Сети связи и системы коммутации

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

201

6.2.2. Ступени искания

Понятие «ступени коммутации», которое предоставляет одну точку коммутации в соединительном пути, нужно отличать от понятия «ступени искания», которое относится к процессу управления выбором путей установления соединений. Ступень искания представляет собой каскад ступеней коммутации, выполняющий конкретную функцию искания соединительного пути [46]. Обычно коммутационные поля АТС содержат ступени абонентского (АИ), или линейного, и группового искания (ГИ).

Âступень абонентского искания включаются абонентские линии. При исходящем вызове (от абонента) задача этой ступени состоит в том, чтобы подключить линию вызывающего абонента к любому свободному выходу, ведущему к ступени группового искания. При входящем вызове (к абоненту) эта ступень должна найти линию конкретного абонента и подключить к ней тот конкретный выход ступени, на котором оказался вызов, поступивший из ступени группового искания.

Âгрупповую ступень искания включаются промежуточные линии от ступени абонентского искания, и в соответствии с поступившими вызовами она должна коммутировать эти линии по нужным группам путей, ведущим

êвызываемым линиям.

Таким образом, среди процессов управления коммутацией можно выделить три этапа искания:

•на первом этапе происходит свободное искание (или предыскание), при котором вызов коммутируется к любому свободному выходу, от которого

èпродолжится процесс искания;

•на втором этапе происходит групповое искание, на котором выбирается произвольная линия в нужной группе;

•на третьем этапе осуществляется линейное искание, задачей которого является выбор конкретной линии, являющейся адресатом вызова.

Структура коммутационных полей от декадно-шаговых до электронных АТС претерпела коренные изменения, однако изложенная последовательность этапов искания в той или иной форме сохранилась во многих системах.

Рассмотрим структуру коммутационных блоков и ступеней искания в координатных (АТСК) и квазиэлектронных системах АТС (АТСКщ).

6.2.3. Коммутационные приборы и их условные обозначения

Приборы автоматической коммутации в соответствии с их структурными параметрами можно разделить на четыре вида [29, c. 26]: реле, искатели, многократные соединители и соединители (рис. 6.9). Схематические изображения перечисленных приборов показаны на рисунках 6.9,à,ã,æ,ê. Условные изображения в координатном начертании показаны на рис. 6.9,á,ä,ç,ë в символическом начертании — на рис. 6.9, â,å,è,ì. Коммутационный прибор, имеющий один вход и один выход, два устойчивых состояния и переходящий из одного состояния в другое под действием сигнала R, поступающего из устройства управления, называется ðåëå. При однородной l-проводной коммутации в одном состоянии реле разрываются соединения между всеми l проводами входа и выхода, а в другом — между входом и выходом устанавливается l-проводное соединение. При неоднородной коммутации в одном состоянии реле отсутствует соединение между i проводами входа и выхода

202	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

(при наличии (l−i)-проводного соединения между ними). В другом состоянии, наоборот, устанавливается i-проводное соединение (0 < i < l) и разрывается (l− i)-проводная связь между входом и выходом реле.

Коммутационный прибор с одним входом и m выходами, обеспечивающий выбор одного из m выходов и подключение к нему входа, называется искателем (ðèñ. 6.9,ã). Искатели характеризуются числом выходов m ïðè m > 2 и проводностью l ïðè l = 1.

	l	0	(l–i)			1
		1
1	Ðåëå		(i)	1
	R
	à	l			á
			1
		l			1 2	m
	l		2
1	Искатель			1
		l
			m		ä
	R
	ã
		l			1 2	m
	l		1
				1
1		l	m		1 2	m
	R1			2
	Многократ-
	ный соеди-
	нитель
	l	l	1		1 2	m
n		l
			m	n
	Rn				ç
	æ				1 2	m
			1	1
1
	Соедини-
				2
	òåëü
n
			m
				n
	R
	ê				ë

1 1

â

1 1 2 m

å

1 1 2 m

2 1 2 m

n 1 2 m

è

1 2 n 1 m

ì

Рис. 6.9 — Коммутационные приборы и их условные обозначения

Многократным соединителем называется прибор, представляющий собой конструктивное объединение n устройств, каждое из которых имеет один вход и m выходов (рис. 6.9,æ).

