Теория коммутации

Теория коммутации

ФУНКЦИИ КОММУТАЦИИ

Распределители вызовов часто реализуются на том же самом базовом оборудовании,…

ЦИФРОВАЯ КОММУТАЦИЯ

Из трех основных элементов сети связи (оконечных устройств, средств передачи и систем коммутации) именно системы коммутации являются для…

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КОММУТАЦИЯ

Схематически простейшую коммутационную структуру можно представить в виде прямоугольной решетки, составленной из точек коммутации так, как показано… Прямоугольные решетчатые структуры, составленные из точек коммутации, проектируются таким образом, чтобы…

ЦИФРОВАЯ КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

 

Конфигурация коммутационной схемы с пространственным разделением каналов периодически воспроизводится в течение каждого временного интервала путем непрерывного изменения некоторым циклическим образом соединений, существующих в течение коротких интервалов времени. Обычно такой способ работы схемы называют коммутацией с временным разделением каналов. В то время, как такой способ работы системы можно было бы считать приемлемым как для аналоговых, так и для цифровых сигналов, цифровые сигналы, сформированные путем объединения на базе временного разделения, обычно требуют как коммутации временных интервалов, так и коммутации физических линий. Этот последний вид коммутации представляет собой, по существу, второе измерение коммутации и обычно называется временной коммутацией. В последующем при обсуждении проблем цифровой коммутации с временным разделением будем предполагать (если не оговорено дополнительно), что коммутационная система непосредственно сопрягается с цифровыми линиями передачи с временным разделением. Это предположение обычно выполняется, поскольку даже при работе в аналоговом окружении в наиболее экономичной коммутационной системе сначала производятся формирование цифровых сигналов и их компоновка в соответствии с форматом слова ВРК, а уже затем осуществляются любые операции по коммутации.
Основное требование к системе коммутации с временным разделением иллюстрирует рис.6. В качестве примера на нем приведено соединение канала 3 первого тракта с ВРК с каналом 17 последнего тракта с ВРК. Указанное соединение подразумевает, что информация, поступающая во временном интервале 3 первого тракта, пересылается во временном интервале 17 последнего тракта. Так как процесс преобразования речевого сигнала в цифровую форму принципиально означает четырехпроводныи режим работы, то требуется и реализуется обратное соединение путем пересылки информации из временного интервала 17, последнего входящего тракта во временном интервале 3, первого исходящего тракта. Таким образом, каждое соединение требует выполнения двух пересылок информации; каждая включает преобразование и во времени и в пространстве.

Существует множество структур коммутационных схем, которые позволяют выполнять операции, указанные на рис.6. Все эти структуры, по существу, требуют, по крайней мере, двух звеньев: звена пространственной коммутации и звена временной коммутации. Как будет показано в дальнейшем, коммутационные схемы большой емкости обычно содержат несколько звеньев обоих типов. Однако, прежде чем начать обсуждение двумерной (двух координатной) коммутации, рассмотрим характеристики и возможности одной лишь временной коммутации.

Цифровая коммутационная схема на ЗУ. Так как схемы временной коммутации строятся на базе недорогих цифровых ЗУ, реализация функции цифровой коммутации оказывается более дешевой, чем реализация схем с пространственным разделением. Работа схемы временной коммутации сводится, главным образом, к записи информации и считыванию ее из ЗУ. В процессе коммутации информация, поступающая по одному временному каналу, передается к другому, как показано на рис.7. Если цифровые сигналы группируются в единые форматы слов ВРК, то удается получать весьма экономичные коммутационные схемы, реализующие только временную коммутацию. Однако реальные ограничения на временные характеристики ЗУ определяют допустимые размеры блока временной коммутации, поэтому в коммутационных схемах большой емкости обязательно вводится пространственная коммутация. Как будет показано в дальнейшем, наиболее экономично построенные многозвенные схемы обычно содержат возможно большее число звеньев временной коммутации.

