Типы электронной коммутации

Лекция №5

Тема: Коммутационные поля

Коммутационные поля на микроэлектронной элементной базе

Рассмотрим структуру цифрового тракта, который должен быть скоммутирован че­рез цифровое поле и назначение различ­ных временных интервалов.

Принципы использования временных каналов при цифровом потоке с импульсно-кодовой модуляцией

Каналы, полученные путем мультип­лексирования в системе ИКМ-30, распре­деляются как изображено на рис. 1.

Рис. 1 Распределение временных положений в тракте ИКМ при отдельном канале сигнализации

На этом рисунке показано размещение информации в цикле. Каждый цикл состоит из 32 временных каналов. 0-й и 16-й каналы переносят служебную информацию. В 0-м канале каждый четный цикл предается информация для синхронизации цикла. Она представляет собой 7-битовую комбинацию, размещенную в 1 -7 битах. Первый бит, обозначенный на рисунке S, либо равен 1, либо используется для контроля правильности передачи инфор­мации цикла [49, 50]. В нечетных циклах 0-й байт предоставлен для использования нацио­нальными администрациями.

Вариант, показанный на рис. 2.39, используется для передачи сигнальной информации по принципу «общий канал сигнализации». При этом способе сигнализация для всех 30 речевых каналов передается по 16-му каналу. Подробнее этот способ рассмотрен в разделе 2.10.

Второй способ образования канала получил название «выделенный канал». В этом случае за каждым информационным каналом закрепляется сигнальный канал. Принцип этого выделения показан на рис. 2.40. Он заключается в том, что вводится нумерация 32-канальных циклов. Выделяются 16 циклов, в каждом из которых информация сигнализа­ции 16-го канала закрепляется за информационным каналом. Каждое временное положе­ние 16-го канала разбивается на две части. В первом цикле передается сигнальная инфор­мация 1-го и 17-го каналов, во втором — 2-го и 18-го, в третьем — 3-го и 19-го и т.д., в пятнадцатом 15-го и 31-го. В нулевом и шестнадцатом циклах передается служебная ин­формация.

Рис. 2 Образование выделенного канала

Типы электронной коммутации

Различаются два принципа электронной (цифровой) коммутации: временная и про­странственная. Цифровая коммутация указывает на то, что коммутируются потоки с импульсно-кодовой или другой, но цифровой, модуляцией. На ранних стадиях разработки электронных АТС использовалась коммутация сигналов с амплитудно-импульсной модуля­цией. Но она не получила распространения из-за недостатков, связанных с чувствитель­ностью к искажениям и помехам.

В дальнейшем изложении вид модуляции не оговаривается, при этом подразумевается цифровая коммутация.

Временная коммутация. Этот вид коммутации подразумевает, что весь поток инфор­мации распределен во времени. В каждый временной интервал (далее именуемый слот, slot) вводится информация, которая закрепляется за этим положением. Временной коммутатор должен перенести информацию из одного временного положения в другое заданное поло­жение. На рис. 3 схематично показан пример, когда информация, содержащаяся в 5-м временном интервале, переносится в 21-й интервал.

Рис. 3 принцип временной коммутации: а) Схематическое изображение

б) функциональная схема

Поскольку электронная коммутация имеет однонаправленный характер (в силу того, что электронные компоненты имеют только одно направление), а связь должна быть двух­сторонней, то коммутация, как правило, осуществляется не только прямая (5-й канал с 21-м каналом), но и обратная (21-й канал с 5-м) (рис. 3, б).

Пространственная коммутация заключается в том, что информация переносится из одного временного тракта в другой без изменения временного положения. Это проиллюст­рировано примером, показанном на рис. 4, где информация переносится из тракта 1 (вре­менное положение 5) во второй тракт в то же положение. На том же рисунке показано вто­рое пространственное соединение.

В реальных телефонных станциях используются оба варианта, но часто применяют ком­бинированные пространственно-временные коммутаторы, когда коммутация производится одновременно в другой тракт и другое временное положение (рис. 5).