Соединителем называется коммутационный прибор (рис. 6.9,ê), имеющий n входов и m выходов, в котором может быть установлено соединение

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

203

любого из n входов с любым из m выходов, причем одновременно может быть установлено m соединений, если n = m, èëè n соединений, если n<m.

К приборам автоматической коммутации предъявляют ряд требований. Они должны обладать высоким коммутационным коэффициентом, большой проводностью, высокой чувствительностью и малым временем действия, стабильностью, надежностью и долговечностью работы, малой стоимостью. Под высоким коммутационным коэффициентом понимают отношение Êê = Rðàç Rçàì , ãäå Rðàç è Rçàì — сопротивление между входом и выходом КП в состоянии размыкания и замыкания соответственно.

6.2.3. Структуры коммутационного поля

Основная задача коммутационного поля — предоставление соединения между любой из линий, включенной на его входе, с любой линией на выходе. Простейшим и наиболее очевидным решением задачи такого соединения является структура в виде системы пересекающихся шин, в которой в каждой точке пересечения может быть замкнут электрический контакт. Такую структуру (соединитель, рис. 6.9) имеет коммутационное поле квазиэлектронных АТС. Число входов в таких соединителях кратно двум: 4Ч4, 8Ч8, 16Ч8 и т.д., что удобно при работе с управляющими устройствами, использующими дво- ичный код.

Существует два подхода к построению коммутационных систем (разделенного и неразделенного типа). В первом случае различаются входы и выходы коммутационного поля, причем разрешено соединять только входы с выходами, а соединения внутри групп входов или выходов запрещены. Во втором случае разделение полюсов коммутационного поля на группы входов и выходов отсутствует и разрешается соединение между любыми полюсами.

В коммутационном блоке включение выходов по отношению ко входам может быть полнодоступным и неполнодоступным (рис. 6.10). Полнодоступным включением называется включение, при котором любой вход блока можно соединить с любым свободным выходом. Если вход можно соединить только с d èç n выходов, такой блок носит название неполнодоступного с доступностью, равной d.

N входов

		1
		2
	Входы	3
		4
		5
		6
		7
		8

M выходов	1	2	3	4
	Выходы
à		á

Рис. 6.10 — Прямоугольное коммутационное поле: à — полнодоступное; á — неполнодоступное

Для соединения между входом и выходом требуется всего одна точка коммутации. Хотя здесь и дальше все рассматриваемые схемы даются

204	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

в однопроводном изображении, фактически под точкой коммутации обычно имеют в виду целую группу контактов, выполняющих одновременное переключение нескольких проводов сложных электрических цепей, например 2- или 4-проводных.

Для установления соединений внутри группы абонентов необходимо, чтобы каждая линия из группы могла быть соединена с любой другой из этой группы. На рис. 6.11,à [25, c. 243] приведена структура, которую можно использовать для взаимных соединений двухпроводных линий. Пунктирные линии здесь указывают на внешние соединения входов и выходов коммутационного поля. В коммутационном поле проключаются либо точка (i,j), ëèáî (j,i). Коммутационные системы для 4-проводных цепей (рис. 6.11,á) требуют установления раздельных соединений для прямой и обратной ветви цепи передачи.

Входы (выходы)

i

j

. . .

