Что включает в себя структура станции коммутации
Структура станции коммутации
Станция коммутации представляет собой устройство, предназначенное для установления, поддержания и разъединения соединений (абонентов).
Для выполнения своих функций станция коммутации должна иметь, рис. 8.3:
· коммутационное поле (КП), состоящее из коммутаторов и предназначенное для соединения входящих и исходящих линий (каналов) на время передачи информации;
· управляющее устройство (УУ), обеспечивающее установление соединения между входящими и исходящими линиями через коммутационное поле, а также прием и передачу управляющей информации.
Рис.8.3. Основные составляющие станции коммутации
Основой станции коммутации является коммутационное поле, которое состоит из элементов коммутации, точек коммутации и коммутаторов.
Элемент коммутации – простейший ключ, который может с помощью управляющего устройства замыкаться и размыкаться. Ключом может быть металлический контакт или полупроводниковый переключатель.
Коммутатор – коммутационная схема с n входами и m выходами. В каждой точке пересечения входа с выходом должен быть предусмотрена точка коммутации. На схеме входы представлены горизонтальными, а выходы вертикальными линиями.
Кроме того, на станции имеются источники электропитания, устройства сигнализации и учета параметров нагрузки (количества сообщений, потерь, длительности занятия и др.).
В некоторых случаях станция коммутации может иметь устройства приема и хранения информации, если таковая передается не непосредственно потребителю информации, а предварительно накапливается на узле. Такие узлы применяются в системах коммутации сообщений.
Рис. 8.4. Элементы коммутации, точки коммутации и коммутаторы
Главная задача телефонной станции коммутации построить соединительный тракт между абонентом А, который инициирует звонок, и абонентом Б,
соответственно информации, содержащейся в набранном номере.
Построенный разговорный тракт должен сохраняться вплоть до сигнала отбоя. Этот принцип называется коммутацией каналов в отличие от коммутации пакетов, которая часто используется в компьютерных сетях.
В прошлом коммутационное поле было электромеханическим и контролировалось импульсами с телефона. Позднее, контрольные функции были интегрированы в общий блок контроля. В настоящее время общий блок контроля представляет собой эффективный и надежный компьютер или микропроцессор со значительным программным обеспечением, работающим в режиме реального времени. Станция с таким обеспечением называют станциями коммутации с программным контролем, см. рис.8.5.
Каждая станция коммутации организует соединение между абонентами А и Б в соответствии сигнальной информацией, которую получает от абонента или от предыдущей станции. Если эта станция не является учрежденческой, то она передает сигнальную информацию к ближайшей станции чтобы строить разговорный тракт далее.
Рис. 8.5 Станция коммутации с программным контролем
Коммутация в телекоммуникациях
Простейшая телекоммуникационная сеть
Структура станции коммутации
Коммутация каналов и коммутация пакетов
Передача данных по телекоммуникационным сетям
Функции, выполняемые узлом сети в процессе организации и распада соединительных трактов между абонентами, называются коммутацией. Коммутацияозначает временное установление пути передачи от определенного входа до определенного выхода в сети или же в группе таких входов и выходов.
Сеть, в которой соединительные тракты сначала создаются для каждого обмена сообщениями, а после его окончания распадаются на участки, называется коммутируемой. Однако на сети всегда могут быть абоненты, имеющие постоянные соединительные тракты или тракты, организуемые на определенное время по расписанию.
Коммутация осуществляется с помощью комплекса специальных устройств под общим названием «станция коммутации». Употребительны также названия более специфические названия « автоматическая телефонная станция» и « система коммутации».
Автоматическая телефонная станция (АТС) – комплекс устройств, на котором заканчивается множество абонентских линий и который может связать линии между собой или осуществить передвижение сигнала между линиями. Коммутация на АТС означает временную связь между телефонными аппаратами, компьютерами или устройствами, которая устанавливается набором номера.
Рис.8.1. Место станций коммутации в обобщенной схеме системы электросвязи
В рассмотренной выше схеме передатчик и приемник могут рассматриваться как станции коммутации. В качестве линий передачи выступают двухпроводные соединительные линии между станциями. Станции коммутации являются обязательным элементом простейшей телекоммуникационной сети, рассмотренной ниже.
Простейшая телекоммуникационная сеть
Лицо, пользующееся услугами связи, называется абонентом. Для выхода на связь абонент пользуется своим абонентским устройством (телефонным аппаратом, компьютером или телевизором).
