Цифровые коммутационные поля

Принципы построения цифровых коммутационных полей

В коммутационной технике принято разделять понятия коммутационной станции и комму­тационной системы. Под коммутационной станцией подразумевают совокупность техниче­ских средств связи, обеспечивающих коммутацию абонентских и соединительных линий при осуществлении оконечных и транзитных соединений в сети связи. В зависимости от на­значения станции бывают местными (сельскими), опорными, транзитными, междугородны­ми, международными. Коммутационная система отражает принципы внутреннего по­строения коммутационной станции и представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для осуществления оперативной коммутации. В зависимости от типа коммутационных приборов и управляющих устройств различают системы: декадно-шаговые, координатные, квазиэлектронные, электронные и др. Коммутационная система, реализующая функцию цифровой коммутации, получила название цифровой системы ком­мутации (ЦСК).

В дальнейшем будем разграничивать понятия цифровой коммутационной системы (при изложении принципов ее работы) и цифровой станции (при описании различных АТС, ко­торые могут быть реализованы на основе данной коммутационной системы).

Классификация ЦКП

В цифровой коммутационной системе функцию коммутации осуществляет цифровое коммутационное поле (КП). Управление всеми процессами в системе коммутации осущест­вляет управляющий комплекс.

Цифровое КП (ЦКП) строится обычно по звеньевому принципу. Звеном цифрового КП называют группу ступеней {S-, Т- или S/T-), реализующих одну и ту же функцию преобразо­вания координат цифрового сигнала. В зависимости от числа звеньев различают двух-, трех- и многозвенные КП.

Цифровое КП называются однородным, если любое соединение в нем устанавливается через одинаковое количество звеньев. Большинство современных ЦСК имеют однородные цифровые КП.

Отметим основные особенности построения многозвенных цифровых КП.

1. Цифровые КП строятся с использованием определенного числа модулей. Модуль­ностьпозволяет обеспечить легкую приспосабливаемость системы к изменению емкости, удобство и простоту эксплуатации, технологичность производства за счет сокращения раз­нотипных блоков. Кроме этого, благодаря модульному построению КП упрощаются управ­ление системой и ее программное обеспечение, что очень важно при разработке и при на­ладке и эксплуатации системы.

2.Цифровые КП обладают симметричной структурой.Под симметричной понимают структуру, в которой звенья 1 и TV, 2 и N-1, 3 и N-2 .... являются идентичными по типу и числу блоков коммутации.

3. Цифровые КП почти всегда являются дублированными,что связано с критичностью не­поладок в коммутационном поле к функционированию всей системы в целом. При этом обе части КП (часто их называют плоскостями) работают синхронно и выполняют одни и те же действия. Но для реальной передачи информации используется только одна из них, которая считается активной. Вторая часть находится в «горячем резерве», и в случае неполадок или сбоев в активной части происходит автоматическое переключение.

4.Цифровые КП являются четырехпроводными,поскольку цифровые линии, по кото­рым передаются времяуплотненные ИКМ сигналы, также четырехпроводные.

Цифровые коммутационные поля делятся на 5 классов:

КП 1-класса S-T-S

КП 2-класса T-S-T

КП 3-класса S/T-S-S/T

КП 1-класса S/T

Кольцевое построение

В целом работа ЦСК может быть описана системной функцией F, которая состоит из последовательности операций f| и определяется выражением F = {f,, f₂,..., f_n}.

Реализация системной функции F в полном объеме означает выполнение АТС всех опе­раций по установлению соединений, контролю, диагностике, оплате разговоров и т.д. На практике системная функция реализуется по частям благодаря выполнению подмножества операций {fj} (например, вследствие реализации операций по установлению соединения).

В процессе создания система коммутации делится на отдельные функциональные блоки (модули), при этом системная функция F может быть распределена по этим блокам не­сколькими способами.

1. Концентрация системной функции F в одном функциональном блоке представляет собой многократную реализацию (т раз) функции F в этом блоке.