Рис. 4 Принцип пространственной коммутации

Рис. 5 Принцип пространственно-временной коммутации

Принципы реализации способов временной коммутации

Наиболее распространенный способ временной коммутации, т.е. перенос информации из одного временного положения в другое, состоит в записи информации в память и считы­вании с задержкой в другом временном положении . Последовательный цифро­вой поток поступает на вход схемы, которая преобразует информацию из последовательной формы в параллельную.

Далее эта информация записывается в запоминающее устройство (ЗУ). Адрес записи ус­танавливается счетчиком временных каналов, который генерирует последовательно номера временных положений. Поэтому сообщения располагаются в информационной памяти по мере возрастания номера канала. Чтение этой информации в исходящий тракт производится в соответствии с информацией, записанной в адресной памяти. Опрос этой памяти также производится по тактовым импульсам, приходящим от счетчика временных каналов. Каж­дый такт соответствует номеру слота в исходящем потоке. Информация, которая записыва­ется в это временное положение из информационного ЗУ, определяется адресом, поступаю­щим из адресного ЗУ.

Адрес входящего канала i записан в адресной памяти на месте временного положения j. И наоборот, адрес входящего каналу j записан в адресной памяти на месте вре­менного положения i. Это означает, что при чтении из адресной памяти во временное положение j на вход ин­формационной памяти поступит ад­рес i. Это приведет к тому, что в этом временном положении(i)

.

Принцип реализации пространственно-временного коммутатора

Принцип построения пространственно-временного коммутатора с использованием запо­минающего устройства (рис. 6) почти аналогичен принципу построения временного ком­мутатора.

Рис. 6. Реализация пространственно-временной коммутации на базе запоминающего устройства (N цифровых трактов по 32 временных положения в каждом)

Информационная память устанавливается для каждого цифрового тракта. Адресная па­мять устанавливается в объеме, равном суммарному числу каналов всех трактов, и управля­ет всеми трактами по принципу временной коммутации. Суммарное число каналов, которое может быть обслужено адресной памятью, зависит от ее быстродействия. Время опроса всех каналов должно быть равно времени одного цикла (кадра), т.е. 125 мкс = 125x10 ⁶ с. При работе коммутатора происходит два обращения к памяти. Первое, когда внешнее управ­ляющее устройство определяет номер временного положения и адрес записи в запоминаю­щем устройстве. Второе, когда содержимое управляющей памяти, соответствующее временному интервалу, выбирается в качестве адреса считывания. Операции записи и считывании должны выполняться для каждого временного канала. Предполагая, что эти времена равны, определим максимальное число каналов для заданной скорости работы памяти:

C =

где 125 мкс — длительность цикла для частоты дискретизации речевого сигнала равной 8 кГц; t — длительность обращения к ЗУ в микросекундах.

В качестве примера предположим, что одно обращение к ЗУ требует 0,5 мкс, тогда чис­ло каналов С равно 125.

Современные ЗУ имеют гораздо меньший цикл обращения. Поэтому суммарное коли­чество каналов по всем цифровым трактам может достигать 1024-2048 каналов, т.е. 32-64 тракта по 32 канала в каждом.

Для организации пространственно-временной коммутации на базе запоминающего уст­ройства можно мультиплексировать несколько потоков и проводить коммутацию этого вы­сокоскоростного потока. На выходе можно снова разделить поток на несколько исходящих (рис. 6).

Рис. 7 Элемент пространственно-временной коммутации каналов с разделением по времени.

Для построения пространственно-временных коммутаторов применяются более слож­ные схемы [49]. На рис. 7 показана схема, содержащая 16 двусторонних портов на 32 цифровых канала каждый. Под термином «порт» подразумевается часть схемы коммутации, принимающая и передающая цифровой поток. Как показано на рис. 7, она подразделяет­ся на исходящую и входящую части. На рисунке подробно показаны входящая часть 0-го тракта и исходящая часть 15-го тракта. Соединяющие эти порты магистрали показана на ри­сунке. Магистраль данных содержит 16 шин, магистраль порта — 4 шины, магистраль ка­нала — 5 шин, число шин для передачи обратных сигналов и тактовых последова­тельностей— 14.