Принцип работы схемы коммутации на ЗУ поясняет рис.8. Как видно из рисунка, отдельные цепи, по которым идет передача цифровых сообщений, некоторым фиксированным образом объединяются так, что образуется один тракт с ВРК- Функции объединения и разделения можно рассматривать либо как функции самой схемы коммутации, либо как функции, реализуемые в удаленных терминалах. Если, функции объединения и разделения реализуются локально, то мультиплексор и де мультиплексор могут параллельно подключаться непосредственно к ЗУ. В противном случае используется преобразователь последовательного кода в параллельный, который позволяет предварительно накопить информацию определенного временного канала до того, как она будет записана в ЗУ. В любом случае для каждого входящего временного канала необходимо обеспечить доступ к каналу записи в ЗУ, и точно так же необходимо обеспечить доступ к каналу считывания для каждого исходящего временного канала. Обмен информацией между двумя различными временными каналами осуществляется с помощью ЗУ временной коммутации каналов (ВКК). В схеме ВКК, показанной на рис.8, информация, поступающая по входящим временным каналам, последовательно записывается в ячейки ЗУ. В то же время информация, поступающая в исходящие каналы, считывается из ЗУ ВКК по адресам, получаемым из блока управляющей памяти. Дуплексное соединение каналов i и j трактов с ВРК означает, что адрес i поступает в ЗУ ВКК в течение i-го временного интервала, и наоборот, как указывается в соответствующей управляющей памяти. Таким образом, в течение каждого временного интервала к ЗУ ВКК производятся два обращения. Первое, когда некоторое управляющее устройство (на рисунке не показано) выбирает номер временного канала, который определяет адрес записи в ЗУ. Второе, когда содержимое управляющей памяти, соответствующее определенному временному каналу, выбирается в качестве адреса считывания.

Поскольку операции записи и считывания должны выполняться в ЗУ ВКК для каждого временного канала (входящего или исходящего), максимальное число каналов с, которые могут быть обслужены простой коммутационной схемой на ЗУ, равно

где цифра 125 означает длительность цикла в микросекундах для частоты дискретизации речевого сигнала, равной 8 кГц, а t — длительность цикла (обращения) ЗУ в микросекундах. В качестве конкретного примера рассмотрим применение ЗУ ВКК с циклом 500 нс. Уравнение показывает, что коммутационная схема на ЗУ может обслужить 125 дуплексных каналов (62 соединения) при условии строгой неблокируемости схемы. Сложность коммутационной схемы (в предположении, что процесс цифрового преобразования где-то уже был осуществлен) совсем невелика, ЗУ ВКК хранит один информационный цикл, организованный как с слов по 8 битов каждое. Управляющая память также имеет объем с слов, причем длина каждого слова равна log(c) (т. е. в нашем примере 7). Таким образом, обе функции памяти могут быть реализованы на базе ЗУ с произвольной выборкой емкостью 128Х8 битов. Дополняющая часть в виде счетчика временных каналов и некоторых логических устройств для выбора адресов и управления записью новой информации в управляющую память, может быть реализована на базе обычных интегральных схем (ИС).Рассмотренная коммутационная схема контрастирует со схемой с пространственным разделением каналов, которая потребовала бы 7680 точек коммутации при реализации ее в виде неблокирующейся трехзвенной коммутационной схемы. И хотя современная технология изготовления интегральных микросхем позволила бы заменить многие точки цифровой коммутации несколькими интегральными схемами, тем не менее ограничение, связанное с допустимым числом выводов с кристалла, преодолеть не удалось бы. Одно из основных достоинств цифровых сигналов состоит в легкости, с которой их можно объединять на базе временного разделения. Это свойство цифровых сигналов имеет особое значение как при организации соединений между ИС, так и при организации связи между коммутационными станциями.
Если комбинацию мультиплексора и демультиплексора использовать для концентрации и расширения, то система может обслуживать значительно большее число входящих линий в зависимости от среднего использования отдельных цепей. Например, если линия в среднем занята в течение 10% времени, то система концентратор-коммутационная схема на ЗУ — экспандер может обслужить до 1000 цепей с вероятностью блокировки, меньшей 0,002. Введение концентрации и расширения вместе с тем означают значительное усложнение системы. По существу, оборудование, реализующее эти операции, представляет собой схемы коммутации с пространственным разделением, которые управляются соответствующим образом. Структура концентратор-схема коммутации на ЗУ — экспандер, по существу, становится простой формой коммутационной схемы типа пространство-время-пространство (ПВП), которая будет рассмотрена в дальнейшем.
Для того, чтобы обеспечить желаемую временную коммутацию каналов, звенья временной коммутации принципиально требуют наличия некоторого вида элементов задержки. Задержки легче всего реализовать с помощью ЗУ с произвольной выборкой, запись в которые производится по мере поступления данных, а считывание при необходимости их передачи. Если для каждого временного интервала в цикле ВРК отведена одна ячейка памяти, то информация каждого канала с временным разделением может храниться без искажения повторной записью в течение времени вплоть до длительности одного полного цикла.
Можно указать два способа управления работой ЗУ звена временной коммутации: последовательная запись и произвольное считывание, или произвольная запись и последовательное считывание. На рис.9 показан принцип работы звена временной коммутаций для обоих способов управления с иллюстрацией способа доступа к памяти при передаче информации из временного канала 3 во временной канал 17. Заметим, что оба способа работы звена временной коммутации используют циклическую управляющую память, доступ к которой осуществляется синхронно с работой счетчика временных интервалов.
Согласно первому способу работы звена временной коммутации, показанному на рис.9, определенные ячейки памяти закрепляются за соответствующими каналами входящего тракта с ВРК. Информация каждого входящего временного интервала запоминается в последовательных ячейках памяти, что обеспечивается увеличением на 1 содержимого счетчика по модулю С на каждом временном интервале. Как уже отмечалось, информация, принятая в течение временного интервала 3, автоматически запоминается в третьей ячейке ЗУ. При выдаче информации из ЗУ управляющая информация, поступающая из управляющей памяти, определяет адрес считывания информации для заданного временного интервала. Как уже было указано, семнадцатое слово управляющей памяти содержит число 3, т. е. содержимое ЗУ звена временной коммутации (ЗУ ВКК) по адресу 3 должно быть считано и передано по исходящему тракту в течение временного интервала 17.