2. Если АТС составлена из п одинаковых функциональных блоков, при этом каждый блок многократно реализует системную функцию F, то этим осуществляется деконцентрация системной функции F по п одинаковым блокам. При этом возможны два варианта дис­циплины обслуживания поступающих на АТС заявок:

а) источники нагрузки случайно распределяются между функциональными блоками, такая дисциплина обслуживания получила название распределения нагрузки;

б) источники нагрузки разбиты на группы, и каждая группа обслуживается своим бло­ком (возможен вариант обслуживания любым свободным функциональным блоком) – такая дисциплина называется разделением источников нагрузки.

3. Если АТС состоит из нескольких функциональных блоков и при этом каждый блок реализует лишь часть операций, входящих в системную функцию F, то для полной реализа­ции всей системной функции необходима совместная работа всех блоков. Такое распреде­ление системной функции носит название децентрализации. Дисциплина обслуживания заявок на АТС при децентрализации называется распределением функций.

Система коммутации каналов в целом характеризуется степенью выполнения в ней четырех принципов: концентрации - деконцентрации и централизации - децентрализации (рис. 3.2).

Общие соотношения, показанные на рис. 3.2, позволяют ввести еще одно важное поня­тие. Будем называть систему коммутации каналов распределенной, если при ее построении использовались глубокая децентрализация (распределение функций) и деконцентрация (распределение нагрузки).

Традиционно в цифровых коммутационных системах говорят о распределенности управления и распределенности коммутации, при этом нет точных границ степени распре­деленности (распределенные системы коммутации могут быть построены разными спосо­бами в зависимости от принятых проектных решений).

Рис. 3.2. Принцип распределенности системы

При рассмотрении децентрализации системной функции и введении понятия «рас­пределение функций» не оговаривалась возможность подчинения одних операций сис­темной функции другим. Если при децентрализации системной функции такая подчинен­ность существует, то вводится понятие иерархии. При этом обычно выделяют два уровня иерархии: иерархию операций и иерархию функциональных блоков, по которым распределе­ны операции.

Классификация цифровых КП

Модульное построение современных цифровых коммутационных систем позволяет использо­вать их в качестве любой станции или узла связи. В ЦСК выделяют основную, неизменную часть оборудования, добавление к которой дополнительного оборудования позволяет полу­чить любую станцию сети связи. Аналогично систему коммутации ЦСК можно разделить на основное цифровое КП и дополнительные коммутационные элементы, которые обеспечивают концентрацию абонентской нагрузки, создание групповых трактов или преобразование цифро­вых потоков. В данной главе будут рассматриваться структуры основных цифровых КП.

С учетом симметричности и модульности построения все множество синхронных цифро­вых КП с функциональной полнотой коммутации можно разделить на пять классов. В каждом классе можно выделить базовую структуру и подструктуры, образованные добавлением до­полнительных коммутационных элементов с предварительным мультиплексированием (MUX) и последующим демультиплексированием (DMUX) цифровых групповых трактов.

Хотя кольцевые КП строятся на S/T-ступенях (кольцевых соединителях), и по сути яв­ляются разновидностью полей 4 класса, но ввиду их важности и особенностей построения принято выделять их в отдельный класс.

Определение оптимальных форм сочетания временных и пространственных ступеней коммутации - сложная проблема, которая не может быть решена отдельно от других задач, возникающих при построении цифровых КП: построение систем управления и группообра-зования, выбор способов коммутации (параллельный или последовательный), оптимизация соотношения между временной и пространственной ступенями коммутации и др.

При построении ЦСК большой емкости необходимо принимать во внимание, что при уменьшении временной ступени коммутации могут возникнуть следующие проблемы:

- сложность обеспечения заданного качества обслуживания абонентов при превышении нормативной нагрузки из-за отсутствия свободных временных каналов исходящих линий, согласованных во времени с соответствующими свободными каналами входящих линий;

- трудность обеспечения поступления ИКМ сигналов на элементы коммутации S-ступе­ни в строго определенные моменты времени, кратные циклу 125 мкс.

Исходя из этого, а также с учетом стремительного развития полупроводниковых БИС, становится выгодным строить ЦКП с полной временной и уменьшенной пространственной ступенями коммутации. При этом на временную ступень возлагаются задачи не только по временному сдвигу коммутируемых сигналов, но и по синхронизации, выравниванию време­ни распространения сигналов по линии связи, а также уменьшению внутренних блокировок.

