据部件之间传输数据，在建筑 物之内提供了一种局域网，该局域网包括至少一个有线区段和至少一 个无线区段，其中这项至少一个有线区段包括：(a)建筑物之内的至少 一条导电线，该导电线具有至少两个导电体，能够传输数据通信信号； (b)至少两个插座，每个都能连接到导电线；以及(c)连接到导电线的 至少一个有线调制解调器，能够通过导电线通信；以及其中这项至少 一个无线区段能够进行没有导电媒介的数据通信，并包括至少一个无 线调制解调器，其中插座中的至少一个把一个有线区段连接到一个无 线区段，以及其中至少一条导电线进一步能够同时传递一种有别于数 据通信信号传输的服务。
附图简要说明
本文中参考附图，仅仅通过实例介绍本发明，其中：
图1显示了一所住宅或其它建筑物内，普通的现有技术之电话线 的线路布局。
图2显示了一所住宅或其它建筑物内，第一个基于电话线布线的、
现有技术的局域网。
图3显示了一所住宅或其它建筑物内，第二个基于电话线布线的、
现有技术的局域网。
图4显示了一个现有技术的无线通信网络。
图5显示了依据本发明的模块。
图6显示了依据本发明的一个局域网，其中电话线路用于有线区 段，而射频通信用于无线区段。
图7显示了局域网的第二个实施例，基于电话线路作为有线区段， 而射频通信用于无线区段。
图8显示了升级现有导电线，使之支持依据本发明之网络的套件。

参考附图和附带的说明，可能就会理解依据本发明之网络的原理 和操作。附图和说明仅仅是概念性的。在真正的实践中，单一的组件 能够实现一种或多种功能；每种功能也能够由多个组件和电路来实现。 在附图和说明中，同样的参考号表示这些组件在不同的实施例或布局 中是共同的。
本发明是基于一种有线/无线网络适配器模块(下文中称为“模 块”)。图5中显示了这种模块50的功能说明。该模块包括一个物理 端口54，用于连接有线网络。与有线网络的通信，是由有线收发机51 进行的。有线收发机端口54和收发机51依赖于有线网络的类型。连 接基于电话线的网络需要电话线收发机，而连接到电力线网络需要电 力线专用的调制解调器。此外，连接到有线网络可能还需要特定的装 置以便满足规章和安全的要求，以及特定的装置以便确保基本服务(例 如通话服务、电力传递)本质上不受到削弱和影响。
无线区段通过端口55连接。端口55通信时无须导电媒介。无线 调制解调器/收发机53处理与这个无线区段的通信。本文中的术语 “无线调制解调器”是指能够进行无须导电媒介之数据通信的任何设 备。协议适配器52处理去往和来自有线区段的数据以及去往和来自无 线区段的数据。协议适配器52可以用作一个透明部件，作用如同一个 转发器/再生器，仅仅处理OSI模型的物理层。不过，协议适配器52 也能够处理更高的层。在这种情况下，根据需要，协议适配器的功能 将如同桥接器、路由器、网关或者任何其它的适配机制。
模块50的其它设施可能包含图5中没有显示的逻辑、控制、处理、 存储、电力供应和其它组件。。模块50支持的通信可以是单工的(单 方向的，或者从有线区段向无线区段，或者相反)、半双工的或者全 双工的。模块50a把某个电话线网络区段连接到某个RF网络区段。 模块50a使用电话线调制解调器51a作为有线网络接口，射频调制解 调器53a作为无线网络区段的接口，以及协议适配器52a。模块50b 是本发明的一个实施例，其中电话线收发机可以由高通滤波器(HPF) 22a和数据终端设备(DCE)23a实现，如同前面讨论的Dichter也使 用过的方法。