Временные тракты включаются во входящую часть порта. Далее информация накапли­вается в преобразователе последовательной информации в параллельную. Параллельная пе­редача информации позволяет уменьшить время обмена между портами в 16 раз и тем са­мым увеличить число обслуживаемых портов. В соответствии с временным интервалом из адресной памяти считываются заданные адреса порта и канала.

Форматы управления рассматриваемым элементом показаны на рис. 8.

Рис. 8 Форматы коммутируемых сообщений

Формат включает 16 битов, что требует увеличения скорости передачи по сравнению с байтовым форматом в два раза, т.е. до 4096 кбит/с. Первые два бита определяют тип режи­ма работы управляющего устройства элемента (его логики).

Первый режим свободного канал (признак 00) характеризует поступление формата, не содержащего информацию, и соответствует свободному временному каналу. В данном слу­чае коммутация не производится.

Второй режим установления соединения (признак 01). Работа элемента заключается в определении и записи информации в соответствии с вариантами поиска, записанными в поле тип поиска (в отличие от термина «поле формата», принятого разработчиками этого элемен­та, в телефонии используется термин «вид искания»; см. 2.2.3, виды искания: свободное, групповое и другие виды искания).

Возможны следующие типы поиска:

любой канал Q в портах с номером Р = 12... 15 (для выходов звена А);

любой канал Q в портах с номером Р = 0... 11 (для входов звена А);

любой канал Q в портах с номером Р = 7... 15 (для выходов звеньев В, С);

любой канал Q в портах с номером Р = 0...7 (для входов звеньев В, С);

любой канал Q в любом порте Р (для каждого из типов матриц);

любой канал Q в портах с конкретным номером Р, содержащимся в формате комму­тируемого сообщения (рис. 8, б); для каждого из значений (0-11, 12-15, 0-7, 8-15, 0-15) в формате указывается отдельный код типа поиска;

канал с конкретным номером Q в порте с конкретным номером Р.

В режиме установления соединения в соответствии с типом поиска управляющее уст­ройство элемента определяет в памяти порт, в котором существуют свободные каналы, и передает в этот порт информацию о поиске канала. После чего по обратной шине получа­ет информацию о номере канала и записывает ее в собственную память. При этом учитыва­ется число оставшихся каналов. Если канал задан в формате, показанном на рис. 8, б, то информация просто записывается в память.

В режиме передачи речи (данных) формат поступает в соответствии с временным поло­жением. Из адресной памяти считываются сначала адрес порта, а в следующем такте — ад­рес канала.

На исходящей стороне порта дешифраторы принимают адреса порта и канала и записы­вают информацию с шины данных в память. В дальнейшем эта информация считывается в соответствии с временным промежутком исходящей стороны.

Для того чтобы обеспечить дуплексную передачу, устанавливаются пары исходящих и входящих портов.

В соответствии с типом поиска элемент может настраиваться на различные модифика­ции, которые условно показаны на рис. 8. Следует обратить внимание на то, что возмож­но коммутировать информацию не только от входов к выходам, но и между любыми входа­ми одной матрицы. Информация нулевого канала воспринимается самим элементом комму­тации для поддержания синхронизма порта с внешними источниками и передается автома­тически в другие нулевые каналы.

При современных скоростях элементная база порта может поддерживать тракт до 64 и более каналов, что по меньшей мере равно двойной потребности. Поэтому каждый порт имеет два входа и два выхода и называется «дуальный порт».

Одним из узких мест системы является центральная шина, по которой проходит комму­тация от 16 портов. Для ее разгрузки применяется мультиплексирование, когда в один и тот же момент времени каждая группа шин используется для передачи в различные порты (рис. 9).

Рис. 9 Принцип уплотнения шин внутри коммутационной матрицы

P – номер, C – номер канала, D – данные, R – обратная информация.

Первым по шине передается адрес порта (Р). Входная часть схемы расшифровывает его и открывает порт для принятия адреса канала. Порт остается открытым для принятия информации по следующей группе шин, а информация о порте может быть снята. В сле­дующий момент эта информация передается по группе шин номера канала и одновремен­но по группе передается адрес порта. Далее процесс повторяется для других групп шин, как это показано на рис. 9. Это позволяет не занимать шину свыше одного цикла «чте­ние-запись».