Цифровые КП первого класса

На начальных этапах развития цифровых коммутационных систем из-за высокой стоимости ЗУ основу ЦКП составляли звенья пространственной ступени коммутации. Такие АТС как Sintel, DEX-T имели структуру поля типа S-S при параллельном способе коммутации. Одна­ко, как указывалось в гл.2, пространственные коммутаторы имеют большую вероятность внутренних блокировок, поэтому на практике получили распространения структуры, где пространственные ступени коммутации разделены временными ступенями.

Цифровые поля первого класса объединяют все симметричные КП, состоящие из Т- и S-ступеней, где начальное и конечное звенья являются S- ступенями. Цифровые КП этого класса реально имеют к = 1,2 каскадов 5-иг=1 каскадов Т-, т.е. имеют структуру S-T-S или S-S-T-S-S. Дополнительный каскад пространственной коммутации служит для увеличе­ния пропускной способности КП, но не влияет на принципы установления соединений.

Базовая структура при к = г = 1 позволяет строить цифровые КП малой емкости. Графи­ческое изображение такого трехзвенного поля показано на рис. 3.3. Первый и третий каска­ды имеют по одному пространственному коммутатору NxM цифровых трактов, а второй каскад содержит Г-ступень, состоящую из М временных коммутаторов. Емкость цифрового КП определяется параметром N S-ступени и количеством каналов п в цифровой линии и рассчитывается как N х п. Так, при использовании ЦСП ИКМ-30 и пространственных ком­мутаторов 16x16 емкость КП составит 512 канальных интервалов.

Рис. 3.3. Базовая структура цифрового КП первого класса

Алгоритм работы такой схемы следующий. Пусть, например, необходимо осуществить коммутацию КИ1 первой входящей линии с КИ5 четвертой выходящей линии и пусть в КП реализуется алгоритм «произвольная запись - последовательное считывание». Тогда на пер­вом этапе процессорный блок определяет элемент Т-ступени, в которой свободна ячейка памяти, соответствующая КИ5. Пусть таким оказался второй элемент. После этого:

- в соответствующую ячейку УЗУ1 заносится адрес первой входящей линии, соотноси­мый с временным интервалом КИ1;

- в соответствующую ячейку УЗУ2 заносится адрес второго элемента Г-ступени, соот­носимый с временным интервалом КИ5;

- в соответствующую ячейку УЗУЗ заносится адрес четвертой выходящей линии.

Тогда в КИ1 кодовая комбинация из первой входящей линии записывается во второй эле­мент Г-ступени в ячейку памяти, соответствующую КИ5. Во временной промежуток КИ5 эта кодовая комбинация считывается из памяти и поступает на четвертую выходящую линию.

Алгоритм «произвольная запись - последовательное считывание» может приводить к внутренним блокировкам, поскольку позволяет использовать только ячейки памяти Т-ступени, соответствующие одноименному канальному интервалу. Для реализации алгорит­ма «произвольная запись - произвольное считывание» необходимо во втором каскаде ис­пользовать два УУ, одно для управления записью, другое для управления считыванием.

Ступень пространственной коммутации может выполняться на ПЛМ и на мультиплек­сорах. Максимально большая многокаскадная матрица 96x96 использовалась в System X (Великобритания). Однако уже на первых этапах реализации таких КП стали применять не базовую структуру, а ее подструктуру (рис. 3.4), поскольку это позволяет значительно уве­личить емкость коммутационного поля. Трехзвенные цифровые КП такого вида могут иметь емкость порядка 16 тыс. канальных интервалов.

Рис. 3.4.Подструктура цифрового КП первого класса

Многокоординатные ЦСК с КП первого класса не нашли широкого применения из-за сво­ей сложности и необходимости применения на входе дополнительных элементов памяти, обеспечивающих функцию выравнивая временных каналов входящих линий связи. Поэтому производители были вынуждены искать другие способы увеличения емкости цифровых КП.

Цифровые КП второго класса

Уменьшение стоимости элементов памяти в начале 70-х годов позволило начать внедрение цифровых КП второго класса. Среди синхронных КП этого типа наибольшее распростране­ние получили подструктуры с применением предварительного мультиплексирования и по­следующего демультиплексирования, поскольку базовые структуры КП второго класса имели малую емкость. Упрощенные структурные схемы базовой структуры T—S-T и под­структуры MUX-r-S-r-DMUX показаны соответственно на рис. 3.5 (а и б).

