Раздел 3. Принципы построения систем коммутации
Тема 5. Коммутация каналов, сообщений, пакетов
Существует два принципа коммутации:
−коммутация каналов,
−коммутация с запоминанием (сообщений, пакетов). По используемому принципу коммутации сети делятся на:
−сети с коммутацией каналов,
−сети с коммутацией пакетов/сообщений.
Сеть с коммутацией каналов предоставляет пользователю возможность передачи информации одновременно только с одним пользователем. Для этого в сети организуется соединение с постоянной пропускной способностью. Между узлами коммутации под каждое соединение задействуется физическая линия или канал (временной, частотный, кодовый). В узлах коммутации до начала передачи пользовательской информации, необходимо установить соединение между входящим и исходящим каналами или физическими линиями. Соединение устанавливается на время передачи всей пользовательской информации. Все каналы и физические линии, участвующие в соединении, должны иметь одинаковую пропускную способность для предотвращения потерь информации. Управляющая информация между узлами коммутации передается отдельно от пользовательской информации (по каналам сигнализации).
Сеть с коммутацией сообщений/пакетов предоставляет пользователю возможность организации одновременно нескольких соединений с разными пользователями и широковещательную передачу информации. Информация в сети передается в виде сообщений или пакетов, состоящих из пользовательской информации и управляющей информации. При передаче сообщений пользовательская информация передается целиком, при передаче пакетов разбивается на части. Пропускная способность линий связи разделяется между соединениями: сообщения/пакеты передаются друг за другом. В узлах коммутации сообщение/пакет сохраняется в памяти, на основании таблиц коммутации или маршрутизации и адресной информации в сообщении/пакете определяется дальнейший маршрут передачи сообщения/пакета. Управляющая информация в сообщении/пакете и физические параметры сигнала изменяются в зависимости от технологии линии связи. Максимальная пропускная способность соединения равна пропускной способности линии связи с минимальной пропускной способностью, через которую организуется соединение. Пропускная способность соединения уменьшается при увеличении числа соединений.
Курс «Системы коммутации» посвящен сетям и системам с коммутацией каналов.
Для систем с коммутацией каналов ITU-T определил коммутацию как «соединение одного (определенного) из множества входов системы с одним (определенным) из множества ее выходов, организуемому по запросу и предоставляемому этой паре вход-выход на время, которое требуется для обмена информацией между ними».
С учетом выше изложенного, можно сказать что, коммутация – это процесс последовательного соединения нескольких постоянно существующих независимо один от другого каналов в один составной канал, создаваемый только на время связи с тем, чтобы пользователи в конечных точках этого коммутируемого канала могли обмениваться информацией.
Коммутация каналов может быть аналоговой и цифровой. Аналоговой коммутацией называется процесс, при котором соединение
между конечными точками коммутируемого канала устанавливается посредством операций над аналоговым сигналом.
Цифровой коммутацией называется процесс, при котором соединение между конечными точками коммутируемого канала устанавливается посредством операций над цифровым сигналом без преобразования его в аналоговый сигнал.
В линиях связи используются различные методы мультиплексирования (разделения) каналов – пространственное, временное и частотное разделение каналов. В узле коммутации входящий и исходящий канал отделены друг от друга в пространстве, во времени или по частоте. Поэтому выделяют три метода коммутации:
−пространственная коммутация,
−временная коммутация,
−частотная коммутация.
Если каналы разделены друг от друга по одному разделительному признаку, то коммутация называется однокоординатной, если по двум и более признакам – многокоординатной, где координата – разделительный признак. Например, в аналоговых системах коммутации применяется однокоординатная коммутация с пространственным признаком разделения каналов, в цифровых системах коммутации – двухкоординатная коммутация с пространственным и временным признаком разделения каналов.
Тема 6. Обобщенная структура систем коммутации, функции узлов, процесс установления соединения. Классификация узлов коммутации.
Коммутационные узлы и станции представляют собой совокупность технических средств, предназначенных для обработки вызовов, поступающим по абонентским и соединительным линиям сети, для предоставления инициаторам этих вызовов основных и дополнительных видов связи, а также для учета и начисления платы за услуги.