		1
		2
		3 .
		i	.
			.
			.
		Входы j
			.
			.
			.
			.
		n	.
					...		...		...
i	j		1	2 3		i		j		N

	à	Выходы
		á

Рис. 6.11 — Квадратные коммутационные поля: à — двухпроводное; á — четырехпроводное

Рассматриваемые схемы коммутатора носят название однозвенных. Наряду с достоинствами очевидны и их недостатки. Прежде всего, с ростом числа коммутируемых линий быстро увеличивается количество точек коммутации, хотя их использование остается довольно небольшим. При наличии N входов и N выходов общее число точек коммутации составит N(N−1), тогда как максимальное число точек, одновременно используемых в соединениях при 100-процентной занятости коммутатора, составит всего N. Кроме того, конструкция коммутатора не очень хороша с точки зрения надежности: выход из строя какой-нибудь одной точки коммутации означает, что одна из

конкретных пар «вход — выход» ли-

Y1

шается возможности связи.

X1

Z1

n

Многозвенные коммутационные

n

схемы позволяют использовать сово-

Y2

N купность точек коммутации для обра-

N

Xr

Zr

зования нескольких соединительных

n

n

Yk

путей через коммутационную схему.

Структурная схема трехзвенного ком-

мутатора показана на рис. 6.12 [46].

Расширение

Концентрация

Входы и выходы коммутатора

разбиты на r групп по n входов (вы-

Рис. 6.12 — Трехзвенная

ходов) в каждой (N = rn). В результате

коммутационная схема

вместо одного коммутатора емкостью

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

205

N×N на входе схемы получатся r коммутаторов n×k, а на выходе — r коммутаторов k×n. На рис. 6.12 показан вариант с расширением нагрузки на первом звене и сжатием (концентрацией) на втором. Для упрощения рисунка эти коммутаторы показаны не в виде пересекающихся шин, а в виде прямоугольников.

Упомянутые две группы коммутаторов, называемые соответственно первой и третьей ступенью коммутации и обозначенные Õ è Z, связываются между собой через вторую ступень коммутации Y, содержащую k коммутаторов размерами r×r. Число промежуточных линий, соединяющих каждый выход предыдущей ступени со входом последующей, называют связностью блока.

Нетрудно видеть, что в рассматриваемой трехзвенной схеме число возможных путей соединений равно количеству коммутаторов в центральном звене, что является несомненным достоинством схемы. Одновременно проясняется и недостаток многозвенной схемы, заключающийся в прохождении коммутируемых сигналов через ряд последовательно включенных точек коммутации (число таких точек равно числу звеньев в коммутаторе).

Однозвенная коммутационная схема является строго неблокирующейся, то есть соединение со свободным абонентом всегда может быть установлено путем выбора определенных точек коммутации. Однако, если допускается совместное использование точек коммутации как в многозвенной схеме, то возникает возможность блокировки. Анализ необходимого числа коммутаторов в центральном звене трехзвенной коммутационной схемы, которое обеспечивает строгую неблокируемость коммутатора, провел сотрудник фирмы Bell Laboratories Ч. Клоз в 1953 г. Воспроизведем ход его рассуждений.

Пусть из n входов коммутатора Õ1 уже заняты какими-то соединениями (n−1) входов, а из n выходов коммутатора Z1 уже заняты какими-нибудь другими соединениями (n−1) выходов. В самом неблагоприятном случае может оказаться, что все упомянутые (2n−2) соединения проходят через разные коммутаторы второй ступени. В результате приходим к выводу, который можно рассматривать как строгое доказательство теоремы о том, что схема Клоза является полнодоступной и неблокирующей, если она содержит во второй ступени k = 2n−1 коммутаторов. Действительно, при наличии (2n−2) рассмотренных соединений с самым неблагоприятным расположением выбранных путей (когда все эти соединения проходят через разные коммутаторы второй ступени) найдется еще один коммутатор во второй ступени, через который можно будет соединить оставшийся свободным вход коммутатора Õ1 с единственным свободным выходом коммутатора Z1. Таким образом, в первой и третьей ступенях коммутации потребуются не квадратные, а прямоугольные коммутаторы n×(2n−1), которые расширяют коммутационную схему в ее средней части почти вдвое.

