Телекоммуникационные_системы_и_сети_Т_1_Современные_технологии_620
.pdf
10.3. Расчет коммутационного узла с коммутацией каналов |
191 |
μn+1 pn+1 = λn pn, n ≥ 0 , |
(10.2) |
где pn, pn+1 – вероятность существования в СМО n или n + 1 установленных соединений соответственно.
Вероятности состояний СМО описываются закономерностями, параметры которых существенно зависят от соотношения между М и N. Так, например, для часто встречающегося в практике случая, когда М>>N (N конечно) и М очень велико, поступление вызовов на входы описывается распределением (законом) Эрланга. Этот закон описывает поведение некоторой случайной величины Х (для рассматриваемой СМО – это появление вызовов на входах). Положения этого закона таковы:
1) если вызовы расположить на оси времени t (точки на рис. 10.7), то вероятность попадания того или иного числа вызовов на отрезок L зависит только от длины этого отрезка, а не от положения отрезка на оси времени. Последнее указывает на то, что вызовы распределены
во времени с одинаковой средней плотностью (λ), которая характеризует среднее количество вызовов в единицу времени;
2)вызовы распределяются во времени независимо друг от друга. Это значит, что вероятность попадания заданного числа вызовов на выбранный отрезок времени не зависит от того, сколько вызовов попало на любой другой отрезок, не перекрывающийся с ним;
3)вероятность попадания двух или более вызовов на малый уча-
сток t пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью попадания одного вызова (это эквивалентно невозможности одновременного появления двух вызовов).
Для модели СМО с такими свойствами потока вызовов вероятность блокировки (отказа в обслуживании вызова из-за занятости всех N-выходов) описывается распределением Эрланга:
E |
N |
(Y ) = |
Y N N! |
|
, |
(10.3) |
N |
||||||
|
|
|
∑Y N n! |
|
|
|
n=0
где Y = λ
μ, EN (Y ) – вероятность занятости (блокировки) всех N-выходов при нагрузке Y от любого из М-источников. Строго говоря, это выражение верно при М = ∞. Использование его при инженерных расчетах схем с большим количеством входов дает небольшую погрешность.
Рис. 10.7. Моменты поступления потока вызовов Эрланга
192 |
Глава 10. Телефонные службы |
Нагрузка Y, создаваемая одним источником вызовов, численно равна произведению интенсивности вызовов λ на длительность обслуживания (1 μ). Блокировку еще называют потерей вызова (вызов уходит из СМО, теряется), долей потерянных вызовов на практике оценивают качество обслуживания систем с блокировками.
10.3.2. Структура коммутационных полей станций и узлов
Пространственная коммутация. На любой станции (узле) сети с КК необходимо коммутировать (соединять) входящие линии или каналы СП с исходящими линиями (каналами). Совокупность элементов, обеспечивающих коммутацию, назовем коммутационным полем (КП). Исторически первыми стали применять пространственные КП.
Вних коммутируемые цепи разделены в пространстве. Такие КП применялись на всех электромеханических автоматических телефонных (АТС) и телеграфных станциях и узлах. На станциях с программным управлением применяют КП, в которых используется как пространственное, так и временное разделение цепей (каналов). Простейшим коммутационным устройством КП является коммутатор. Коммутатор (рис. 10.8) – это коммутационная схема с n входами и m выходами.
Вточке пересечения входа с выходом может быть установлен коммутационный элемент (КЭ) – металлический контакт или полупроводни-
ковой переключатель. Если в квадратном коммутаторе n × n на пересечении всех входов с выходами установлены КЭ, то в нем всегда можно установить соединение заданного входа с любым свободным выходом. Коммутатор с таким свойством является неблокирующим, т.е. все его выходы доступны любому входу и даже при занятости n – 1 выходов последний свободный выход доступен входу. Если n > m, то в коммутаторе возникают блокировки.
Рис. 10.8. Схема коммутатора n × m и его символическое изображение
10.3. Расчет коммутационного узла с коммутацией каналов |
193 |
Рис. 10.9. Трехступенная (трехзвенная) коммутационная схема
Если к входам и выходам одного квадратного коммутатора N × N подключить абонентские линии одной АТС, то количество необходимых КЭ Q = N2 – N(N – 1), так как КЭ по диагонали слева направо не нужны. Если число абонентских линий 8000, то количество КЭ в КП с одним коммутатором должно быть не менее 8 10 3 (8 103 – 1) 64 106. Стоимость такого КП будет неприемлемо велика. Можно ли построить КП с существенно меньшим количеством КЭ при заданном количестве абонентов станции и с малыми (приемлемыми) потерями? Такой способ существует. Он состоит в использовании многозвеньевых структур, в которых коммутаторы соединены каскадно. Схема такого КП показана на рис. 10.9. В отечественной литературе она называется многоступенной, а чаще многозвенной.