Коммутационный узел (станция) содержит (рис.3.1):
−коммутационное поле (КП),
−абонентские комплекты (АК),
−комплекты исходящих соединительных линий (КСЛИ),
−комплекты входящих соединительных линий (КСЛВ)
−генератор зуммерных сигналов (ГЗС),
−приемник набора номера (ПНН),
−приемник (ПРМ) и передатчик (ПРД) сигналов управления и взаимодействия по СЛ,
−управляющее(ие) устройство(а) (УУ),
−устройства контроля и диагностики абонентских линий и оборудования узла коммутации,
−источники электропитания,
−кроссовое оборудование
Рис.3.1. Структурная схема АТС
Абонентский комплект (АК) является индивидуальным для каждой абонентской линии и осуществляет сопряжение сигналов, поступающих по абонентской линии от телефонного аппарата, с внутренним интерфейсом АТС. Число АК равно абонентской емкости АТС.
Коммутационное поле (КП) производит соединение входящих и исходящих каналов (линий) на время обмена информацией.
Генератор зуммерных сигналов (ГЗС) вырабатывает различные зуммерные сигналы, посредством которых абонент уведомляется о прохождении фаз соединения.
Приемник набора номера (ПНН) служит для определения значения принимаемой цифры от ТА с частотным набором номера.
Передатчик (ПРД) передает, а приемник (ПРМ) принимает сигналы сигнализации, используемой для определенного типа СЛ.
Комплекты соединительных линий осуществляют сопряжение сигналов, передаваемых по СЛ, с внутренним интерфейсом АТС. К исходящим комплектам соединительных линий (КСЛИ) подключаются СЛ, по которым устанавливаются исходящие соединения, к входящим комплектам (КСЛВ) – СЛ, по которым устанавливаются входящие соединения.
Управляющее устройство (УУ) обеспечивает логическое взаимодействие вышеназванных приборов при установлении соединений.
Коммутационная станция должна обеспечивать предоставление следующих видов связи:
−автоматическая внутренняя связь между всеми абонентскими линиями станции;
−автоматическая входящая и исходящая местная связь с абонентами других станций;
−транзитная связь между входящими и исходящими линиями и каналами;
−автоматическая исходящая и транзитная связь к вспомогательным и справочно-информационным службам;
−исходящая и входящая автоматическая и полуавтоматическая зоновая, междугородная и международная связь;
−связь в режиме полупостоянной коммутации;
−связь с Центром управления сетевыми элементами;
−связь с Центром расчета с абонентами;
−связь с оборудованием СОРМ;
−связь от УПАТС с передачей сигнала «Ответ станции» и приемом номера в декадном коде.
Установление соединений в АТС происходит следующим образом.
В исходном состоянии из АК в сторону ТА по АЛ подается постоянное напряжение 60 Вольт. УУ постоянно контролирует состояние АК. При снятии абонентом МТТ в АЛ начинает протекать электрический ток и АК трактует это как поступление линейного сигнала ЗАНЯТИЕ. По шине данных и управления ШДУ АК извещает УУ о поступлении вызова. УУ обращается к базе данных и определяет тип ТА. В случае ТА с частотным набором УУ находит свободный ПНН и соединяет его через КП с АК. Из ГЗС через КП начинает поступать зуммерный сигнал "ОС". УУ по шине
управления постоянно опрашивает ПНН о поступившей информации. С началом первой цифры номера УУ отключает зуммерный сигнал. По мере поступления цифр номера УУ производит их анализ.
Вслучае установления внутреннего соединения УУ выдает команду в АК вызываемого абонента на включение сигнала ПВ, а в АК вызывающего абонента через КП от ГЗС начинает поступать зуммерный сигнал "КПВ". После снятия МТТ вызываемым абонентом УУ обнаруживает поступление из АК линейного сигнала ОТВЕТ и соединяет абонентов между собой через КП. Внутреннее соединение установлено.