В этом случае говорят, что на первой ступени происходит процесс расширения, а на третьей — концентрации нагрузки. Минимальное число то- чек коммутации в рассмотренной схеме Клоза при k = 2n−1 может быть вы-

числено [25, c. 248] по формуле: Nx = 4N ( 2N − 1). Начиная приблизительно

ñ N, равного трем десяткам, схема Клоза будет содержать меньше точек коммутации, чем схема однозвенного коммутатора той же емкости. При увеличе- нии емкости коммутатора разница становится весьма ощутимой. Так, при N = 512 число точек коммутации в однозвенной схеме равно 261 632, в то время как в схеме Клоза оно равно 63 488.

206	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

Очевидно, что для установления соединения любого входа схемы с любым ее выходом при отсутствии других соединений может быть выбран любой из k = 2n−1 возможных путей соединений, что существенно повышает надежность схемы. Число же используемых точек коммутации в схеме при полной нагрузке станет равным 3N, так как в каждом соединении теперь участвуют по три точки.

Применение прямоугольных коммутаторов с использованием принципов расширения и концентрации ради исключения блокировок соединений

èполучения полнодоступности в практических схемах нередко признается излишним. Тогда используются квадратные коммутаторы емкостью n×n, что позволяет существенно сэкономить число точек коммутации. Схема (см. рис. 6.12), построенная из квадратных коммутаторов n×n во всех трех ступенях коммутации, сохраняет свойство полнодоступности, но лишь в так называемом режиме разовой коммутации, когда список всех N требуемых соединений задан заранее, и пути для них выбираются одновременно с учетом возможностей установления других соединений заданного списка.

Такие схемы находят применение в узлах кроссовой коммутации, которые служат для сезонных переключений пучков каналов, когда все соединения устанавливаются и прекращаются одновременно. При дальнейшем уменьшении размера коммутатора n и увеличении числа ступеней коммутации можно добиться дальнейшего снижения числа точек коммутации в схеме

èповышения эффективности их использования. В предельном случае n = 2 (т.е. при применении коммутаторов 2Ч2) число точек коммутации в схеме

становится пропорциональным N log2N, а коэффициент их использования при максимальной нагрузке приближается к 50 %. В самых современных системах коммутации на сетях с асинхронным методом передачи информации (ATM) находят применение именно такие схемы, в которых число ступеней коммутации значительно увеличивается.

6.2.4. Коммутационное поле АТСК

Основным коммутационным прибором координатных систем АТС является многократный координатный соединитель (МКС) (рис. 6.9,æ,ç,è). На рис. 6.13 показана схема двухзвенного коммутатора на 100 входов и 100 выходов, содержащего 20 МКС емкостью 10Ч10. Входы блока включены в вертикали МКС звена А (первого звена). Горизонтали у каждого из десяти МКС звена А соединены промежуточными линиями с вертикалями МКС звена В (второго звена). Выходы блока подключены к горизонталям звена В. Каждый МКС звеньев А и В образует коммутатор на десять входов и десять выходов. Возможны и другие виды двухзвенных схем, например схема с расширением, число выходов которой больше числа входов, или схема со сжатием, число выходов которой меньше числа входов. Расширение и сжатие могут осуществляться на каждом звене. Включение, показанное на рис. 6.13, называется схемой типа ВПВП (В — вертикаль, П — поле). Можно построить схемы типов ПВПВ, ПВВП, ВППВ. Схема на рис. 6.13 обеспечивает возможность подключения любого входа к любому выходу при отсутствии установленных ранее соединений. Если же в схеме произведено хотя бы одно соединение, например вход 1 соединен с выходом 1, то ни один из входов 2−10 не может соединиться ни с одним из выходов 2−10, так как между каждым коммутатором звеньев А и В имеется только одна промежуточная линия.

