Виды цифровой коммутации

ПРИНЦИПЫ ЦИФРОВОЙ КОММУТАЦИИ

Задачей системы коммутации является создание требуемого пути (в телекоммуникациях - информационного тракта) между двумя любыми оконечными устройствами.

Коммутацией называется установление по заявке индивидуального соединения заданного входа системы с заданным ее выходом на время, необходимое для передачи информации между ними.

В зависимости от формы представления передаваемой через систему информации различают коммутацию цифровую и аналоговую.

Цифровой коммутацией называется процесс, при котором соединения между вводом и выводом системы устанавливаются с помощью операций над цифровым сигналом без преобразования его в аналоговый сигнал.

Довгострокова та оперативна комутація. В залежності від терміну утримання з’єднання розрізняють комутацію довгострокову (кросову) та оперативну.

Довгостроковою або кросовою комутацією називається така комутація, при якій встановлюється постійне з'єднання цілодобово чи з великим інтервалом часу.

При оперативній комутації з'єднання встановлюється на час передачі повідомлення між абонентами. При цьому, процеси встановлення та руйнування з’єднання ініціалізуються безпосередньо абонентами.

Различают два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в узлы коммутации каналов с соответствующими адресу исходящими каналами.

При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в узлы коммутации каналов сначала записываются в запоминающем устройстве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.

Необходимость в соединении с накоплением возникает в силу разных причин. Главной из них является то, что в момент прихода сигнала по входящему в узел коммутации каналу, требуемый исходящий канал может оказаться занятым передачей информации от другого источника. В таком случае возникают альтернативные решения: первое - уведомить источник сообщений о невозможности установления требуемого соединения в данный момент, второе - запомнить входящее сообщение и передать его в исходящий канал после его освобождения от передачи предыдущего сообщения. Заметим, что системы, построенные по первому принципу, получили название систем с отказами, а построенные по второму принципу - систем с ожиданием.

Коммутация каналов. Принцип непосредственного соединения реализуется в системе с коммутацией каналов. Под коммутацией каналов понимается совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего через узлы коммутации оконечные устройства.

При этом выражение «соединение каналов» следует понимать не только в смысле физического соединения, но и более широко - как занятие, резервирование средств передачи и коммутации для пары взаимодействующих абонентов во время сеанса связи.

При роботі в режимі комутації каналів перед початком взаємодії потрібно виконати ряд попередніх процедур, пов'язаних зі створенням наскрізного каналу. Для цього абонентська система - ініціатор взаємодії - повинна сформувати і надіслати найближчому комутаторові запит на прокладку крізь комунікаційну підмережу необхідного каналу. Після утворення наскрізного каналу дві абонентські системи (тільки дві) використовують його під час усього сеансу взаємодії. Таким образом, при коммутации каналов сначала организуется сквозной канал передачи сообщений между взаимодействующими абонентами через узлы коммутации, а затем осуществляется передача сообщений.

До тех пор пока взаимосвязанные абоненты не сообщат о своем решении ликвидировать установленное соединение, выделенные ресурсы сети находятся в их монопольном владении независимо от того, используются ли они в данный момент или нет.

В сети с коммутацией каналов процесс передачи состоит из следующих операций (рис. 1.1):

- абонент А посылает по абонентской линии в узел коммутации каналов заявку на соединение с абонентом В, содержащую условный адрес вызываемого абонента;

- узел коммутации по полученной заявке осуществляет соединение абонентской линии абонента А с абонентской линией абонента В, если абоненты принадлежат одному узлу коммутации, или соединительной линией между узлами, к которым принадлежат абоненты (сквозной канал может быть организован через несколько промежуточных узлов коммутации, где осуществляется аналогичная коммутация);

- после организации сквозного канала связи абонент В получает из узла коммутации каналов сигнал вызова, а абонент А - сигнал контроля посылки вызова;

- происходит передача информации между абонентами, при этом обмен реализуется как правило двусторонний;

- после завершения сеанса передачи информации и получения от абонента сигнала отбоя узел коммутации разрушает ранее установленные соединения каналов.