По окончании разговора из АК освободившегося абонента поступает линейный сигнал ОТБОЙ. УУ подсоединяет АК активного абонента к ГЗС, откуда подается зуммерный сигнал "Занято". После отбоя второго абонента все задействованные приборы АТС возвращаются в исходное состояние.
Вслучае установления исходящего соединения, необходимые цифры номера вызывающего абонента передаются от УУ через исходящий комплект соединительной линии КСЛИ на входящую АТС. После этого УУ соединяет АК и КСЛИ через коммутационное поле. Входящая АТС обеспечивает подачу зуммерного сигнала "КПВ" и ПВ, а также их снятие после ответа абонента.
Входящее соединение обнаруживает входящий комплект соединительной линии КСЛВ, осуществляя прием СУВ и их выдачу в УУ по ШДУ. После приема всех цифр УУ выдает команду в АК на подачу сигнала ПВ, а через КП соединяет ГЗС и КСЛВ для передачи зуммерного сигнала "КПВ" на исходящую АТС. После ответа абонента УУ соединяет через КП АК и КСЛВ.
Коммутационные узлы и станции классифицируются:
−по способу обслуживания соединений:
−ручные,
−полуавтоматические,
−автоматические;
−по месту, занимаемому в сети связи:
−оконечные,
−промежуточные,
−транзитные,
−центральные,
−узловые;
−по принципу коммутации:
−аналоговые,
−цифровые;
−по типу коммутационного оборудования:
−декадно-шаговые,
−координатные,
−квазиэлектронные,
−электронные;
−по емкости:
−малой емкости – до 1000 №,
−средней емкости – до 10000№.
−большой емкости – свыше 10000№.
Тема 7. Построение коммутационных полей
К простейшим коммутационным устройствам относятся коммутационный элемент, соединитель и коммутатор.
Коммутационный элемент – двухполюсник вида 1*1 с одной точкой коммутации и двумя возможными состояниями: замкнуто или разомкнуто.
Соединитель – многополюсник вида 1*m с m точками коммутации, полученный объединением входов m коммутационных элементов, в котором вход может соединиться с любым из m выходов.
Коммутатор – многополюсник вида n*m с n*m точками коммутации, полученный объединением одноименных m выходов n соединителей, в котором любой из n входов может соединиться с любым из m выходов.
Во всех простейших коммутационных устройствах соединение входавыхода всегда происходит через один коммутационный элемент (точку коммутации).
Однозвенное коммутационное поле Однозвенное коммутационное поле – наиболее простой тип
коммутационного поля, которое представляет собой коммутатор. На рис. 3.3 показано построение условной схемы коммутатора. На каждом пересечении горизонтали и вертикали коммутатора показан коммутационный элемент.
Рис.3.3. Общий вид матрицы полнодоступного коммутационного поля
Такой тип коммутационного поля применялся в станциях очень малой емкости (до 50 номеров и меньше). В последнее время в связи с уменьшением габаритов и удешевлением микросхем, реализующих коммутаторы, стало возможным применять этот принцип для построения станций достаточно большой емкости (свыше 2000 входов-выходов). Однако для современных станций емкостью десятки и сотни тысяч номеров такая матрица просто не может быть выполнена.
Двухзвенные и многозвенные схемы коммутации При большом числе пользователей более эффективны схемы
коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 3.4. приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения областей применения сравним эту и предыдущую схемы по числу требуемых точек коммутации.
Рис.3.4. Двухзвенная схема коммутации
На рис. 3.4 приняты следующие обозначения:
n – число входов в матрицу (коммутатор) звена А; r – число матриц звена А;
m – число выходов из матрицы А;
s – количество входов в матрицу звена В; k – число выходов из матрицы звена В; f – связность.
Связность – это число промежуточных линий, которые соединяют одну определенную матрицу звена А с одной определенной матрицей звена В.
Пусть необходимо коммутировать N входов с М выходами. Тогда будут соблюдаться следующие условия:
−для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно N*М;
−для неполнодоступной схемы коммутации число точек коммутации равно r*n*m + (m/f)*k*s;
−число коммутаторов звена А (r) зависит от общего числа входов N и составляет r = N/n;
−число коммутаторов звена В (m/f) зависит от требуемого общего числа выходов М, т.е. m/f=M/k.