Рассмотренный элемент в соответствии с форматом (поле «тип поиска», см. рис. 8, б) позволяет использовать его в трех модификациях. В отличие от ранее рассмотренных эле­ментов все модификации создаются программным путем по значению в поле «тип поиска». Эти модификации показаны на рис. 10.

Первая модификация (рис. 10, а) позволяет коммутировать информацию от любого из 16 входов к любому из 16 выходов (любой канал Q к любому каналу Р). Эта модификация в дальнейшем будет использоваться для построения группообразования на звене D.

Вторая модификация (рис. 10, б) разделяет порты на входные (номера 0...7) и вы­ходные (номера 8... 15). Коммутация производится в основном от входного порта к выход­ному, но возможна коммутация между входными (выходными) портами. Тип поиска — лю­бой канал в портах 0...7 или с любым портом 0... 15. Эта модификация в дальнейшем будет употребляться для построения группообразования на звеньях В и С.

Третья модификация (рис. 10, в) дает возможность осуществлять концентрацию. Она позволяет коммутировать 12 входных портов 0...11 с 4-я выходными портами 12... 15 и наоборот. Тип поиска — любой канал с любым каналом в портах 0... 11. Также возможна коммутация между входными (выходными) портами. Эта модификация в дальнейшем будет использоваться для построения группообразования на звене А. Форматы команд управления приведены на рис. 8. Модификации матрицы показаны на рис. 10.

Рис. 10 Модификации матрицы пространственно-временной коммутации в зависимости от поля

Рис. 11 Пример группообразования с применением временной и пространственной коммутации временных потоков на 64 групповых входных тракта и 32 выходных тракта

Группообразование

Как уже отмечалось в предыдущих разделах, коммутационные поля для станций боль­шой емкости наиболее целесообразно строить с помощью многокаскадных схем. Рассмот­рим варианты группообразования таких станций. Наиболее распространено применение каскадов на базе пространственно-временной коммутации. Однако в некоторых распростра­ненных системах в качестве промежуточных ступеней для временных потоков используют­ся только пространственные коммутаторы. Рассмотрим один из таких примеров (рис. 12) — коммутационное поле станции малой (средней) емкости со сжатием, выполненное по принципу «время-пространство-время» (В-П-В). На входе имеется 64 временных трак­та. Число каналов тракта может быть разное, например, 32 канала. Тогда количество кана­лов на входе составляет 2048 (или 1024 дуплексных соединений). Если ввести еще одну ступень пространственной коммутации, то коммутируемую емкость можно увеличить в несколько раз.

В случае применения только пространственно-временной коммутации большой инте­рес представляет так называемое одностороннее группообразование, именуемое группообразованием «со звеном отражения»

Рис. 12 Группообразование «со звеном отражения» (звено D): а) ступень концентрации; б) ступень смешивания.

Этот тип группообразования характерен тем, что все источники нагрузки сосредото­чены в одних и тех же матрицах. По сравнению с уже изучавшимися типами группообра­зования отсутствует сторона, в которую включаются только источники одного типа (на­пример, абонентские комплекты, таксофоны и другие терминалы), а с другой стороны — только объекты канального типа (входящие и исходящие комплекты). В предыдущих сис­темах это вызывало необходимость создания ступеней концентрации. В данном случае подключение источников с резко различающейся нагрузкой требует их первоначального распределения по различным матрицам первой ступени таким образом, чтобы средняя на­грузка на вход соответствовала заданному качеству обслуживания и определялась теоре­тическими расчетами телетрафика. Однако, как показано на рис. 12, а, в случае необхо­димости можно поставить ступень сжатия в виде матрицы 12x4 (звено А). Ступень сжа­тия также выполняет функции обеспечения надежности во многих конфигурациях станции. В данном случае она обеспечивает доступ от входных трактов к четырем плоскостям комму­тационного поля. Этим обеспечивается четырехкратный резерв коммутационного поля (ком­мутационное поле — это один из блоков, существенно влияющих на надежность станции). Однако в большинстве случаев используется двукратный резерв (дублирование). В этом слу­чае либо некоторые из выходов звена А остаются незадействованными, либо в каждую плос­кость от ступени концентрации ведут две линии, что снижает максимальное количество вхо­дов. Но, как можно видеть из рисунка, число входов и так достигает большого значения.