图6显示了依据本发明之网络60的一个实施例，它包括有线区段 和无线区段。有线区段是基于建筑物之内的电话线路5，如图1中的 介绍。虽然插座11b和11c没有改变，插座11a和11d却分别由插座 61d和61a取代，它们分别包含着模块50d和50e。通过使用分别在插 座61d和61a中的低通滤波器(LPF)21d和21a，保持了基本电话服 务。LPF分别连接到电话连接器12d和12a，使得电话设备能够连接。 通过电话13a利用连接器14a连接到插座61a中的连接器12a，展示 了这一点。通过调制解调器和HPF连接到数据终端设备(DTE)，正 如通过DTE 24b连接到DCE 23b所展示的，它连接到HPF 22b，它 又通过插座11b中的连接器12b，直接连接到电话线路5，从而建立了 Dichter类型的数据通信网络。
网络60的无线部分是基于射频传输——使用一对RF收发机(见 图5)。如图6所示，DTE 24b和24a分别连接到RF收发机53c和 53b。每个这样的RF收发机又分别与RF收发机53d和53a通信，它 们分别合并在插座61d和61a之内。
模块50d和50e实现了该网络中有线区段和无线区段的合并，每 个模块都由图5中模块50c说明。模块50d和50e分别合并在插座61d 和61a之内。每个这样的模块都由一个电话调制解调器连接到网络的 有线区段。每个这样的调制解调器都包含一个高通滤波器22和DCE 23，正如前面对于Dichter类型网络的介绍。连接到网络60的无线区 段是通过RF收发机来进行的，其中模块50d和50e分别包括RF收发 机53d和53e。在两个区段之间的协议和数据转换是由适配器52(见 图5)来进行的，其中适配器52d和52e分别合并在模块50d和50e 之内。
网络60允许DTE 24d、24b和24a在它们自身之间通信。虽然 DTE 24b连接到网络是通过有线连接，DTE 24d和24a却能够以无线 方式通信。虽然图6展示了单一的DTE由线路连接而两个DTE不用 线路连接，但是显而易见，每种类型中任何数目的DTE都是能够连接 的。不仅如此，虽然在网络60中每个插座支持单一的有线或无线DTE 连接，但是其它的实施方案也是能够支持的。例如，一个插座能够提 供一个或多个有线连接，同时还有一个或多个无线连接。
虽然图6展示了模块50合并在插座61中的情况，但是本发明的 实施例也包括模块在插座之外的情况。同样，模块中可以选择某些部 分合并在插座之内，而其它部分在插座之外。当然，在所有的情况下， 在模块和插座之间需要合适的电学和机械连接。
在尺寸、形状和整体外观方面，网络插座形体上类似于标准插座， 所以在建筑物的墙壁上，网络插座能够取代标准插座。在整个电话线 铺设或者说布局上不需要改变。
网络60提供的明显的优点，超越了迄今为止提议的网络。例如， 位于不同房间中的DTE(例如PC)能够相互连接，而不需要使用任 何导线。每个DTE中的射频收发机与最近的插座通信，在不同的房间 之间，插座利用电话线路媒介通信。
本发明同样能够很好地应用于图3中展示的现有技术有线网络。 图7显示了网络70的一部分。插座31a表示现有技术网络的插座。为 了连接到无线网络区段，必须使用依据本发明的插座71。除了插座71 之内的RF收发机53a——它与连接到DTE 24a的RF收发机53b通 信，插座71类似于插座31a。在这个实施例中，该模块包括两个电话 线调制解调器23b和27b、一个三端口适配器72(提供两个有线端口 和单一的无线端口)以及RF收发机53a。现有技术布局提供的优点也 应用于这种结构。
虽然上面介绍本发明是对于有线媒介是电话线系统并包括电话线 路和电话插座的情况，但是本发明同样也能够很好地应用于其它线路 系统，比如基于电力线路和有线电视信号传递线路的系统。在电力传 递系统的情况下，使用户内用于电力传递的电线和插座。同样，也可 以使用有线电视线路和插座。在所有的情况下，可能都需要保持过去 安装线路系统所要提供的基本服务：通话服务、电力传递或者电视信 号。通常达到这一点是通过增加适当的电路来分离数据通信网络和基 本服务，同时避免目前使用同一线路的两种任务之间任何种类的干扰。 例如，LPF 21a、21b、21c和21d以及HPF 22a、22b、26a和26b， 起到了从数据通信网络分离通话服务和从通话服务分离数据通信网络 的作用。