Каждая ступень коммутации связана с совокупностью соединительных путей (звеньев). Общее число КЭ в этой схеме существенно меньше, чем в схеме квадратного коммутатора с N-входами и N- выходами:
Q = 2nm(N n )+ m(N n )2 = 2Nm + m(N n )2 . |
(10.4) |
Сравним выигрыш при использовании трехзвенной схемы по сравнению со схемой квадратного коммутатора N × N. Если N = 8000, n = 32, m = 16, тогда количество КЭ будет равно:
Q= 2 8000 16 +16(8000
32 )2 =
=256 103 +16 62,5 103 = 318 103.
Как видим, использование трехзвенной схемы с n = 32 и m = 16 позволяет уменьшить количество КЭ не менее чем в 200 раз.
Коммутационные поля современных ЦСК относятся к КП блокирующего типа, однако в них число звеньев и параметры коммутаторов выбирают такими, чтобы вероятность блокировки была очень мала (не больше 0,1 %).
194 |
Глава 10. Телефонные службы |
Рис. 10.10. Формат цикла ЦСП с ИКМ и схематичное изображение временного разделения каналов
Трехзвенная схема может быть и неблокирующей, если будет выполнено условие: m = 2n – 1. Использование неблокирующих схем в ЦСК большого объема неэффективно, так как требует значительно большего количества КЭ, чем в блокирующих, при прочих равных условиях.
Временная коммутация. Как уже говорилось, в КП с пространственной коммутацией устанавливаются соединения линий (трактов), разделенных электрически (пространственно). Коммутаторы с пространственной коммутацией используются как в электромеханических, так и в цифровых УК. Однако в цифровых УК применяется еще и временная коммутация, т.е. схемы с временны′ м разделением каналов. Временнóе разделение может реализоваться, например, с помощью импульсно-кодовой модуляции. В ТФ–ОП России, как и в сетях Европы, используются тридцатиканальные ЦСП с ИКМ. В групповом тракте одного направления передачи (например, в двухпроводной кабельной физической линии) такой ЦСП организуется 30 разделенных во времени каналов (ВК) для передачи речевой информации или данных и 2 специальных канала. Схематично такое
разделение 30 каналов, предостав-
|
ляемых пользователям, показано на |
|
рис. 10.10. Коммутационные поля |
|
цифровых станций и узлов строятся |
|
с использованием пространственно- |
|
временной коммутации. Последняя |
|
подобна пространственной. Подобие |
|
это состоит в следующем. Пусть для |
|
каждого ВК существует ячейка памяти, |
|
где код данных хранится в течение |
|
цикла. На рис. 10.11 ячейки, закреп- |
|
ленные за одной линией ИКМ, показа- |
Рис. 10.11. Схема простран- |
ны вертикальными линиями. Пусть |
ственного эквивалента |
также имеются промежуточные линии |
временной коммутации |
(на рис. 10.11 это горизонтальные ли- |
10.3. Расчет коммутационного узла с коммутацией каналов |
195 |
Рис. 10.12. Схема трехзвенного КП типа В–П–В
нии), по которым содержимое любой ячейки может быть прочитано в любом нужном временном положении. Процесс такого считывания и называется временной коммутацией. Пример КП с пространственновременной коммутацией показан на рис. 10.12. В ней на первой и третьей ступенях используется временная, а на второй – пространственная коммутация.
Тип коммутации, используемый в схеме рис. 10.12, называют «время–пространство–время» (В–П–В). Как и в схеме рис. 10.9, здесь число входящих и исходящих каналов равно N. Эти каналы представлены в N/n входящих и исходящих линиях ИКМ. Работа такой коммутационной схемы аналогична работе трехзвенной пространственной коммутационной схемы рис. 10.9. В пространственных коммутаторах 2-й ступени устанавливаются соединения временных каналов исходящих и входящих линий ИКМ.
Это значит, что КЭ, разделенные в пространстве и установленные на пересечении вертикали с горизонталью, должны открывать-
ся в выбранном свободном временном положении коммутации.
Свободное временное положение коммутации выбирается управляющим устройством, оно же обеспечивает считыванием кода данных из требуемой ячейки (например, 2-й) информационной памяти входящей линии ИКМ (например, 1-й) в ячейку (например, n) информационной памяти некоторой исходящей линии ИКМ (напри-
мер, N/n-й).
