Федеральное агентство связи

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Степанова И.В.

Принципы построения и проектирования

цифровых систем коммутации каналов

Учебно-методическое пособие

для бакалавров

направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные

технологии и системы связи»,

профиль «Сети связи и системы коммутации»

Москва, 2017

ББК 32.882

Л14

УДК 621.395

Степанова И.В.

Л14 Принципы построения и проектирования цифровых систем

коммутации каналов - М.: МТУСИ, 2017. - 245 с., ил. ISBN-5-25601402-1

200 Экз.

Излагаются функции и принципы построения основных элементов цифровых систем коммутации на примере системы DX200 разных версий, систем EWSD и MEDIO, которые широко представлены в телекоммуникационных сетях Российской Федерации. Рассматривается последовательность создания и разрушения разговорного тракта. Излагаются подходы к проектированию систем коммутации каналов. Определяются перспективные направления развития телекоммуникационных систем и сетей.

Учебно-методическое пособие предназначено для формирования компетенций ПК-1, ПК-7 и ПК-9 у студентов вузов связи, а также для широкого круга инженеров и научных работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием сетей телекоммуникаций.

Рецензенты: С.Н.Степанов, Е.Е.Маликова

ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА СТЕПАНОВА

Принципы построения и проектирования цифровых систем

коммутации каналов

ИБ N2824

ISBN-5-25601402-1

Электронная библиотека МТУСИ, 2017

Предисловие

Основополагающей реалией развития телекоммуникационных сетей является наличие сложившейся инфраструктуры сетей с коммутацией каналов. Техническую основу современных цифровых систем коммутации каналов (ЦСК) составляют аналогово-цифровые преобразователи, цифровые коммутационные поля, средства вычислительной техники. Для ЦСК последнего поколения характерны следующие особенности:

повышенная абонентская емкость (от 100 тысяч до 1 млн. абонентов), определяющая необходимость перехода к распределенной структуре автоматических телефонных станций с размещением ступеней концентрации нагрузки поблизости от абонентских групп;

значительный резерв пропускной способности, которая характеризуется величиной BCHA – числом вызовов, успешно обслуженных в течение часа наибольшей нагрузки;

возможность коррекции режима работы ЦСК с учетом изме­нения номенклатуры услуг и структуры потоков трафика от абонентов;

использование ЦСК последнего поколения в качестве опорно-транзитных узлов связи, поскольку системы управления ЦСК являются мощным инструментом для маршрутизации информационных потоков;

широкие возможности для решения задач управления потоками трафика и защиты направлений телефонной связи от перегрузок, и в том числе за счет направления (маршрутизации) части вызовов на сети коммутации пакетов.

Программные средства ЦСК разрабатываются и постоянно модернизируются согласно требованиям к системам, работающим в реальном масштабе времени. Особое внимание уделялось надежности системы при сохранении её простоты и максимальной производительности. Программное обеспечение легко расширяемо и может быть приспособлено для любого применения системы в сетях связи.

Необходимым фактором успешной эксплуатации установленного оборудования связи является широкий спектр различных способов технической поддержки: начиная от обучения, предварительного проектирования, специальных разработок, монтажа и подключения, а также технической помощи, поставки запчастей, и ремонтных работ.

Учебно-методическое пособие предназначено для формирования компетенций ПК-1 (в части содействия внедрению новых технологий в проектируемые системы), ПК-7 (в части изучения научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по разработке ЦСК) и ПК-9 (при проведении расчетов по проектированию ЦСК) у студентов вузов связи, для широкого круга инженеров и научных работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием сетей телекоммуникаций.

1. Основные понятия организации связи в цифровых телефонных сетях с коммутацией каналов

В англоязычной литературе используется термин PSTN (Public Switched Telephone Network), то есть телефонная сеть общего пользования (ТфОП).

В современных телефонных сетях пе­редача информации осуществляется в цифровой форме, причем абонентский доступ в основном остается аналоговым. Необходимо преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, что и выполняется кодирующими/декодирующими устройствами (кодеками) разного вида.

Для телефонной сети обязательной является процеду­ра предварительного установления соединения между абонентскими устройст­вами, в случае успеха которой образуется соединительный тракт между або­нентами, по которому они могут вести разговор.

Сначала от вызывающего абонента в сеть поступает вызов и информация о набираемом номере одним из двух возможных способов.

1.При импульсном (декадном) спо­собе передачи номера вызываемого абонента каждая цифра передается соответствующим чис­лом последовательных импульсов размыкания/замыкания шлейфа абонентской линии с частотой 10 Гц. Одна цифра номера при импульсном наборе передается несколькими импульса­ми (например, цифре «1» соответствует один импульс,…, цифре «0» соответствуют десять импульсов);

при частотном (тоновом) наборе для кодирования цифр используется комбинация двух час­тот. Используется одна частота из четырех частот низкочастотной группы и одна частота из четырех частот высоко­частотной группы (код «2 из 8»). Генераторы частотного набора размещаются в оконечных устройствах пользователей. Частотный набор выполняется с часто­той 10 Гц сигналами длительностью в 50 мс и паузами в 50 мс. Скорость частотного набора в не­сколько раз выше, чем импульсного.

На следующем этапе установления соединения автоматическая телефонная станция (АТС) вызывающего абонента анализирует принятый номер и выбирает направление связи (производит маршрутизацию вызова). Выбрав свободный временной канал в направлении связи, АТС исходящего абонента занимает его, передавая на встречную АТС линейный сигнал «Занятие» (во многих протоколах аналогичные сигналы носят название Call или Setup). В ответ должен поступить линейный сигнал «Подтверждение занятия». Далее по запросам со встречной АТС последовательно выдается информация о цифрах набранного абонентского номера. В сообщения сигнализации, передаваемые между АТС, может вставляться дополнительная информация, необходимая для работы сети и де­лающая обслуживание более удобным.