虽然上面介绍本发明是对于无线通信是由射频传输来完成的情 况，但是本发明同样也能够应用于其它类型的无线通信，比如：
1.由其它形式的电磁传输完成的无线通信。电磁频谱中多个部分 的电磁波都能够用于通信。例如，低频电磁辐射能够用于在短距离内 传送音频信号而无须载体。射频传输是这种一般电磁传输的一种特殊 情况。正如前面所注意的，光线也是电磁辐射的一种特殊情况，但是 本文中分别对待，因为光线的特征与电磁频谱中其它可用部分之电磁 传输的特征有明显的差异。
2.由光线完成的无线通信。无论可见还是不可见的光波长都能够 用于这种传输。正如前面所注意的，目前最流行的是基于红外线(IR) 的通信。大多数这样的系统需要本质上视线’可达。
3.由声音完成的无线通信。无论是可闻的声音(20-20000Hz频 带)还是不可闻的声音(超声，高于20000Hz；或次声，低于20Hz)。
除了已介绍的数据通信功能，依据本发明的网络还能够用于控制 (例如家庭自动化)、传感、音频或视频应用，通信也可以使用模拟 信号(本文中由术语“模拟通信”所指)。例如，视频信号能够通 过网络以模拟形式传送。
升级套件
本发明也设想了一种套件，用于升级现有的导电线，使之支持上 面介绍的网络。图8展示了这样一种套件的实施例，包含插座132和 插座134以及安装说明书136。插座132具有接头144，用于连接到有 线区段，以及装配点比如边缘146，用于安装到建筑物的墙壁上。插 座132也具有插孔138和插孔140——用于通过电缆连接外部设备， 以及传感器142——用于通过无线区段连接外部数据部件。插座132 之内是一个依据本发明的模块，正如前面的介绍和图5中的展示。在 一个实施例中，传感器142是一个射频收发机。在另一个实施例中， 传感器142是一个组合的发光二极管和光电管接收器。在再一个实施 例中传感器142是一个组合的扬声器和话筒。同样，在一个实施例中， 插孔138是电话插孔。在另一个实施例中，插孔138是电源插座。在 再一个实施例中，插孔138是有线电视插孔。在一个实施例中，插孔 140是数据插孔。图8中展示的套件实施例具有两个插座——插座132 和插座134，它们展示为基本相同。不过，在另一个实施例中，套件 仅仅包含插座132。在再一个实施例中，插座134不包含传感器。在 不同的实施例中，其它的变化也是可能的。
还应当重视，在升级建筑物内现有的线路，使之支持具有至少一 个有限区段和至少一个无线区段的局域网时，插座和适配器模块可以 配备为分开的组件。同样，对于进一步扩展以前已经依据本发明升级 过的某个混合网络，它们可能发现独立的使用。这样一个插座配备了 第一耦合器(由无线调制解调器/收发机53组成)——用于连接插座 和至少一个无线区段，以及第二耦合器(由有线收发机51组成)—— 用于通过适配器模块50，连接插座和现有的线路。该适配器模块可以 或者完全地或者部分地合并在插座之内。
一种升级建筑物内现有导电线，使之支持依据本发明之网络的方 法包括：
(a)提供有线调制解调器；
(b)提供无线调制解调器；
(c)提供适配器，用于处理有线区段和无线区段之间的数据通信； 以及
(d)提供插座，以及
(e)为插座配备有线调制解调器、无线调制解调器和适配器。
虽然只是针对有限数目的实施例介绍了本发明，但是应当重视， 可以做到本发明的许多变化、修改和其它应用。