Отметим некоторые особенности построения таких КП.

1)Применение дополнительных ступеней пространственной коммутации увеличивает емкость и пропускную способность поля, но не влияют на принципы его функционирования.

2)Предварительное мультиплексирование (рис. 3.5, б) фактически обеспечивает вто­ричное уплотнение входящих цифровых трактов, а последующее демультиплексирование восстанавливает их, что приводит к увеличению пропускной способности цифрового КП без применения дополнительных ^-ступеней.

3)Для увеличения скорости обработки данных в КП на входе, как правило, производят преобразование последовательно кода в параллельный. Для этого на каждой входящей ли­нии устанавливается преобразователь последовательно-параллельного типа, а на выходя­щей - параллельно-последовательного.

Рис. 3.5. Структуры цифрового КП второго класса

Рассмотрим некоторые варианты реализации цифровых КП второго класса.

1. Цифровое поле MUX-r-DMUX(в выражении для подструктуры г = 0).

Цифровые КП такого типа использовались при создании АТС малой емкости и имели наименьшую стоимость. Максимальное уменьшение емкости Г-ступени было предложено японскими специалистами. В такой схеме (рис. 3.6) Г-ступени имеют параметры Т: 8x8,8 и коммутируют одноименные биты кодовых слов всех восьми входящих ИКМ линий. Такое решение позволяет иметь одно управляющее ЗУ для всех восьми речевых ЗУ Г-ступени. Особенностью этой схемы является использование двух мультиплексоров - первичного и вторичного, что связано с использованием в качестве входящих и исходящих линий стан­дартных ИКМ линий.

Рис. 3.6. Пример подструктуры MUX-T-DMUX

2. Цифровое поле MUX-TS-T-DMUX (в выражении для подструктуры к= г = 1).

Подавляющее количество трехзвенных цифровых КП второго класса имеют коммута­ционную подструктуру MUX-T^-r-DMUX. В такие цифровые КП можно включать свыше 60 тыс. канальных интервалов или, при использовании концетраторов, свыше 100 тыс. або­нентских линий. Емкость такого КП определяется скоростью цифровых потоков групповых трактов (например, числу канальных интервалов цикла ИКМ линии) и параметрами S-ступени. Например, при емкости входящей Т-ступени равной 512 КИ и пространственном коммутаторе 32x32 емкость КП составит 16384 канальных интервалов.

Принцип функционирования цифрового КП этого типа рассмотрим на примере струк­турной схемы, изображенной на рис. 3.7. Входящая Т-ступень имеет речевые ЗУ (РЗУ₀ -РЗУ_т), куда поступают кодовые слова входящих ИКМ линий. Цикл ИКМ линий после мультиплексирования имеет определенное количество канальных интервалов (например 512 или 1024), каждый из которых содержит, как правило, по 8-битному параллельному ко­довому слову. Обычно доступ в ячейки памяти РЗУ первого каскада для записи кодовых слов является последовательным, а для считывания - произвольным. Тогда, для максималь­ной симметрии в алгоритме поиска соединительного пути в КП, в третьем каскаде (исходя­щей Г-ступени), наоборот, используют режим произвольного доступа для записи и последо­вательный для считывания. Перезапись кодовых слов из РЗУ первого каскада в РЗУ третье­го каскада допускается в любом временном отрезке в течение цикла передачи и с использо­ванием любой свободной промежуточной ИКМ линии между Т и S ступенями.

Рис. 3.7. Коммутационное поле MUX-T-S-T-DMUX

Управление речевыми ЗУ входящей и исходящей Г-ступеней осуществляют соответст­венно управляющие ЗУ (УЗУ1 и УЗУЗ), емкость которых равна количеству адресов, соот­ветствующих числу канальных интервалов цикла ИКМ линии. Управление Т-ступенью осуществляет УЗУ2. Каждая ячейка УЗУ2 содержит адрес точки коммутации коммутацион­ной матрицы Т-ступени, которая должна быть замкнута в нужный канальный интервал.