Второй способ работы звена временной коммутации, показанный на рис. 9, является противоположностью первого. Поступающая на вход информация записывается в ячейки ЗУ в соответствии с адресом, хранящимся в управляющей памяти: однако, считывание информации производится последовательно- ячейка за ячейкой под управлением счетчика временных интервалов (исходящих). Как показано в данном примере, информация, принятая в течение временного интервала 3, записывается непосредственна в ЗУ ВКК по адресу 17, откуда автоматически считывается в исходящий канал с номером 17 тракта с ВРК. Заметим, что оба способа работы звена временной коммутации, показанные на рис. 9, определяют соответственно управление по выходу и по входу. В примере многозвенной коммутационной схемы, рассматриваемой в дальнейшем, удобно один способ работы использовать на одном звене временной коммутации, а второй способ — на другом звене.

ДВУХКООРДИНАТНАЯ КОММУТАЦИЯ

Основная функция звена временной коммутации — обеспечить задержку… Как уже отмечалось, удобно представить управляющую память в виде параллельного кольцевого сдвигающего регистра. Ширина…

КОММУТАЦИОННАЯ СХЕМА ТИПА ПВП

 

Структура коммутационной схемы ПВП приведена на рис. 11. Предполагается, что каждая схема пространственной коммутации является однозвенной и неблокирующейся. Для схем большой емкости желательна реализация пространственной коммутации в виде многозвенных схем.

Установление соединительного пути через коммутационную схему ПВП требует нахождения блока пространственной коммутации, в котором имеется доступ к каналу записи в период временного интервала (входящего), когда может поступать информация, а также доступ к каналу считывания в период требуемого временного интервала (исходящего), когда будет считываться информация из памяти. Если каждое отдельное звено схемы (П, В, П) будет неблокирующимся, то она будет функционально эквивалентна трехзвенной пространственной схеме. Следовательно, вероятностный граф на рис. 12, описывающий коммутационную схему ПВП, идентичен вероятностному графу для трехзвенной пространственной коммутационной схемы.

