В.2 Унификация средств коммутации

Унификация (стандартизация), как ни странно, не является только техническим вопросом. На стандарты весьма существенно влияют политические отношения между странами. Так Япония не желает принимать американские стандарты, Америка против стандартов Европы и т.д. Результаты можно наблюдать на различиях технологий GSM, DAMPS и CDMA для цифровой подвижной связи. Однако есть и примеры обратного характера: так стандарт DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), рожденный в Европе, получил развитие в Америке и Японии.

       Регулирование всех коммуникационных технологий ведется под управлением Международного союза электросвязи (ITU), уполномоченного Организацией объединенных Наций (ООН). Ранее известный как Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ), он был создан 17 мая 1865 года двадцатью европейскими государствами, включая и Россию, которые подписали предложенную Францией первую международную телеграфную конференцию, обеспечивающую согласование и взаимодействие национальных телеграфных сетей и положившую начало деятельности Международного телеграфного союза. В 1925 году в рамках телеграфного союза было образовано два комитета – Международный консультативный комитет по дальней телефонной связи (в 1932 г. переименован в Международный консультативный комитет по телефонии, МККФ) и Международный консультативный комитет по телеграфии, МККТ. В 1932 г. в Мадриде были проведены совместно конференции Международного телеграфного союза и Международного радиотелеграфного союза, принята единая конвенция, и два союза были объединены в один, который с 1934 года называется Международным союзом электросвязи, МСЭ. Таким образом, не сейчас, а 70 лет назад был образован международный орган МСЭ, объединивший все три отрасли электросвязи – телеграф, телефон, радио. Штаб-квартира МСЭ размещается в Берне (Швейцария). Основная деятельность союза была направлена на поддержку и расширение международного сотрудничества, рациональное использование всех видов электросвязи, содействию развития технических средств и их эффективной эксплуатации.

       После окончания второй мировой войны, в 1947 г., состоялась международная конференция в Атлантик-Сити, на которой была модернизирована структура МСЭ и было заключено соглашение с ООН, в результате которого МСЭ стал его специализированным учреждением, и его штаб-квартиру перенесли из Берна в Женеву. А в 1955 году на базе МККТ и МККФ был образован международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ), в котором прорабатывались также вопросы, относящиеся к передаче данных, факсимильных сообщений и видеоинформации. Возврат исторического названия ITU (МСЭ) произошел недавно в ходе мероприятий, направленных на борьбу с бюрократизмом и на повышение эффективности деятельности ООН. Обновлена структура исследовательских комитетов (ИК) этой организации, а разработанные этими ИК серии Рекомендаций по тематике средств коммутации приведены в таблице 1.

 

Таблица В1. Структура серий Рекомендаций ИК

D	Общие принципы начисления платы
T	Общая эксплуатация сети, функционирование служб и человеческие факторы
G	Системы и среда передачи, цифровые системы и сети
H	Системы аудиовизуальной мультимедийной связи
I	Цифровая сеть интегрального обслуживания
J	Передача мультимедийных сигналов
R	Защита от помех
M	Сеть эксплуатационного управления средствами электросвязи (TMN)
P	Качество телефонной передачи, телефонные установки и абонентские линии
Q	Коммутация и сигнализация
V	Передача данных по телефонной сети
X	Сети данных и взаимодействие открытых сетей
Y	Глобальная информационная инфраструктура
Z	Языки программирования

 

       Существует и ряд других организационных структур стандартизации. Наиболее значимые приведены ниже.

Европейский институт стандартов для электросвязи (ETSI- European Telecommunications Standards Institute) создан в 1988 году и является независимой организацией, разрабатывающей европейские стандарты связи. Известен как разработчик стандарта GSM, принятого во всем мире.

       Международная организация стандартизации (ISO) – один из крупнейших в мире профессиональных обществ, - разработчик стандарта открытых систем.

       Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) - крупнейшее в мире профессиональное общество. Разработал IEEE много известных стандартов: стандарт для локальных сетей (LAN), стандарт ISO 8002 для локальной сети Ethernet и ряд других.

       Существуют также и ряд общественных организаций, работающих со стандартами достаточно эффективно: DSL – форум, MPLS – форум и др.