Соединительный тракт проходит через узлы и АТС. Необходимым условием его образования является наличие свободных каналов в выбираемых направлениях связи. Если соединительный тракт практически образован и вызываемый абонент свободен, то на аппарат вызываемого абонента подаются сигналы «Посылка вызова» напряжением 80В и частотой 25 Гц. В обратном на­правлении посылаются тональные сигналы «Контроль посылки вызова». Когда вызываемый абонент снимает трубку, то вызов считается обслуженным, и АТС вызываемого абонента передает в обратном направлении сообщение протокола сигнализации Connect - «Соединение».

Сообщение «Со­единение» передается через промежуточные узлы и АТС, уча­ствовавшие в установлении соединения, при этом происходит окончатель­ная коммутация разговорного тракта. Далее по установленному через телефонную сеть дуплексному (двустооннему) каналу передается речевая информация.

В аналоговой сети речь на всем пути следования передается в аналоговой форме, при этом на каждой промежуточной АТС выделяется канал шириной 3,1 кГц (канал тональной частоты). Если разговорный тракт проходит через цифровую АТС, то на ее входе выполняется процедура преобразование аналогового сигнала в цифровую форму.

Комму­тация на такой цифровой АТС осуществляется методами TDM (Time Division Multiple). Далее инфор­мация претерпевает обратное преобразование в аналоговую форму и в таком виде поступает на телефонный аппарат. Общее число преобразований «аналог-цифра» и «цифра-аналог» для городских телефонных сетей не должно быть больше двух, а для сельских сетей – трех, поскольку каждое преобразование вносит искажения.

Разрушение установленного соединения осуществляется по инициативе одного из абонентов сигналом отбоя последовательно по разговорному тракту.

Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности цифрового телефонного канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации. Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой, при кодировании используется нелинейное квантование по уровню в соответствии с европейским псевдо - логарифмическим законом (рис. 1.1) или с американским mu - законом.

Наибольшее распространение на телефонных сетях с коммутацией каналов получили кодеки G.711, которые обеспечивают преобразование аналогового сигнала с точностью 8 бит, тактовой частотой 8 Кгц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 Кбит/с (8 бит х 8 кГц). Использование G.711 в системах телефонии обеспечивает высокое качество кодирования речевой информации при относительно небольших затратах.

Рассмотрим общий принцип коммутации на основе мультиплексирования с временным разделением каналов TDM (рис.1.2). Коммутационное поле (коммутатор на основе TDM) содержит мультиплексор, коммутатор временных интервалов и демультиплексор, которые работают синхронно в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла все временные каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс. В одном временном канале (time slot) передается 1 байт информации, соответствующий результатам периодических замеров уровня речи.

Рисунок 1.1 - Процесс кодирования и нелинейного квантования по уровню

Мультиплексор в каждом цикле вы­полняет следующие действия:

прием от каждого канала очередного байта данных;

составление из принятых байтов уплотненного кадра;

передачу уплотненного кадра на выходной канал со скоростью, рав­ной n х 64 кбит/с.

Коммутатор временных интервалов принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мульти­плексора (изображен слева) и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотнен­ный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буфер­ной памяти не в порядке поступления, а в том порядке, который соответствует требуемым в сети соединениям абонентов. «Перемешивая» нужным образом байты, коммутатор обеспечивает соединение абонентов.

Соединение 1-2 Соединение 2-1

1

Коммутатор

TDM

2  2 1  1 2

Кадр



1

2

запись

N

2

1

чтение

N

Рисунок 1.2 - Коммутация на основе разделения канала во времени

Демультиплексор (изображен справа) выполняет обратную задачу — он разбирает байты уплотнен­ного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, в соответствии с перестановками, осуществленными в буферной памяти. В сетях с коммутацией каналов однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал — выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не все­гда требует захваченного количества тайм-слотов. Соединение в сети TDM обладает известной и фиксированной пропускной способно­стью, равной 64 кбит/с.

Пропуск­ная способность коммутаторов с временным разделением каналов ограничивается време­нем доступа к памяти.

Если время доступа к одному байту равно Т, то время, необходимое на перекодировку кадра, составит 2T. Так как период следования кадров (циклов оборудования TDM) равен 125 мкс, то мы получаем, что максимальное количество коммутируемых ли­ний равно: п = 125 мкс/2Т. Используя, например, память с временем доступа 100 нс, мы смо­жем коммутировать до 625 линий. Можно решить обратную задачу: по данному числу линий сосчитать требуемое время доступа к памяти (быстродействие памяти). Возможно создание многоступенчатых коммутаторов TDM для поддержки большего числа коммутируемых линий, а также применение методов пространственной коммутации.

Сети TDM требуют синхронной работы всего оборудования. Нарушение синхронности разрушает соединения между абонентов, теряется адресная и речевая информация. Перераспределение тайм-сло­тов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывает­ся избыточным, если на входе этого канала в этот момент нет данных для пе­редачи (абонент телефонной сети молчит).

Основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе техно­логии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов. К аппаратуре, которая поддерживает только режим постоянной ком­мутации относится оборудование типа Т1/Е1, а также высокоскоростное оборудование синхронной цифровой иерархии SDH для построения первичных транспортных сетей.