Поскольку звено А выполняет функции обеспечения надежности, его устанавливают да­же в тех случаях, когда нагрузка не требует сжатия, в этом случае используют не все входы этого звена.

Согласно рис. 12, б, плоскость имеет 16 групп (звенья В и С, группы от 0-й до 15-й). Каждая группа предназначена для включения 64 трактов. Это составляет 1024 тракта. При включении в них ступени концентрации (с учетом включения резервной ступени) общее число входов будет составлять 1024x12/2 = 6192 тракта. Каждый тракт содержит по 32 ка­нала, что вполне достаточно для создания станций большой емкости (например, 65000 або­нентов и 32000 каналов).

Первой матрице каждой группы (звено В) доступно 8 матриц звена С. Последнее звено D называют «звено отражения». Соединение на этой ступени, как бы «отражается», и уста­новление соединения к другому входу идет в направлении противоположном первому эта­пу. Следует отметить, что если устанавливается соединение между портами в этой схеме группообразования, то до этой ступени проводится свободное искание, а после нее вынуж­денное искание.

Несмотря на потенциально большое число включаемых линий, это группообразование по­зволяет постепенно наращивать станцию от минимальной емкости до максимальной, что обес­печивается свойством коммутационных матриц, а также особенностями управления полем.

Как уже отмечено (см. рис. 10), соединение может осуществляться в пределах одной матрицы любого звена, поэтому любое звено может быть отражающим. На рис. 13 пока­зан принцип наращивания станции на рассмотренных выше матрицах по мере увеличения емкости станции. Одновременно должно увеличиваться число команд поиска свободной ли­нии. Это число нечетное и равно 1,3,5, и полная схема требует 7 команд (на рис. 13 она не показана, так как повторяет рис. 12).

Эти команды выдаются внешним источником, включенным во входы ступени А. Он оп­ределяет число команд путем сравнения исходящего и входящего адресов. Каждый вход в коммутационное поле может быть пронумерован. В состав номера входят:

номер входа в звено А (11 входов требуют для кодировки 4 бита);

номер выхода из звена В (8 выходов требуют для кодировки 3 бита);

номер выхода из звена С (8 выходов требуют для кодировки 3 бита);

номер выхода из звена D (16 портов требуют для кодировки 4 бита). Всего для кодировки необходимо 14 битов.

Рис. 13 Принцип наращивания емкости коммутационного поля и связь его с числом команд установления соединения

Количество необходимых команд определяется устройством модуля, который управляет соединением. Предположим, что надо установить соединение между исходящей точкой, включенной в порт с номером ABCD, и A'B'C'd'. Поразрядное сравнение этих номеров по­зволяет определить необходимое количество команд для установления соединения.

Если А А , В = В , С = С и D = D , то соединение устанавливается только в пределах звена А и надо передать одну команду (рис. 13, а).

Если А А , В В , С = С и D = D , соединение устанавливается в пределах звеньев А и В и передается 3 команды (рис. 2.53, б).

Если А А , В В , С С и D = D , то соединение устанавливается в пределах звеньев А, В и С и необходимо передать 5 команд (рис. 13, в).

Если А А , В В , С С , D D , то соединение устанавливается в пределах звеньев А. В, С и D, при этом необходимо передать 7 команд.

Такой принцип управления позволяет не менять алгоритм работы внешних модулей и поиска промежуточных путей в зависимости от состава и емкости станции.

Итак, рассмотрены основные принципа построения коммутационных полей.

Знакомство с ними позволяет рассматривать и создавать другие типы. На основе рас­смотренных типов полей строятся коммутационные системы, которым будет посвящена следующая глава.