Рис. 1.1. Сеть связи с коммутацией каналов

При отсутствии свободного канала либо его неисправности на любом из участков в заданном направлении или отсутствии свободных станционных устройств в узле коммутации соединение абонентов не может быть установлено и узел коммутации посылает абоненту В сигнал отказа в обслуживании (сигнал занятости). Для установления соединения абонент В должен повторить заявку на соединение. Такой способ обслуживания, при котором вызов (заявка на соединение), поступивший в момент отсутствия свободных линий, или станционных устройств, получает отказ (теряется), называется обслуживанием с потерями.

Коммутация каналов имеет определенное достоинство, связанное с тем, что после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время независимо от нагрузки, поступающей от других абонентов. Кроме того, передача осуществляются с фиксированной задержкой, т.е. может быть реализован режим передачи в реальном масштабе времени.

Однако этот метод имеет и недостатки, главным из которых является плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами сообщений наблюдаются длительные паузы.

Для повышения эффективности использования пропускной способности каналов был разработан метод коммутации с накоплением, при котором пропускная способность сети не закрепляется на все время сеанса связи двух абонентов, а представляется им лишь по мере необходимости при появлении у них сообщений для передачи.

Коммутацией с накоплением называется совокупность операций при приеме на узле коммутации сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресом.

В этом случае все абоненты имеют постоянную связь с узлом коммутации и передают на него информацию, которая поэтапно передается через узлы коммутации другим абонентам, причем в случае занятости исходящих каналов информация запоминается в узлах коммутации и передается по мере освобождения каналов в нужном направлении. Известны две разновидности коммутации с накоплением: коммутация сообщений и коммутация пакетов.

Коммутация сообщений. При коммутации сообщений каждое сообщение перед его передачей снабжается заголовком, в котором указывается адрес, необходимый для доставки сообщения узлу назначения.

В сети с коммутацией сообщений (см. рис. 1.1) процесс передачи следующий:

- вызывающий абонент А передает в узел коммутации подлежащее передаче сообщение вместе с условным адресом абонента В;

- в узле коммутации сообщение запоминается и по его адресу определяется канал, по которому оно должно быть передано;

- если канал к соседнему узлу коммутации свободен, то сообщение немедленно передается на соседний узел коммутации, в котором повторяется та же операция;

- если канал к соседнему узлу коммутации занят, то сообщение хранится в устройствах памяти вплоть до освобождения канала;

- хранящиеся сообщения устанавливаются в очередь по направлениям передачи с учетом категории срочности.

Такой способ обслуживания, при котором заявка, поступившая в момент отсутствия свободных линий или приборов, ожидает их освобождения, называется обслуживанием с ожиданием.

Застосування принципу переприйому повідомлень дозволяє реалізувати динамічний метод розподілу ресурсів мережі. Тепер обсяг устаткування, на відміну від мереж із комутацією каналів, не повинен визначатися з розрахунку обслуговування максимального навантаження.

Повідомлення, що надійшли в години найбільшого навантаження і не передані користувачеві, розміщаються в нагромаджувачах вузла комутації і передаються в період часу, коли навантаження спадає. Разом з тим, мережа з комутацією пакетів має дуже істотний недолік, обумовлений саме принципом переприйому: час затримки в мережах із комутацією пакетів є величиною змінною і носить випадковий характер. На тривалість затримки впливають такі основні фактори: пропускна спроможність каналів, швидкодія вузла комутації (характеристики детерміновані) і інтенсивність потоку повідомлень, що надходить у мережу (величина випадкова). Другий недолік мережі з комутацією пакетів - неможливість організації діалогу між користувачами через відсутність прямого з'єднання між абонентськими пристроями.

Зазначені недоліки мереж з комутацією повідомлень відсутні в мережах з комутацією пакетів.