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

207

				Входы
1	2	3	4	5	6	7 8	9 10
								1
								2
								3
								4
								5
							I	6
I								7
								8

9

10

			11
			12
			13
			14
	II	II	15
			16
			17

18

19

20

Выходы

			91
			92
			93
			94
	X	X	95
			96

97

98

99

100

Звено Ä	Звено B
(первое звено)	(второе звено)

Рис. 6.13 — Коммутационный блок 100Ч100

208	В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации

Следовательно, выходы 2−10 оказались недоступными (заблокированными) для входов 2−10. Такое явление называют внутренними блокировками. Наиболее радикально внутренние блокировки уменьшаются применением трехзвенных и четырехзвенных схем, которые строятся аналогично двухзвенной с добавлением еще одного или двух звеньев. В таких схемах внутренние блокировки меньше, чем в двухзвенных, благодаря большому числу соединительных путей между каждым входом и выходом. Многообразие рассмотренных схем обеспечивает удовлетворение требований, которые предъявляются

êтой или иной ступени искания.

Âкоординатных АТС при установлении соединения используются ступени абонентского (АИ), группового (ГИ) и регистрового (РИ) исканий. Ступень абонентского искания выполняет объединенные функции ступеней предварительного и линейного исканий декадно-шаговых АТС. На этой ступени производятся как исходящее соединение от абонентов к свободным исходящим линиям, шнуровым комплектам (ШК), так и входящее соединение к требуемой абонентской линии. При исходящем соединении на ступени АИ осуществляется подключение линии вызывающего станцию абонента к любому свободному в данный момент шнуровому комплекту. Так как нагрузка, поступающая от каждой абонентской линии, мала, то задачу свободного искания наиболее экономично может выполнить двухзвенная схема со сжатием. При входящем соединении на ступени АИ отыскивается линия вызываемого абонента, т.е. имеет место вынужденное искание, при котором должна быть обеспечена высокая доступность при малых блокировках. щта задача может быть выполнена трехили четырехзвенной схемой с расширением.

Íà ðèñ. 6.14,à приведена функциональная схема трехзвенного блока АИ, применяемого в отечественных системах координатных АТС. Блок построен по типу ПВПВПВ, позволяет включать до 100 абонентских линий, имеет 20 исходящих и 20 входящих линий. В блоке используются МКС 20Ч10: звено Ä содержит три МКС, звено Â — два МКС и звено Ñ — îäèí ÌÊÑ.

100 A 60 B 20	C	20	80	A 120 B 400		120 A 60 B 40
20					Шнуровой		ÀÐ
à				á	комплект		â

Рис. 6.14 — Функциональные схемы блоков:

à— абонентское искание; á — групповое искание;

â— регистровое искание

На ступени группового искания вход, на который поступил вызов с предыдущей ступени искания, подключается к любому свободному выходу заданного направления, т.е. производятся вынужденное искание заданного направления и свободное искание в заданном направлении. Для свободного искания наиболее целесообразно использовать двухзвенную схему. Выбор же требуемого направления при вынужденном искании с минимальными блокировками может быть обеспечен применением схем расширения. Следовательно, для построения ступени ГИ наиболее экономичной является двухзвенная схема с расширением.

Íà ðèñ. 6.14,á приведена функциональная схема двухзвенного блока ГИ, применяемого в отечественных системах АТС. Блок построен на МКС 20Ч20: звено Ä содержит четыре МКС, звено Â — шесть. Блок, реализованный по

Глава 6. Принципы коммутации в сетях связи

209

принципу ВПВП, имеет 80 входов, 120 промежуточных линий и 400 выходов, которые делятся по направлениям.

Ступень регистрового искания предназначена для соединения шнуровых комплектов с регистрами, предназначенными для приема адресной информации от номеронабирателя телефонного аппарата абонента. На этой ступени осуществляется свободное искание. Следовательно, блок РИ строится двухзвенным.

Íà ðèñ. 6.14,â приведена функциональная схема двухзвенного блока РИ. Блок построен на МКС 20Ч10: звено Ä содержит три МКС, звено Â — два. Блок, реализованный по принципу ПВПВ, имеет 120 входов, 60 промежуточ- ных линий и 40 выходов.