196 |
Глава 10. Телефонные службы |
10.3.3. Элементы теории телетрафика
Вычисление трафика. Теория телетрафика – раздел теории массового обслуживания. Основы теории телетрафика заложил датский ученый А.К. Эрланг. Его работы были опубликованы в 1909–1928 гг. Дадим важные определения, используемые в теории телетрафика (ТТ). Термин «трафик» (от англ. traffic) соответствует термину «телефонная нагрузка». Подразумевается нагрузка, создаваемая потоком вызовов, требований, сообщений, поступающих на входы СМО. Трафик измеряется в часо-занятиях (ч-з) или в эрлангах (Эрл). Трафик, создаваемый одним источником и выраженный в часо-занятиях, равен произведению числа попыток вызовов c за определенный интервал времени Т на среднюю длительность одной попытки t: y = c t (ч-з).
Трафик величиной в 1 Эрл равен 1 ч-з в час (ч-з/ч). Отметим, что попытка вызова может не закончиться занятием канала (линии) в требуемом направлении связи, однако любая попытка создает нагрузку на СМО. Трафик Y, выраженный в Эрлангах, равен среднему числу одновременных занятий в течение одного часа. Трафик можно вычислить тремя разными способами:
1) пусть число вызовов с в течение часа равно 1800, а средняя длительность занятия t = 3 мин, тогда
Y = 1800 выз./ч 0,05 ч = 90 Эрл;
2) пусть в течение времени Т фиксируются длительности ti всех n занятий выходов некоторого пучка, тогда трафик определяют так:
n |
|
Y =1 T ∑ti ; |
(10.5) |
i =1
3) пусть в течение времени Т выполняется наблюдение через рав-
ные промежутки времени t за количеством одновременно занятых выходов некоторого пучка, по результатам наблюдений строят (рис. 10.13) ступенчатую функцию времени х(t).
Рис. 10.13. Отсчеты одновременно занятых выходов пучка
10.3. Расчет коммутационного узла с коммутацией каналов |
197 |
Трафик в течение времени Т может быть оценен как среднее значение х(t) за это время:
n |
(t ) ti , |
|
Y =1 T ∑xi |
(10.6) |
i =1
где n – число отсчетов одновременно занятых выходов. Величина Y есть среднее количество одновременно занятых выходов пучка в течение времени Т.
Колебания трафика. Трафик вторичных телефонных сетей существенно колеблется во времени. В течение рабочего дня кривая трафика имеет два или даже три пика (рис. 10.14). Час суток, в течение которого трафик, наблюдаемый длительное время, имеет наибольшее значение, называют часом наибольшей нагрузки (ЧНН). Знание трафика в ЧНН принципиально важно, так как им определяется количество каналов (линий), объем оборудования станций и узлов. Трафик одного и того же дня недели имеет сезонные колебания. Если день недели является предпраздничным, то ЧНН этого дня выше, чем в день после праздника. Если количество служб, поддерживаемых сетью, растет, то и трафик растет. Поэтому проблематично предсказывать с достаточной уверенностью возникновение пиков трафика. Трафик внимательно отслеживается администрацией сетей и проектными организациями. Правила измерения трафика разработаны МСЭ-Т [4] и используются администрациями национальных сетей для того, чтобы удовлетворить требованиям качества предоставляемых услуг как для абонентов своей сети, так и для абонентов других сетей, связанных с ней. Теорию телетрафика можно использовать для практических расчетов потерь или объема оборудования станции (узла) только в том случае, если трафик стационарный (статистически установившийся). Этому условию приближенно удовлетворяет трафик в ЧНН.
Процесс создания трафика. Как известно каждому пользователю телефонной сети, не все попытки установления соединения с вызываемым абонентом заканчиваются успешно. Иногда приходится де-
Рис. 10.14. Колебания трафика в течение суток
198 |
Глава 10. Телефонные службы |
Рис. 10.15. Диаграмма событий при установлении соединения между абонентами А и Б
лать несколько неудачных попыток, прежде чем будет установлено желаемое соединение. Рассмотрим возможные события при установлении соединения между абонентами А и Б (рис. 10.15). Статистические данные о вызовах в телефонных сетях таковы: доля состоявшихся разговоров составляет 70–50 %, доля несостоявшихся – 30–50 %. Любая попытка абонента занимает вход СМО. При удачных попытках (когда разговор состоялся) время занятия коммутационных приборов, устанавливающих соединения входов с выходами, больше чем при неудачных. Абонент может в любой момент времени прервать попытки установления соединения. Повторные попытки могут быть вызваны следующими причинами:
–номер набран неправильно,
–предположение об ошибке в работе сети,
–степень срочности разговора,
–неудачные предыдущие попытки,
–знание привычек абонента Б,
–сомнение в правильности набора номера.
Повторная попытка может быть предпринята в зависимости от следующих обстоятельств:
–степени срочности,
–оценки причины неуспеха,
–оценки целесообразности повторения попыток,
–оценки приемлемого интервала между попытками.