Для передачи информации от одного абонентского устройства сети к другому требуется установить соединение через соответствующее устройство. Это устройство называется станцией коммутации. Абонент идентифицирует требуемое соединение с помощью набора номера, который передается через абонентскую линию в станцию коммутации. Набранный номер содержит контрольную информацию о звонке и маршруте для установления соединений.
В принципе все телефонные аппараты можно соединять кабелями по правилу: «каждый с каждым», как это было на заре телефонии. Однако когда число телефонных аппаратов растет, то оператор вскоре замечает, что приходится часто коммутировать сигналы с одной пары проводов на другую. Очевидно, что, построив станцию коммутации в центре района массового проживания абонентов, можно значительно сократить общую длину проводов. Совсем немного проводов требуется и между районными станциями, т.к. число одновременно происходящих звонков во много раз меньше числа абонентов, см. рис. 8.2. Первые станции коммутации были ручными, коммутации делались на щите переключений.
Рис. 8.2. Простейшая телекоммуникационная сеть.
Телефонные аппараты абонентов были соединены со станциями коммутации с помощью абонентских линий, каждая из которых представляет собой пару проводов. В свою очередь станции коммутации, находящиеся на территории одного города (населенного пункта), были соединены соединительными линиями (СЛ), каждая из которых представляет собой пару проводов.
Строунджер предложил первую автоматическую станцию коммутации в 1887 году. С этого времени управление коммутацией осуществляется абонентами с помощью набора номера. Много десятилетий станции коммутации были комплексами электромеханических реле, но в последние несколько десятилетий они развились в цифровые системы коммутации с программным управлением. Современные станции имеют очень большую емкость – десятки тысяч абонентов, и тысячи из них одновременно производят звонки в час пик.
Если станции коммутации находятся в разных городах, то они соединяются линиями связи, каждая из которых содержит несколько десятков каналов связи.
Совокупность линейных и станционных средств, предназначенных для соединения двух конечных абонентских устройств, называется соединительным трактом. Число коммутационных узлов и линий связи в соединительном тракте зависит от структуры сети и направления соединения.
Структура станции коммутации
Станция коммутации представляет собой устройство, предназначенное для установления, поддержания и разъединения соединений (абонентов).
Для выполнения своих функций станция коммутации должна иметь, рис. 8.3:
· коммутационное поле (КП), состоящее из коммутаторов и предназначенное для соединения входящих и исходящих линий (каналов) на время передачи информации;
· управляющее устройство (УУ), обеспечивающее установление соединения между входящими и исходящими линиями через коммутационное поле, а также прием и передачу управляющей информации.
Рис.8.3. Основные составляющие станции коммутации
Основой станции коммутации является коммутационное поле, которое состоит из элементов коммутации, точек коммутации и коммутаторов.
Элемент коммутации – простейший ключ, который может с помощью управляющего устройства замыкаться и размыкаться. Ключом может быть металлический контакт или полупроводниковый переключатель.
Коммутатор – коммутационная схема с n входами и m выходами. В каждой точке пересечения входа с выходом должен быть предусмотрена точка коммутации. На схеме входы представлены горизонтальными, а выходы вертикальными линиями.
Кроме того, на станции имеются источники электропитания, устройства сигнализации и учета параметров нагрузки (количества сообщений, потерь, длительности занятия и др.).
В некоторых случаях станция коммутации может иметь устройства приема и хранения информации, если таковая передается не непосредственно потребителю информации, а предварительно накапливается на узле. Такие узлы применяются в системах коммутации сообщений.
Рис. 8.4. Элементы коммутации, точки коммутации и коммутаторы
Главная задача телефонной станции коммутации построить соединительный тракт между абонентом А, который инициирует звонок, и абонентом Б,
соответственно информации, содержащейся в набранном номере.
Построенный разговорный тракт должен сохраняться вплоть до сигнала отбоя. Этот принцип называется коммутацией каналов в отличие от коммутации пакетов, которая часто используется в компьютерных сетях.
В прошлом коммутационное поле было электромеханическим и контролировалось импульсами с телефона. Позднее, контрольные функции были интегрированы в общий блок контроля. В настоящее время общий блок контроля представляет собой эффективный и надежный компьютер или микропроцессор со значительным программным обеспечением, работающим в режиме реального времени. Станция с таким обеспечением называют станциями коммутации с программным контролем, см. рис.8.5.