Предположим, что необходимо произвести коммутацию КИ2 входящей линии 0 и КИ10 выходящей линии М. (В данном случае в качестве входящей/исходящей ИКМ линии для коммутационного поля рассматривается уплотненная линия после блока мультиплексиро­вания.) Пусть для передачи кодового слова из входящей Т-ступени в S-ступень процессор выбрал КИ7 промежуточной ИКМ линии. Тогда в ячейку памяти УЗУ1, соответствующую РЗУо, будет записан адрес ячейки 2. В УЗУ2 Т-ступени записывается информация о том, что ключ ОМ (горизонталь 0, вертикаль М) должен быть замкнут в течение канального интерва­ла 7 промежуточного ИКМ цикла. В ячейку памяти УЗУЗ, соответствующую РЗУ_т записы­вается адрес ячейки 10.

После проверки правильности записи данных в указанные ячейки передается разре­шение на коммутацию и соединение считается установленным. Тогда в течение канально­го интервала 2 цикла входящей ИКМ линии кодовое слово записывается в ячейку 2 РЗУ₀. Это слово находится там до наступления времени КИ7 промежуточной ИКМ линии, когда из УЗУ2 считывается адрес 2 произвольного считывания из РЗУ₀ первого каскада, а из УЗУЗ адрес 10 записи в РЗУ_т третьего каскада. В течение КИ7 кодовое слово подается на нулевую входящую горизонталь S-ступени, снимается с выходящей вертикали М и запи­сывается в ячейку 10 РЗУ_т. Затем с помощью последовательного считывания в течение канального интервала 10 цикла исходящей ИКМ линии кодовое слово считывается в вы­ходящую линию М.

Если проследить развитие ЦКС с цифровым КП структуры TS-T (табл. 3.1), то можно сделать интересный вывод: практически все производители цифровых АТС (ЦАТС) осуще­ствляли увеличение емкости трехзвенного КП в основном за счет увеличения размера S-ступени. Однако, при определенных условиях это приводит к ряду технических затруднений и повышению стоимости поля. Поэтому становится экономически выгодно перейти к струк­туре с большим количеством звеньев.

Таблица 3.1.Сравнительные характеристики ЦАТС

Тип ЦАТС	Размер T-ступени	Размер S-ступенн	Емкость КП (КИ)
KB 270	1024x1024	4x4
D70	1024x1024	16x16
D60	1024x1024	32x32
FETEX 150	1024x1024	64x64
AXE 10	512x512	32x32
		64x64
		128x128

3. Цифровое поле MUX-T- SSSS-T-DMVX.

Примером данной подструктуры (в выражении для подструктуры к = 1, г = 4) является цифровое КП международной АТС №4 ESS (компании Bell, США). Практически такое поле имеет наибольшую емкость среди цифровых КП второго класса. Структура цифрового КП АТС №4 ESS приведена на рис. 3.9.

SMUX SDMUX

Рис. 3.8. Структура цифрового КП системы NEAX 61

Рис. 3.9. Структура КП АТС № 4 ESS

Мультиплексор на входе КП №4 ESS осуществляет объединение в линию ИКМ-120 пя­ти линий ИКМ-24 или десяти ИКМ-12. При этом 120 канальных интервалов используются для передачи речевых сигналов, а 8 - для управления и техобслуживания. Буферная память служит в КП №4 ESS для синхронизации входящих ИКМ потоков, которые могут прихо­дить от разных источников с различными запаздываниями. С выхода буферов синхронизи­рованные цифровые потоки подаются на декоррелятор, имеющий 7 входов и 8 выходов. Декоррелятор обеспечивает функции распределения и расширения. Он распределяет нагрузки семи внутренних линий ИКМ-120 на восемь линий ИКМ-120, что уменьшает вероятность внутренних блокировок. При этом используются максимально 107 канальных интервалов в каждой из восьми линий ИКМ-120. Кроме того, декоррелятор позволяет равномернее рас­пределить нагрузку по внутренним ИКМ линиям КП. Структурные параметры Т- и S- сту­пеней цифрового КП №4 ESS следующие - Т: 128x128, S1: 8x8,52: 16x16, S3: 8x8.