Отказ от повторной попытки может быть связан с низкой степенью срочности. Различают несколько видов трафика, создаваемого вызовами: поступающий (предложенный) Yп и пропущенный Yпр.
Трафик Yп включает все успешные и неуспешные попытки, трафик Yпр, являющийся частью Yп, включает успешные и часть неуспешных попыток:
Контрольные вопросы |
199 |
Yпр = Yр + Yнп,
где Yр – разговорный (полезный) трафик, а Yнп – трафик, созданный неудачными попытками. Равенство Yп = Yр возможно лишь в том идеальном случае, если нет потерь, ошибок вызывающих абонентов и неответов вызываемых абонентов.
Прогнозирование трафика. Ограниченность ресурсов приводит к необходимости поэтапного расширения станции и сети. Администрация сети делает прогноз увеличения трафика в течение этапа развития, учитывая, что [5]:
–доход определяется частью пропущенного трафика Yр,
–затраты определяются качеством обслуживания при наибольшем трафике,
–большая доля потерь (низкое качество) бывает в редких случаях
ихарактерна для конца периода развития,
–наибольший объем пропущенного трафика приходится на пе-
риоды, когда потери практически отсутствуют,
–если потери меньше 10 %, то абоненты на них не реагируют. При планировании развития станций и сети проектировщик должен
ответить на вопрос, каковы требования к качеству предоставления услуг (к потерям). Для этого нужно проводить измерения трафика и потерь по принятым в стране правилам.
Контрольные вопросы
1.Подвергаются ли обработке сообщения пользователей в телефонных сетях?
2.Каким показателем оценивается качество предоставления сетевых ресурсов в телефонных сетях?
3.Назовите виды сигналов, передаваемых между пользовательской установкой и сетью или между станциями телефонной сети.
4.Назовите отличия централизованной сигнализации от децентрализованной.
5.Поясните процесс обработки вызова на станции телефонной сети при успешном соединении.
6.Охарактеризуйте место ТФ–ОП РФ в международном телекоммуникационном пространстве.
7.Охарактеризуйте службы сервиса Министерства связи РФ.
8.Приведите примеры ДВО, предоставляемых службами станции или телефонной сети.
9.Охарактеризуйте возможные способы связи станций вторичных телефонных сетей.
10.Каковы возможные стратегии перехода от аналоговых вторичных телефонных сетей к цифровым?
11.Каковы основные отличия цифровой сети от аналоговой?
12.Каково назначение сигнальной подсети в составе цифровой?
200 |
Глава 10. Телефонные службы |
13.Охарактеризуйте открытую систему нумерации, используемую на междугородной телефонной сети РФ.
14.Каковы характеристики обслуживания вызовов на УК с коммутацией каналов?
15.Что понимают под протоколом соединения в телефонной сети?
16.Изобразите общую модель УК телефонной сети.
17.Охарактеризуйте поток вызовов, описываемый законом Пуассона.
18.Запишите выражение для трафика, создаваемого одним источником вызовов.
19.Дайте определение ЧНН.
20.Каковы требования к доле состоявшихся разговоров в телефонной сети?
21.Каковы причины повторных попыток вызовов?
22.Какая величина потерь (блокировок) не замечается абонентами?
23.Приведите пример трехзвенной коммутационной схемы.
24.Каково преимущество многозвенных (многоступенных) коммутационных схем по сравнению с однозвенными?
25.Постройте трехзвенную коммутационную схему типа В–П–В.
Список литературы
1.Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1964. – 576 с.
2.Концепция развития связи Российской Федерации / Под ред. В.Б. Булгака, Л.Е. Варакина. – М.: Радио и связь, 1995. – 224 с.
3.Мизин И.А. О концепции создания Российской общегосударственной и региональных интегрированных сетей передачи информации // Электросвязь. – 1997. –
№ 12. – C. 2–9.
4.МККТТ. Синяя книга. Телефонная служба и ЦСИС. Качество обслуживания, управление сетью и расчет нагрузки. Рекомендации Е.401 – Е.880. IX Пленарная ассамб-
лея. – Мельбурн, 1988. – Т. II. – Вып. II.3.
5.Эллдин А., Линд Г. Основы теории телетрафика. – М.: Связь, 1972. – 199 с.
6.Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г. Сети связи: Учебник для ВУЗов. СПб.: БХВ – Петербург, 2010. – 399 c.
7.Бакланов И.Г. NGN: Принципы построения. – М.: Эко-Трендз, 2008. – 400 c.
8.Кучерявый А.Е., Парамонов А.И., Кучерявый Е.А. Сети связи общего пользования. Тенденции развития и методы расчета. – М.: ФГУП ЦНИИС. – 2008. – 296 с.