Каждая станция коммутации организует соединение между абонентами А и Б в соответствии сигнальной информацией, которую получает от абонента или от предыдущей станции. Если эта станция не является учрежденческой, то она передает сигнальную информацию к ближайшей станции чтобы строить разговорный тракт далее.
Рис. 8.5 Станция коммутации с программным контролем
На заре телефонии коммутаторы или станции коммутаций были локализованы в центре района обслуживания и производили соединения для абонентов этого района. Однако и по сей день станции коммутации принято рассматривать как центральные службы.
Когда телефонная плотность выросла, и появился спрос на разговорные тракты большой длины, появилась необходимость связывать соединительными линиями центральные станции. С дальнейшим ростом телефонного обмена потребовалось уже связывать новые коммутаторы с центральными станциями, появился второй уровень коммутации, включающий в себя транзитные коммутаторы. В настоящий момент сети имеют несколько уровней коммутации.
Формы, наименования и число уровней иерархии коммутаций разнятся от страны к стране. Рис. 8.6 показывает пример возможной иерархии коммутируемой сети.
Иерархическая структура сети помогает оператору управлять сетью и сделать прозрачными основные принципы маршрутизации звонков. Звонок направляется каждой станцией вверх по иерархии, если пункт назначения не локализован по уровню ниже этой станции. Структура телефонного номера поддерживает этот простой принцип маршрутизации вверх и вниз по уровням иерархии.
Телекоммуникационные станции. Коммутационные поля и типы управления
Общие сведения о телекоммуникационных станциях
В данном разделе будут в основном рассмотрены станции, предназначенные для работы в телефонных сетях. Эти вопросы составляют основу телекоммуникации и изучались многие десятилетия. Существует ряд учебников ([1], [28], [35], [17]), которые являются базовыми при изучении данного материала, несмотря на то, что в настоящее время многие вопросы, изложенные в указанной литературе, необходимо адаптировать к современной технике. Развитие телекоммуникационной техники привело к интеграции, охватившей сначала сети информации (например, сети передачи речи и передачи данных), а потом соответствующие услуги. Вследствие набирающих силу интеграционных процессов ограничиться рассмотрением только задач передачи речи невозможно, поэтому будут рассмотрены и другие принципы коммутации и обработки информации. Основные принципы построения коммутационных станций не зависят от того, на какой базе (механические элементы или компьютерная техника) выполняются станции. Как мы увидим дальше, решения по построению станций диктуются в первую очередь экономическими и техническими требованиями, порождая таким образом возможность осуществлять новые услуги для абонентов.
Сегодня мы можем наблюдать большое разнообразие как телефонных станций, так и коммутационных узлов обработки информации. Однако все они содержат определенные группы устройств (рис. 1.1).
Рассмотрим задачи, выполняемые каждой из частей станции.
Коммутационное поле решает задачи соединения двух или нескольких источников между собой. На первых этапах внедрения телефонной техники эту роль играли электромеханические устройства на базе электромагнитных элементов. Эти базовые элементы определили названия для первых коммутационных систем:
С появлением микроэлементной базы и развитием электронной вычислительной техники был разработан целый комплекс цифровых систем передачи и соответствующих цифровых систем коммутации. В настоящее время все больше задач коммутации выполняется совместно с задачами управления. Повышение быстродействия позволяет совместить эти задачи и тем самым приводит к дальнейшему прогрессу техники коммутации информации.
Общая структурная схема современной станции с программным управлением (рис. 1.1) включает также:
Рассмотрим более подробно структуру построения станций на примере телефонных станций. Особенности построения других объектов коммутации информации будут проанализированы отдельно.
Типы построения коммутационного поля
Однозвенное коммутационное поле
Для наиболее простого типа коммутационного поля — полнодоступного коммутационного поля — характерно, что каждый источник, включенный в его вход, может быть соединен с источником, включенным в выход.
Такой тип коммутационного поля применялся в станциях очень малой емкости (до 50 номеров и меньше). Но в последнее время прогресс элементной базы расширяет возможности его применения.
Предварительно можно сказать, что сейчас коммутаторы информационных сетей работают по однозвенному принципу, но постепенно современные коммутаторы, даже на базе программных маршрутизаторов, переходят к многозвенным схемам.
На рис. 1.2 приведено построение условной схемы коммутатора. На каждом пересечении горизонтали и вертикали коммутатора условно показан контакт, для простоты — механический.