При построении ступени АИ образуются абонентские группы. Если группы мелкие (100 линий), то применяют единый блок АИ. Так, в АТС К-100/2000 используется 100-номерной блок типа ПВПВПВ (см. рис. 6.14,à). В АТСК и АТСК-У применяют 1000-линейные абонентские группы. В этом случае ступень строится четырехзвенной, типа ПВПВПВПВ, состоящей из двух двухзвенных блоков: абонентского ÄÂ (ðèñ. 6.15,à) и входящего CD (ðèñ. 6.15,á).

На 1000-ю абонентскую группу	100 A 60	B 20	200 C 40		D 30
устанавливают десять блоков ÄÂ
и от двух до пяти блоков CD â çàâè-		20
симости от величины входящей на-	à		á
грузки. Поля звеньев Ñ всех блоков

	CD	одной группы соединяют друг	Рис. 6.15 — Функциональные схемы
			блоков ступени АИ АТСК
	с другом параллельно. Блок ÄÂ

ступени АИ построен на МКС 20Ч10Ч6: причем на звене Ä установлены три МКС, на звене Â — äâà ÌÊÑ. Îäèí áëîê CD ступени АИ содержит два МКС 20Ч10Ч6 на звене Ñ и три МКС 10Ч20Ч6 на звене D.

6.2.5. Коммутационное поле АТСКЭ

Коммутационное поле квазиэлектронных АТС [4, 29] построено по звеньевому принципу на основе матричных ферридовых, герконовых или гезаконовых соединителей. Число входов и выходов в таких соединителях кратно двум, например: 4Ч4, 8Ч8, 16Ч8 и т.д. щто обеспечивает наиболее эффективное использование управляющего устройства, работающего двоичным кодом. Коммутационное поле АТСКщ большой емкости строится на основе двух блоков: концентрации и смешивания.

Блок концентрации íà N = 64входа и V = 16 выходов (рис. 6.16) содержит два звена: Ä è Â. Звено Ä имеет четыре коммутатора емкостью 16Ч8, а звено Â — четыре коммутатора 8Ч4. Связность между коммутаторами звеньев Ä è Â равна двум. Блок имеет V = 32 промежуточные линии между звеньями Ä è Â. Условное изображение блока показано на рис. 6.16,á.

Блок смешивания (рис. 6.17) имеет два звена по восемь коммутаторов емкостью 8Ч8 в каждом. На звеньях Ä è Â используются коммутаторы 8Ч8. Связность коммутаторов звеньев Ä è Â равна единице. Условное изображение блока приведено на рис. 6.17,á.

На основе блоков концентрации и смешивания строятся основные коммутационные блоки АТС Кщ. Таковыми являются блок абонентских линий (БАЛ) и блок соединительных линий (БСЛ).

210		В.М. Винокуров. Сети связи и системы коммутации
1	16 1	V 32	1	1	4	1
					1
I				I	64	16
	8		8
						á
49	64 1		113		16
IV	8	à	8	IV

Рис. 6.16 — Двухзвенная схема концентрации 64Ч16: à — схема блока концентрации; á — условное обозначение блока концентрации

1	8 1	1	1	8	1
				1
I	8	8	I	64	64
					á
57	64 1	157		64
VIII	8	8	VIII

à

Рис. 6.17 — Двухзвенная схема смешивания 64Ч64: à — схема блока смешивания; á — условное обозначение блока смешивания

Блок абонентских линий предназначен для включения абонентских линий, имеющих малую нагрузку. Поэтому он содержит два звена концентрации (Ä, Â) и два звена смешивания нагрузки (Ñ, D) (рис. 6.18). Всего БАЛ содержит 64 блокa концентрации и 16 блокoв смешивания. Связность между блоками равна 1. Всего блок имеет 4096 входа, 1024 промежуточных линий между блоками и 1024 выходa. Условное изображение блока показано на рис. 6.18,á.

1	A	B	1	1	C	D 1
1			16	64		1
64						64
4096
1			1	1		1
64			16	64		16
64						64

1	ÁÀË	1

4096	1024
	á

à

Рис. 6.18 — Блок абонентских линий 4096Ч1024: à — схема блока; á — условное обозначение блока