           

1. Принципы построения коммутационных средств телефонных сетей общего пользования

1.1 Декадно-шаговые автоматические телефонные станции (АТС) [5].

Коммутация в декадно-шаговых АТС производится под непосредственным управлением сигналов набора номера вызывающим абонентом, без использования каких бы то ни было централизованных управляющих устройств. Каждая набираемая вызывающим абонентом цифра управляет одним искателем и каждый искатель обслуживает всякий раз только один вызов. Если вызывающий абонент набирает цифру “3”, то искатель выполняет шаги вверх на 3 уровня, затем ищет свободный искатель из тех, которые подключены к выходам этого третьего уровня. Контакты останавливаются на выходе, соединенном с первым свободным искателем третьего уровня и этот прибор принимает затем следующую набираемую цифру. Таким путем абонент сам управляет выбором маршрута через всю станцию.

       Кроме декадно-шаговых, к АТС первого поколения относят так называемые “машинные” станции, характерной особенностью которых являлось отказ от декадного построения контактного поля и обусловленное этим наличие регистра, т.е. использование не прямого, а обходного принципа управления исканием. Как и подъемно- вращательный, машинный искатель совершает движение двух типов, на нем имеются две подвижные части: базовый блок и размещенная на нем рейка со щетками, цилиндр с движением рейки по струнам вдоль образующих этого цилиндра. Базовый блок вращаясь поворачивается на такой угол, чтобы рейка оказалась против того ряда струн контактного поля, в котором включены линии того направления, которое выбрано абонентом посредством набора номера. Такая конструкция содержит много механических устройств, поэтому весьма дорога и не смогла явиться существенным конкурентом традиционным декадно-шаговым искателям.

       От коммутатора Строуджера пошли некоторые понятия систем коммутации. В первую очередь это понятие искания, под которым понимают процесс выбора требуемой линии или группы линий. Искание бывает вынужденное и свободное. В структуре декадно-шаговой АТС (ДШ АТС) имеются ступени искания трех видов: предварительного искания – ПИ, группового искания – ГИ, линейного искания – ЛИ.

       Предварительное искание производится только в режиме свободного искания и предназначается для подключения линии вызывающего абонента ко входу первой ступени ГИ. Каждая абонентская линия заканчивается на АТС абонентским комплектом (АК), состоящим из двух реле и предискателя типа шаговый искатель – ШИ. Сто комплектов АК монтируют на одной стойке – стативе (статив ПИ), И таким образом, число стативов ПИ, устранавливаемых на АТС, равно числу сотенных абонентских групп.

       При использовании принципа предварительного искания линия вызывающего абонента подключается к шнуровой паре АТС приборами предискания. Наличие предискания повышает использование основного стационарного оборудования и, следовательно, снижает его стоимость. Для предискания в декадно-шаговых АТС используют вращательные или подъемовращательные искатели, с помощью которых может быть реализовано прямое предискание или обратное предискание, см. рис.1. Целесообразность выбора того или иного способа предискания определяется технико-экономическими сравнениями.

 

 

           

Рис.1 Скелетные схемы способов предискания: А) – прямое предискание, В) – обратное предискание, ПИ - предискатель

 

       Линии, имеющие высокое использование, например линии УАТС или подстанций, могут быть подключены непосредственно к приборам ГИ или ЛИ. Линии с малым использованием – только через ПИ.

       При прямом предискании в каждом абонентском комплекте имеется искатель ПИ небольшой емкости (на 10-15 выходов) который подключает линию вызывающего абонента к одному из свободных соединительных устройств, например к 1ГИ. Количество предискателей равно числу абонентов станции.

       Если известна интенсивность поступающей нагрузки и задана норма вероятности потери вызова, количество линий в полнодоступном пучке определяют по формуле Эрланга.

       Линейное искание. Линейное искание производится только в режиме вынужденного перемещения щеток искателя. В АТС емкостью до 10 номеров шаговый искатель выбирает линию вызываемого абонента, совершая вынужденное движение только одного вида – вращательное, а в АТС емкостью до 100 номеров – производит вынужденное движение двух видов – подъемное движение для выбора той группы выходов, в которой находится нужная абонентская линия, и вращательное для отыскания самой этой линии.

       Такое искание называют линейным. Его цель – соединить определенный вход станции с определенным выходом, т.е. с определенной линией. Искатели, выполняющие линейное искание, называют линейными искателями.