Физический принцип реализации такого контакта может быть любым, в том числе и программно-адресным.
Такие полнодоступные принципы построения коммутационного поля не нашли широкого применения из-за их неэкономичности для станций большой емкости. Только в последнее время в связи с уменьшением габаритов и удешевлением микросхем, реализующих коммутаторы, стало возможным применять этот принцип для построения станций достаточно большой емкости (более 2000 входов/выходов). Но современные станции часто имеют большие емкости, до 300000 входов и 100000 выходов. В этом случае такая матрица просто не может быть выполнена, учитывая ее реальную цену и габариты.
В последнее время во многих важных приложениях для коммутации применяются программные способы, которые выполняются на компьютерах.
Эти способы коммутации эквивалентны способу с применением полнодоступной схемы. Но при больших емкостях один компьютер не может обеспечить обслуживание поступающих потоков вызовов ни по быстродействию, ни по объемам памяти. Поэтому на программном уровне требуется поиск решений, эквивалентных многозвенной коммутации.
Двухзвенные и многозвенные схемы коммутации
При большом числе пользователей более эффективны схемы коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 1.3 приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения областей применения сравним предыдущую и последующую схемы по числу требуемых точек коммутации.
На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:
Пусть необходимо коммутировать N входов с M выходами. Тогда будут соблюдаться следующие условия: для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно NM ;
Однако r (число коммутаторов звена A ) зависит от требуемого общего числа входов N и составляет
В то же время m/f (число коммутаторов звена B ) зависит от требуемого общего числа выходов M :
Тем самым определяется условие: чтобы многозвенная коммутационная схема была более эффективна, чем однозвенная, число коммутационных точек в ней должно быть меньше, чем в полнодоступной:
Такое условие выполняется для всех реальных задач. Число выходов матриц, которые имеются к настоящему времени, для малых станций (от 100-500 входов и того же диапазона выходов) варьируется от 4 до 8, а для больших емкостей (4000-300000 входов и выходов) встречаются матрицы по 512 выходов.
Из приведенных выше 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 (см., например, рис. 1.4).
Приведенная на рис. 1.4 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 Internet). В среднем они используются в час на 10-15%. Для межстанционных линий, стоимость которых очень высока, необходимо увеличить интенсивность использования и тем самым снизить требования по числу линий, выделяемых для заданной группы абонентов. Поэтому для включения абонентских линий применяются специальные схемы с концентрацией (рис. 1.5).
Для создания концентрации применяются матрицы, которые имеют число входов большее, чем число выходов. Это может достигаться конструктивно или путем запараллеливания выходов (рис. 1.5). В цифровых системах коммутации широко применяются варианты, когда концентрация путем запараллеливания делается на абонентских (терминальных) комплектах, что вносит дополнительные удобства. При рассмотрении вопросов построения терминальных комплектов будут рассмотрены и такие варианты.
Телекоммуникационные станции. Коммутационные поля и типы управления
Общие сведения о телекоммуникационных станциях
В данном разделе будут в основном рассмотрены станции, предназначенные для работы в телефонных сетях. Эти вопросы составляют основу телекоммуникации и изучались многие десятилетия. Существует ряд учебников ([1], [28], [35], [17]), которые являются базовыми при изучении данного материала, несмотря на то, что в настоящее время многие вопросы, изложенные в указанной литературе, необходимо адаптировать к современной технике. Развитие телекоммуникационной техники привело к интеграции, охватившей сначала сети информации (например, сети передачи речи и передачи данных), а потом соответствующие услуги. Вследствие набирающих силу интеграционных процессов ограничиться рассмотрением только задач передачи речи невозможно, поэтому будут рассмотрены и другие принципы коммутации и обработки информации. Основные принципы построения коммутационных станций не зависят от того, на какой базе (механические элементы или компьютерная техника) выполняются станции. Как мы увидим дальше, решения по построению станций диктуются в первую очередь экономическими и техническими требованиями, порождая таким образом возможность осуществлять новые услуги для абонентов.
Сегодня мы можем наблюдать большое разнообразие как телефонных станций, так и коммутационных узлов обработки информации. Однако все они содержат определенные группы устройств (рис. 1.1).
Рассмотрим задачи, выполняемые каждой из частей станции.