 

Соответственно вероятность блокировки схемы ПВП

где , k—число, блоков временной коммутации центрального звена схемы.
Предполагая, что схема пространственная коммутации реализуется в виде однозвенных коммутационных блоков и что каждый тракт ВРК. содержит с информационных каналов, можем определить сложность реализации коммутационной схемы ПВП следующим образом.
Сложность =(число точек коммутации на звене пространственной коммутации)+(число битов управления на звене пространственной коммутации)+(число битов памяти на эвене временной коммутации) + (число битов управления на звене временной коммутации)]/100=2kN+(2kclog2N+kc8+kc log2с)/100.
Сложность реализации нужно сравнить с числом точек коммутации, полученным для эквивалентной трехзвенной коммутационной схемы. Пространственная коммутационная схема требует 41 000 точек коммутации, в то время как схема ПВП лишь 430 эквивалентных точек коммутации. Такой значительный эффект получается как результат того, что речевые сигналы были уже преобразованы в цифровую форму и мультиплексированы (предполо-жительно для целей передачи). Если коммутационная схема ПВП используется в аналоговом окружении, то преобладающая часть затрат будет падать на оборудование линейного сопряжения.
Современные цифровые коммутационные схемы уже мало отличаются от современных цифровых ЭВМ. Стоимость центральных устройств обработки информации становится относительно неболь-шой по сравнению со стоимостью периферийных устройств.

КОММУТАЦИОННАЯ СХЕМА ТИПА ВПВ

Второй формой реализации многозвенной коммутационной схемы со звеньями пространственной и временной коммутации является структура, приведенная на рис. 13. Эту коммутационную схему обычно называют схемой время — пространство — время. Информация, поступающая по каналу входящего тракта с ВРК, задерживается на входящем звене временной коммутации до тех пор, пока не будет найден соответствующий свободный путь через звено пространственной коммутации.

В этот момент информация будет передана через звено пространственной коммутации на соответствующее выходное звено временной коммутации, где она будет храниться до тех пор, пока не наступит временной интервал, в котором требуется осуществить передачу данной информации. Предполагая, что на звеньях временной коммутации обеспечивается полнодоступность (т. е. все входящие каналы могут быть соединены со всеми исходящими), при установлении соединения на звене пространственной коммутации можно использовать любой временной интервал. В функциональном смысле звено пространственной коммутации как бы повторяется (копируется) по одному разу для каждого внутреннего временного интервала Это иллюстрирует вероятностный граф схемы ВПВ, приведенный на рис 14.

 

Важной особенностью коммутационной схемы ВПВ, на которую следует обратить внимание, является то, что звено пространственной коммутации работает с разделением времени независимо от внешних трактов с ВРК. По существу, число временных интервалов работы звена пространственной коммутации l не должно совпадать с числом временных интервалов с внешних трактов с ВРК.
Если звено пространственной коммутации является неблокирующейся коммутационной схемой, то блокировка в схеме ПВП может возникать в тех случаях, когда нет свободных внутренних временных интервалов звена пространственной коммутации, в течение которых промежуточная соединительная линия, ведущая от входящего звена временной коммутации, и промежуточная соединительная линия, ведущая к исходящему звену временной коммутации, одновременно свободны. Очевидно, что вероятность блокировки будет минимальней, если число временных интервалов звена пространственной коммутации l будет выбрано достаточно большим. Действительно, проводя прямую аналогию с трехзвенными пространственными коммутационными схемами, схему ПВП можно считать неблокирующейся, если l=2c—1. Общее выражение для вероятности блокировки для коммутационной схемы ВПВ, отдельные звенья которой (В, П, В) являются неблокирующимися, имеет вид

где — коэффициент временного расширения (l/с), l — число временных интервалов работы звена пространственной коммутации.
Сложность реализации ВПВ-коммутации можно рассчитать по следующей формуле

Cтруктура ВПВ более сложная, чем структура ПВП. Заметим, однако, что в коммутационной схеме ВПВ используется временная концентрация, а в схеме ПВП — пространственная. По мере того, как будет расти использование входящих соединительных линий, будет уменьшаться степень возможной концентрации. Если окажется, что нагрузка входящих каналов достаточно высока, то для поддержания заданного значения вероятности блокировки в коммутационных схемах ВПВ и ПВП необходимо вводить расширение соответственно в первой — временное, во второй — пространственное. Поскольку реализация временного расширения значительно дешевле, чем пространственного, то при высоком использовании каналов коммутационная схема ВПВ окажется более экономичной, чем схема ПВП. На рис. 15 приведены зависимости сложности реализации схем ПВП и ВПВ от использования входящих каналов.