Тогда число точек коммутации неполнодоступной коммутационной схемы будет равно Nm + Мs. Тем самым определяется условие того, что многозвенная коммутационная схема более эффективна, чем однозвенная: число коммутационных точек в ней должно быть меньше, чем в полнодоступной:
NM> Nm + Мs; 1>m/М+s/М.
Последнему условию может соответствовать множество сочетаний параметров коммутационных схем, но для всех из них справедливы соотношения:
m/М < 1 и s/М < 1 (где N, M, m, s ≠ 0).
Эти требования означают, что число выходов матрицы звена А не должно быть больше общего числа выходов всей коммутационной схемы М, а число входов звена В не должно быть больше общего числа входов в коммутационную схему М.
Такое условие выполняется для всех реальных задач. Число выходов матриц, которые используются для малых станций (100...500 входов и тот же диапазон числа выходов) варьируется от 4 до 8, а для больших емкостей (4000...300 000 входов и выходов) используются матрицы, имеющие 512 выходов. Из приведенных данных следует, что в современных телефонных станциях однозвенные коммутационные схемы во много раз менее экономичны, чем многозвенные. Однако небольшое число входов в коммутационную матрицу не позволяет построить коммутационную двухзвенную схему с достаточно большим числом выходов. Для этих случаев применяются многозвенные схемы (рис. 3.5).
Рис.3.5. Пример построения 4-звенной коммутационной схемы 512*512
На рис. 3.5 показан блок, содержащий 8 коммутационных матриц 8х8. Он имеет общее число входов N=64 выходов М=64. Для увеличения числа входов и выходов строится схема из 8 блоков, которая позволяет увеличить число входов и выходов до N = М = 512.
Показанная на рис. 3.5 схема коммутации имеет равное количество входов и выходов, однако, для построения телефонных систем применяются различные типы блоков. Они различаются не только параметрами коммутаторов и числом каскадов, но и назначением. Например, известно, что уровень загрузки абонентских линий довольно низок (за исключением таксофонов, линий с терминалами сети Интернет). В среднем они используются на 1015%. Для межстанционных линий, стоимость которых очень высока, необходимо увеличить интенсивность использования и тем самым уменьшить число линий, выделяемых для заданной группы абонентов, Поэтому для включения абонентских линий применяются специальные схемы с концентрацией (рис. 3.6).
Рис.3.6. Концентрация нагрузки а) 2-звенная схема с концентрацией; б) матрица с концентрацией
Для этого применяются матрицы, которые имеют число входов большее, чем число выходов. Это может достигаться конструктивно или путем запараллеливания выходов (рис. 3.6). В цифровых системах коммутации широко применяются варианты, когда концентрация путем запараллеливания делается на абонентских (терминальных) комплектах, что вносит дополнительные удобства.
Блокировка, смешивание нагрузки, доступность. Виды искания
Переход от однозвенных коммутационных схем к многозвенным схемам порождает новое явление блокировку. Под блокировкой понимается невозможность установления соединения от заданного входа к свободному выходу из-за отсутствия свободных промежуточных линий.
Рис.3.7. Принцип блокировки свободного выхода
Х– занятые вход, выход, промежуточная линия; О – вход и выход, между которыми нет свободной промежуточной линии
Вкачестве примера блокировки (рис. 3.7) показано, как между 1-м входом и 4-м выходом невозможно установить соединение, поскольку матрицы двух звеньев соединяет единственная промежуточная линия. Она занята соединением между входом 2 и выходом З. Это может привести к отказу в соединении. Поэтому параметры двухзвенных коммутационных схем рассчитываются при заданных потерях (это одна из задач теории телетрафика). Потери можно уменьшить, увеличив число линий между матрицами, т.е. увеличив связность. В цифровых станциях промежуточные линии представляют собой ИКМ-тракты и содержат 30 каналов, что эквивалентно связности 30. Увеличение связности уменьшает вероятность блокировки, но все-таки такая вероятность остается и зависит от