       При установлении соединения в ЛИ передают две последние цифры номера вызываемого абонента. Подъемное движение определено цифрой десятков, а вращательное движение – цифрой единиц. И то и другое движения являются вынужденными.

       Групповое искание. Только после введения принципа группового искания стало возможным неограниченное расширение емкости телефонных сетей. Сущность группового искания заключается в том, что на АТС, емкость которой превышает емкость контактного поля искателей, все абонентские линии разбивают на группы, число линий в каждой из которых равно емкости контактного поля искателя. Для выбора группы, в которой находится нужная линия, стали устанавливать специальные приборы, называемые групповыми искателями.

       Групповое искание производится с помощью групповых искателей, каждый из которых выполняет две функции: выбирает группу приборов следующей ступени искания (вынужденное искание) и отыскивает свободный прибор в выбранной группе (свободное искание). Объединяя с помощью ступеней ГИ нужное количество групп абонентских линий, можно обеспечит доступ любого ПИ к любой такой группе, т.е. строить станции большой емкости. Емкость каждой абонентской группы равна емкости поля ЛИ, а выбор нужной группы производится с помощью одной или нескольких ступеней ГИ, расположенных между ступенями ПИ и ЛИ. На каждой ступени ГИ ведется искание свободного коммутационного прибора, через который может быть установлено соединение с ЛИ, обслуживающим требуемую абонентскую группу.

Одна ступень ГИ, построенная на декадно-шаговых искателях, позволяет объединить десять абонентских групп емкостью по 100 номеров, т.е. образовать станцию на 1000 номеров. Скелетная схема объединения абонентских групп с помощью одной ступени группового показана на рис.2.

 

Рис.2 Скелетная схема АТС с одной ступенью группового искания

 

На ступени ГИ устанавливается определенное число групповых искателей. Это число определяется в зависимости от величины поступающей телефонной нагрузки. Контактные поля всех искателей соединены параллельно. Образуется 100 общих выходов - по 10 выходов в декаде. В каждую декаду поля ГИ включают 10 линейных искателей: в первую декаду включают ЛИ первой сотенной абонентской группы, во вторую декаду – ЛИ второй сотенной абонентской группы и т.д.

Станция емкостью 1000 номеров имеет трехзначную нумерацию: от 000 до 999. При наборе абонентом цифры сотен происходит вынужденное искание, при котором выбирается требуемая сотенная группа. Затем ГИ совершает свободное вращательное движение, при котором отыскивается свободный ЛИ. Свободное искание должно завершиться в межсерийное время – с момента окончания цифры сотен до момента начала передачи в ЛИ цифры десятков.

Номеронабиратель должен обеспечивать определенный ритм поступления сигналов переключения искателей. Межстанционные соединения линий включают в себя сигналы сигнализации, обеспечивающие реализацию различных режимов работы станции: соединение со станцией вызывающего абонента, подключение к вызываемому абоненту, посылка сигнала вызова вызываемому абоненту, обеспечение соединения на передачу сообщений между абонентами или посылка сигнала занятости вызывающему абоненту и разрыв соединения. Эти сигналы сигнализации могут быть реализованы различным образом и не содержат принципиально интересных элементов средств коммутации.

Основные недостатки декадно-шаговых коммутационных элементов: малая емкость контактного поля искателей и нестабильность скользящих контактов. Эти недостатки устранены в контактных устройствах следующего поколения – координатных. Емкость контактного поля значительно больше (100), а контакты скольжения заменены контактами давления, имеющими меньшее сопротивление и больший срок работы. Приборы строят в виде матриц, каждый имеет n входов и m выходов. Матрица может быть создана из nxm электромагнитных реле или в виде единой конструкции (многократного координатного соединителя - МКС). Первый координатный коммутатор создали в Швеции.

Координатные АТС.

Модель координатного соединителя приведена на рис.3: для выбора любого выхода используют два электромагнита (один – по горизонтали, другой – по вертикали), а для удержания полученного соединения служит только второй из них.

Самая простая техническая реализация модели координатного соединителя – включить по одному реле в каждую точку пересечения “горизонталей” и “вертикалей”. Но тогда соединитель будет содержать сто реле, а значит – сто электромагнитов, сто якорей и сто комплектов контактных пружин.