Коммутационное поле решает задачи соединения двух или нескольких источников между собой. На первых этапах внедрения телефонной техники эту роль играли электромеханические устройства на базе электромагнитных элементов. Эти базовые элементы определили названия для первых коммутационных систем:
С появлением микроэлементной базы и развитием электронной вычислительной техники был разработан целый комплекс цифровых систем передачи и соответствующих цифровых систем коммутации. В настоящее время все больше задач коммутации выполняется совместно с задачами управления. Повышение быстродействия позволяет совместить эти задачи и тем самым приводит к дальнейшему прогрессу техники коммутации информации.
Общая структурная схема современной станции с программным управлением (рис. 1.1) включает также:
Рассмотрим более подробно структуру построения станций на примере телефонных станций. Особенности построения других объектов коммутации информации будут проанализированы отдельно.
Типы построения коммутационного поля
Однозвенное коммутационное поле
Для наиболее простого типа коммутационного поля — полнодоступного коммутационного поля — характерно, что каждый источник, включенный в его вход, может быть соединен с источником, включенным в выход.
Такой тип коммутационного поля применялся в станциях очень малой емкости (до 50 номеров и меньше). Но в последнее время прогресс элементной базы расширяет возможности его применения.
Предварительно можно сказать, что сейчас коммутаторы информационных сетей работают по однозвенному принципу, но постепенно современные коммутаторы, даже на базе программных маршрутизаторов, переходят к многозвенным схемам.
На рис. 1.2 приведено построение условной схемы коммутатора. На каждом пересечении горизонтали и вертикали коммутатора условно показан контакт, для простоты — механический.
Физический принцип реализации такого контакта может быть любым, в том числе и программно-адресным.
Такие полнодоступные принципы построения коммутационного поля не нашли широкого применения из-за их неэкономичности для станций большой емкости. Только в последнее время в связи с уменьшением габаритов и удешевлением микросхем, реализующих коммутаторы, стало возможным применять этот принцип для построения станций достаточно большой емкости (более 2000 входов/выходов). Но современные станции часто имеют большие емкости, до 300000 входов и 100000 выходов. В этом случае такая матрица просто не может быть выполнена, учитывая ее реальную цену и габариты.
В последнее время во многих важных приложениях для коммутации применяются программные способы, которые выполняются на компьютерах.
Эти способы коммутации эквивалентны способу с применением полнодоступной схемы. Но при больших емкостях один компьютер не может обеспечить обслуживание поступающих потоков вызовов ни по быстродействию, ни по объемам памяти. Поэтому на программном уровне требуется поиск решений, эквивалентных многозвенной коммутации.
Двухзвенные и многозвенные схемы коммутации
При большом числе пользователей более эффективны схемы коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 1.3 приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения областей применения сравним предыдущую и последующую схемы по числу требуемых точек коммутации.
На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:
Пусть необходимо коммутировать N входов с M выходами. Тогда будут соблюдаться следующие условия: для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно NM ;
Однако r (число коммутаторов звена A ) зависит от требуемого общего числа входов N и составляет
В то же время m/f (число коммутаторов звена B ) зависит от требуемого общего числа выходов M :
Тем самым определяется условие: чтобы многозвенная коммутационная схема была более эффективна, чем однозвенная, число коммутационных точек в ней должно быть меньше, чем в полнодоступной:
Такое условие выполняется для всех реальных задач. Число выходов матриц, которые имеются к настоящему времени, для малых станций (от 100-500 входов и того же диапазона выходов) варьируется от 4 до 8, а для больших емкостей (4000-300000 входов и выходов) встречаются матрицы по 512 выходов.
Из приведенных выше 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 (см., например, рис. 1.4).
Приведенная на рис. 1.4 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 Internet). В среднем они используются в час на 10-15%. Для межстанционных линий, стоимость которых очень высока, необходимо увеличить интенсивность использования и тем самым снизить требования по числу линий, выделяемых для заданной группы абонентов. Поэтому для включения абонентских линий применяются специальные схемы с концентрацией (рис. 1.5).
Для создания концентрации применяются матрицы, которые имеют число входов большее, чем число выходов. Это может достигаться конструктивно или путем запараллеливания выходов (рис. 1.5). В цифровых системах коммутации широко применяются варианты, когда концентрация путем запараллеливания делается на абонентских (терминальных) комплектах, что вносит дополнительные удобства. При рассмотрении вопросов построения терминальных комплектов будут рассмотрены и такие варианты.