Цифровое КП №4 ESS может пропустить нагрузку 47 000 Эрл и емкость - порядка 107 520 канальных интервалов.

Дальнейшее увеличение емкости многозвенных цифровых КП путем увеличения числа S-ступеней приводит к проблемам монтажа. Поэтому дальнейшее развитие таких КП при­мерно с начала 80-х годов шло по пути использования S/T-ступеней.

Цифровые КП третьего класса

Структуры цифровых КП третьего класса появились в конце 70-х годов благодаря возмож­ности создания соответствующих интегральных схем. Поля этого класса являются в извест­ной мере универсальными поскольку позволяют однотипно строить системы коммутации практически для всего диапазона емкостей: малой, средней и большой. При этом наращива­ние емкости происходит, в основном, за счет увеличения количества звеньев пространст­венной коммутации, переходя от более простых структур S/T-S-S/T (рис. 3.10, а) к более сложным S/T-S-S-S/T (рис. 3.10, б) и S/T-S-S-S-S/T, поскольку увеличение емкости самой S-ступени является более дорогим решением. Часто при проектировании коммутационного поля ступени временной и пространственной коммутации объединяются в соответствую­щие блоки: блок временной коммутации (БВК) и блок пространственной коммутации (БПК). Тогда наращивание емкости КП происходит путем простого добавления определен­ного количества БВК и БПК (рис. 3.10, в).

К цифровым АТС, использующим КП данного класса, относятся системы МТ20/25 (Франция), System X (DSS) (Великобритания), EWSD (Германия), GDT5 ЕАХ (США), DTS-11 (Япония) и ряд других, на основе которых можно строить местные, междугородные и тран­зитные станции.

Установление соединения через коммутационное поле происходит по схожему алго­ритму с КП второго класса. Если обобщить сказанное в предыдущих главах, то процесс коммутации состоит из последовательности следующих операций:

- изменение кода передачи, состоящее в переходе от принципа кодирования, согласо­ванного с линейным трактом (например, HDB3), к кодированию, согласованному с внутренними электронными цепями АТС (двоичному);

- последовательно-параллельное преобразование сигналов;

- синхронизация сигналов в соответствии с сигналами, полученными от тактового ге­нератора станции;

- задержка информации, полученной по входящим каналам, на время, определяемое временным моментом внутристанционной обработки;

- соединение выхода входящей ступени пространственно-временной коммутации через пространственный коммутатор с входом исходящей ступени пространственно-временной коммутации;

- переход от временного момента внутристанционной обработки к моменту, соответст­вующему определенному КИ исходящего тракта ИКМ;

- преобразование отсчетов речи из параллельного кода в последовательную форму;

- переход от принципа кодирования, согласованного с внутренними цепями АТС к ко­дированию, согласованному с линейным трактом.

Рис. 3.10. Структуры полей третьего класса

В некоторых случаях в системах третьего класса для увеличения быстродействия логи­ческих элементов ^-ступени и устранения межсимвольной интерференции ступень про­странственной коммутации разделялась на две части (матрицы), одна из которых была предназначена для работы с циклами четных временных канальных интервалов, другая - с циклами нечетных.

Кроме этого, довольно часто при создании КП третьего класса организуется непосред­ственное соединение части групп входящих временных коммутаторов с группой исходя­щих, минуя ступень пространственной коммутации, для чего организуются специальные внутренние соединительные линии. Это позволяет использовать S-ступень меньшей емко­сти и, соответственно, стоимости. Более того, при построении КП малой и средней емкости (до 16 384 КИ) удавалось строить структуры, в которых вообще отсутствовала ступень про­странственной коммутации. В этом случае БВК соединялись между собой непосредственно. Такие решения имеют практически все крупные производители цифровых АТС. Подобные цифровые КП, в общем случае, следует относить уже к четвертому классу, хотя создавались они обычно на универсальных схемах средней степени интеграции (СИС), которые исполь­зовались для коммутационных полей 3-го класса.

Однако, при использовании таких интегральных схем не удавалось получить цифровые КП большой емкости, состоящие только из S/T-ступеней. Положение изменилось с создани­ем специализированных БИС, функционально реализующих S/T-ступень достаточно боль­шой емкости.