Коммутация пакетов. Метод коммутации пакетов (рис. 9.15) по своей идеологии совпадает с методом коммутации сообщений и отличается лишь тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части - пакеты.

Пакеты поступают в сеть без предварительного резервирования линий связи и не с фиксированной наперед заданной скоростью, как это делается в сетях с коммутацией каналов, а в том темпе, в котором их генерирует источник (асинхронное или статистическое мультиплексирование), что позволяет в любой момент времени предоставить абоненту требуемую полосу пропускания цифрового тракта (при условии ее наличия). Предполагается, что сеть с коммутацией пакетов в отличие от сети с коммутацией каналов всегда готова принять пакет от конечного узла.

Проте комутація пакетів не забезпечує доставки послідовностей блоків даних у точно визначений час. Тому використання цього способу у випадках, коли цей час потрібно гарантувати, виявилося неможливим або дуже складним.

Між іншим, при використанні комутації пакетів у режимі діалогу забезпечується передавання не тільки даних, але й мови, хоча з деякими труднощами. Труднощі пов'язані з тим, що мова "упаковується" у послідовності блоків даних, інтервали часу між якими через затримки в мережі при прийомі не повинні перевищувати визначених меж.

Зауважимо, що, передаючи мову, можна використовувати її надмірність в інформативному відношенні. Завдяки цьому частина запізнілих блоків даних може бути викинута без істотних перекручувань мови. Так, дослідження показали, що при втраті до 10 % блоків розмова усе ще має прийнятну якість.

Випадковий час доставки блоків даних є недоліком методу комутації пакетів. Однак економічні переваги розглянутого методу змушують шукати шляхи розширення області його використання. Цьому сприяє постійне збільшення швидкостей обробки блоків даних у маршрутизаторах і створення фізичних засобів з'єднання, завантажуваних в середньому не більше ніж на 2/3 їх теоретичної пропускної спроможності.

Досвід і розрахунки показують, що економічно вигідно одними і тими ж каналами передавати будь-яку інформацію - і ту, яка вимагає визначеного часу доставки, і ту, яка допускає появу випадкових величин запізнювання.

У табл. 2.1 наведено для порівняння основні характеристики мереж з різними способами комутації.

Однокоординатная и многокоординатная коммутация. Рассмотрим понятия координаты коммутации. Как известно, электрические сигналы характеризуются совокупностью своих параметров: амплитудой , частотой , фазой , временем существования , а в многоканальных системах существенную роль приобретает такой параметр как пространство существования сигнала имеющее смысл номера канала .

Используя данное обстоятельство, мгновенное значение сигнала , можно представить в виде точки многомерного пространства (рис. 4.1). Тогда сущность процесса коммутации заключается в изменении разделительного признака (координаты коммутации), под которым будем понимать параметр сигнала , по которому происходит разделение соединительных путей между входом и выходом системы коммутации на некотором фиксированном значении . Предполагается, что величина обеспечивает линейную независимость сигналов по каждому из параметров.

Таким образом, однокоординатной называется коммутация, при которой соединительные пути в системе отделены друг от друга по одному разделительному признаку. Если для осуществления коммутации используется две и более координаты, то говорят о многокоординатной коммутации.

Очевидно, что число координат коммутации определяется числом изменяемых параметров сигнала:

- амплитудная коммутация ;

- временная коммутация ;

- частотная коммутация ;

- фазовая коммутация ;

- пространственная коммутация .

Из перечисленных методов коммутации в настоящее время наибольшее распространение получили пространственная и временная коммутация (однокоординатная коммутация) и пространственно-временная коммутация (многокоординатная коммутация).

Сущность метода пространственной коммутации заключается в изменении пространственной координаты электрического сигнала (рис. 1.1), а метода временной коммутации – в изменении временной координаты электрического сигнала (рис. 1.1). Пространственно-временная коммутация является комбинацией двух рассмотренных методов.