Используется, однако, более остроумное решение – заменить сто электромагнитов двадцатью (10 для горизонтальных линеек контактного поля и 10 для вертикальных) и применить такую конструкцию соединителя, в которой для выбора любого выхода используют два электромагнита (один по горизонтали, второй – по вертикали), а для удержания полученного соединения служит только второй из них. В этой конструкции с десятью электромагнитами, называемыми выбирающими, связано 5 горизонтальных реек (по одной рейке на каждую пару магнитов). При срабатывании того или другого из пары выбирающих электромагнитов связанная с ним рейка поворачивается на небольшой угол в ту или другую сторону. На каждой рейке имеются 10 упругих выбирающих пальцев, которые в состоянии покоя находятся между группами контактных пружин, расположенных в соседних горизонтальных рядах. Один палец обслуживает две контактные группы; так что каждая рейка обслуживает 20 контактных групп (5 реек обслуживает 100 контактных групп). Если срабатывает нижний выбирающий электромагнит, то связанная с ним горизонтальная рейка сдвигает 10 выбирающих пальцев к 10 контактным группам, находящимся выше рейки; если срабатывает верхний выбирающий электромагнит, то рейка сдвигает пальцы к 10 нижним группам контактов.

           

Рис.3 Модель координатного соединителя 10х10

 

 

С каждой из 10-ти вертикальных планок жестко связан один из 10-ти удерживающих электромагнитов. При срабатывании удерживающего электромагнита связанная с ним планка поворачивается вокруг своей вертикальной оси и сдвигает в горизонтальном направлении все пять выбирающих пальцев, обслуживающих контактные группы данной вертикали. Существенно, что только тот палец, который был перемещен выбирающим электромагнитом, пока еще продолжающим удерживать свой якорь, сдвигаясь при повороте вертикальной планки, воздействует на опору, производящую включение контактов выбранной контактной группы, и остается плотно прижатым к этой опоре. Воздействие вертикальной планки на другие пальцы не влияет на состояние контактных групп и на работу соединителя. Теперь горизонтальная рейка может быть возвращена в нейтральное положение – должен отпустить свой якорь связанный с ней выбирающий электромагнит. Удерживающий электромагнит остается в работе до конца соединения.

Скелетное построение координатных АТС, структура ступеней искания и принципы управления коммутацией отличаются от тех, которые типичны для АТС, построенных для шаговых и декадно-шаговых искателях. В структуре ступеней искания используется т.н. звеньевое включение, позволяющее строить многозвенные коммутационные блоки.

В электромеханических АТС используют два разных принципа установления соединения – прямой и обходный.

Прямой принцип характеризуется тем, что приборы, выбирающие нужное направление связи и свободную линию в этом направлении, сами принимают цифры номера, устанавливают на их основе соединение и образуют разговорный тракт. Декадно-шаговые АТС и шаговые (машинные) используют именно этот принцип.

Обходной принцип характеризуется тем, что выбор направления связи и поиск свободной линии в этом направлении разделен по времени от процесса соединения входа коммутационного прибора с выходом, в который включена выбранная линия. Эти процедуры выполняет устройство, общее для группы приборов. В координатных АТС это маркер. Маркер принимает цифры номера, обрабатывает их, и управляет работой коммутационного прибора. Т.е. установление соединения производится в обход коммутационного прибора. Схематично этот принцип иллюстрирован на рис.4.

При установлении соединения маркер занят кратковременно и поэтому способен обслужить несколько коммутационных приборов с большим числом входов и выходов. Маркер содержит определитель вызывающего входа, определитель требуемого направления связи, определитель свободных промежуточных линий, пробное устройство для определения свободного выхода по промежуточной линии, устройство включения выбирающего и удерживающего электромагнитов коммутационного устройства (КС).

Цифровые АТС

По мере развития технологий стали появляться заменители традиционных электромеханических коммутационных элементов – электронные и магнитные устройства, в которых отсутствуют подвижные части, следовательно, исчезали повреждения механики, повышалось быстродействие, снижались габариты и масса.