 

Как видно из рис. 15, коммутационные схемы ВПВ имеют четко выраженное преимущество перед схемами ПВП в области больших значений использования каналов. Для коммутационных схем малой емкости более предпочтительной оказывается структура ПВП. Возможно, что выбор конкретной архитектуры в значительно большей степени будет зависеть от других факторов, таких как модульность, простота организации тестирования, легкость наращивания емкости. Одним из моментов, который обычно выделяют, отдавая предпочтение структуре ПВП, является относительно более простые требования к организации управления схемами ПВП, чем схемами ВПВ. Для станций большой емкости с большой нагрузкой необходимость преимущественного использования структуры ВПВ становится совершенно очевидной. В подтверждение справедливости этого утверждения можно привести систему № 4 ESS со структурой ВПВ, которая является самой большой по емкости коммутационной схемой, построенной до настоящего времени.
Коммутационные схемы типа ВПППВ. Если звено пространственной коммутации схемы ВПВ оказывается достаточно большим по емкости, что приводит и к дополнительному увеличению сложности управляющего устройства, то для уменьшения общего числа точек коммутации звено пространственной коммутации заменяется многозвенной схемой. На рис. 16 приведена структура типа ВПВ, когда звено пространственной коммутации заменено трехзвенной схемой.

Поскольку три соседних звена являются звеньями пространственной коммутации, то эту структуру иногда называют коммутационной схемой ВПППВ. Сложность реализации схемы ВПППВ можно определить следующим образом:

где Nх—число точек коммутации; Nвт—число битов управляющей памяти звена пространственной коммутации; N втс -число битов информационной памяти звена временной коммутации; N втс - число битов управляющей памяти звена временной коммутации.
Вероятностный граф коммутационной схемы ВПППВ представлен на рис.17. Заметим, что этот граф идентичен вероятностному графу пятизвенной схемы пространственной коммутации. Используя вероятностный граф можно определить вероятность блокировки коммутационной схемы ВПППВ:

где

Результаты показывают, что коммутационные схемы сверхбольшой емкости могут быть реализованы с использованием методов цифровою временного разделения на вполне приемлемом для практики уровне сложности. В середине 60-х годов стало очевидно, что на телефонной сети США необходимо использовать коммутационные схемы именно такой емкости. Поскольку для реализации сопоставимой с ними по емкости восьмизвеннои схемы пространственной коммутации потребовалось бы порядка 10 млн. точек коммутации, то традиционная технология, используемая при построении систем с пространственным разделением, была срезу же отвергнута, и фирма Bell System приступила к разработке системы № 4 ESS. Это была первая цифровая коммутационная система телефонной сети США, введенная в эксплуатацию в 1976 г. Система № 4 ESS (коммутационная схема типа ВПППВ) имеет емкость 107 520 соединительных линий, обеспечивает вероятность блокировки менее 0,005 при вероятности занятия канала 0,7 (11).

МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ КОММУТАЦИОННЫХ СХЕМ

Ранее были описаны две базовые структуры цифровых коммутационных схем с временным разделением каналов:ПВП к ВПВ. Одна из них, а именно ВПВ, стала…

ЦИФРОВАЯ КОММУТАЦИЯ В АНАЛОГОВОМ ОКРУЖЕНИИ

Когда цифровые системы коммутации на оконечных станциях вводятся в условиях аналогового окружения, то аналоговые устройства сопряжения с местными…

КОММУТАЦИЯ С НУЛЕВЫМ ЗАТУХАНИЕМ.

Проблема неустойчивости усложняется из-за наличия искусственной задержки,… Из приведенного обсуждения следует, что использование регулируемого затухания является одним из решений проблемы…

КОНФЕРЕНЦ-СВЯЗЬ

МСЭ-Т рекомендованы к использованию два закона преобразования, закон с m == 255 и закон А, как обладающие особым свойством — оба легко линеаризуются…

ТРАНСМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ

Трансмультиплексирование применяется в первую очередь на стыке между цифровыми междугородными коммутационными системами и системами передачи по… По выполняемым функциям трансмультиплексор, показанный на рис. 23, эквивалентен непосредственному соединению…