       Преимуществами электронных коммутационных элементов были также более высокая технологичность изготовления, большая интеграция компонентов в одном корпусе, возможность использования печатного монтажа и других достижений электроники того времени: транзисторов, магнитных элементов с прямоугольной петлей гистерезиса, твердых интегральных схем и больших интегральных схем с высокой степенью интеграции.

       На рубеже 1960-х и 1970-х годов развивают системы коммутации на базе компьютеров. Компьютеры используют для преобразования адресной информации, для линейного искания в коммутационном поле и пр.

       Первая телефонная станция с программным управлением родилась в 1950-х годах в центре Bell Laboratories и введена в эксплуатацию в 1965 году.

 

Рис.4 Обходной принцип установления соединения: ОВВ - определитель вызывающего входа; ППЛ - проба ПЛ; ПУ – пробное устройство; УЦ – управляющие цепи; ЦЭМ КС – цепи электромагнитов КС; ПЦ и ОН – прием цифр и определение направления.

       Квазиэлектронные АТС сохраняют пространственную аналоговую коммутацию с использованием электронных систем управления.

       Переход на цифровую передачу и коммутацию называется цифровой, когда ее коммутационное поле может коммутировать только цифровые сигналы, несущие как речь, так и управляющие сообщения или команды. Аналоговые сигналы тоже могут быть коммутированы цифровой станцией, но лишь с применением аналого - цифровых (АЦП) и цифро – аналоговых (ЦАП) преобразователей. Эволюцию перехода от аналоговой коммутации к цифровой иллюстрирует рис.5.

На рис.В.5а показаны аналоговые АТС с аналоговыми абонентскими и соединительными линиями. На рис.В.5б показана следующая фаза эволюции коммутации. В этой фазе цифровые коммутаторы взаимодействуют с другими цифровыми коммутаторами через цифровые соединительные линии, хотя могут также использоваться аналоговые абонентские линии и аналоговые соединительные линии, но непременно с использованием аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Однако коммутационное поле является цифровым, что подразумевает коммутацию в станции исключительно цифровых сигналов. 

       В телефонной сети цифровой АТС можно выделить следующие функциональные подсистемы: абонентские модули; коммутационное поле АТС; соединительные линии; системы управления.

       Рассмотрим некоторые особенности каждой из перечисленных подсистем.

       Абонентские модули. Абонентский модуль поддерживает ряд стандартных функций: обеспечение батарейным питанием телефонного аппарата; защита устройств телефонного аппарата от перенапряжений; обеспечение контроля шлейфа абонентских линий; кодирование речевого сигнала. В абонентский комплект не входят средства, поддерживающие многочастотный набор номера (DTMF), предназначенный в основном для ускорения установления соединения.

 

 

 

       Рис.5 Эволюция АТС: та – телефонный аппарат; цта – цифровой телефонный аппарат; цатс – цифровая телефонная станция; D/A, A/D – цифро – аналоговый, аналого – цифровой преобразователи

 

                   Для кодирования цифр и символов используется две группы звуковых частот, одна в нижней части звукового диапазона, другая – в верхней. Каждой цифре или символу соответствует определенная двухчастотная комбинация, одна – из нижней группы, другая – из левой. Значения частот приведены в таблице 1.

 

 

Табл.1 Код DTMF

 

697	1	2	3	A
770	4	5	6	B
852	7	8	9	C
941	*	0	#	D
	1209	1336	1477	1633

 

 

       Схема генерирования сигналов устроена так, что при нажатии на тастатуре одновременно двух клавиш одного и того же вертикального или горизонтального ряда генерируется только одна частота, общая для этих двух клавиш.

       Коммутационное поле. В коммутационных полях могут быть использованы следующие типы коммутаций: пространственная, временная, коммутация “пространство-время”, коммутация “время-пространство”, коммутация “пространство-время-пространство”, коммутация “время-пространство-время”, коммутации комбинированного типа. Более подробно эти коммутационные схемы описаны в следующем разделе.

       Соединительные линии выполняют следующие основные функции: электрический интерфейс, тактовая синхронизация, преобразование биполярных сигналов в однополярные, выделение тревожных сигналов, обработка сигналов управления коммутацией.

       Системы у правления электронной коммутацией осуществляются как из единого программированного центра управления (в более старых версиях АТС), так и посредством распределенных управляющих процессоров (современные АТС).