Временная коммутация. Пространственно-временная коммутация.

Временное разделение может быть представлено как конфигурация коммутационной схемы с пространственным разделением каналов, периодически воспроизводимая в течение определенного временного интервала путем непрерывного изменения соединений, существующих в течение коротких интервалов времени. При этом требуется как коммутация временных интервалов, так и коммутация физических линий, соответствующих разным входящим в коммутатор и исходящим из коммутатора каналам. Такая коммутация каналов называется временной коммутацией или коммутацией с временным разделением каналов (ВРК). Временная коммутация осуществляет переключения сигналов сообщений, представленных в дискретном виде в соответствии с известной теоремой Котельникова, посредством цифровых устройств.

В последующем при обсуждении проблем цифровой коммутации с временным разделением каналов будем предполагать, что коммутационная система непосредственно сопрягается с цифровыми линиями передачи с временным разделением. Это предположение обычно выполняется, поскольку даже при работе в аналоговом окружении сначала производятся формирование цифровых сигналов и их компоновка в соответствии с форматом слова ВРК, а уже затем осуществляются любые операции по коммутации.

Временное разделение иллюстрирует на рис.12. В качестве примера на нем приведено соединение канала 3 первого тракта с ВРК с каналом 17 последнего тракта с ВРК. Указанное соединение подразумевает, что информация, поступающая во временном интервале 3 первого тракта, пересылается во временном интервале 17 последнего тракта. Так как процесс преобразования речевого сигнала в цифровую форму предполагает использование четырехпроводного режима работы, то требуется обратное соединение путем пересылки информации из временного интервала 17 последнего входящего тракта во временном интервале 3 первого исходящего тракта. Это в случае аналогового окружения, т.е далее предполагается использование двухпроводной линии. Таким образом, каждое соединение требует выполнения двух пересылок информации; каждая включает преобразование и во времени и в пространстве.

Существует множество структур коммутационных схем, которые позволяют выполнять операции, указанные на рис.12. Все эти структуры, по существу, требуют, по крайней мере, двух звеньев: звена пространственной коммутации и звена временной коммутации. Как будет показано в дальнейшем, коммутационные схемы большой емкости обычно содержат несколько звеньев обоих типов. Однако прежде чем начать обсуждение двумерной (двухкоординатной) коммутации, рассмотрим характеристики и возможности одной лишь временной коммутации.

Цифровая коммутационная схема на ЗУ. Так как схемы временной коммутации строятся на базе недорогих цифровых ЗУ, реализация схем цифровой коммутации оказывается более дешевой, чем реализация схем с пространственной коммутацией.

 

 

 

Рис. 12 Пример коммутационной схемы с временным разделением: слева – исходящее (в линию) звено; справа – входящее (из линии) звено

    Работа схемы временной коммутации сводится, как правило, к записи информации в ЗУ и считыванию ее из ЗУ. В процессе коммутации информация, поступающая по одному временному каналу, передается к другому, как показано на рис 13.

Отдельные цепи сети связи, по которым идет передача цифровых сообщений, объединяются так, что образуется один тракт с ВРК. Функции объединения и разделения могут осуществляться как в самой схеме коммутации, так и в удаленных терминалах. Если функции объединения и разделения реализуются локально, то мультиплексор и демультиплексор могут подключаться непосредственно к ЗУ (рис.14). В противном случае используется преобразователь последовательного кода в параллельный, который позволяет предварительно накопить информацию определенного временного канала до того, как она будет записана в ЗУ. В любом случае для каждого входящего временного канала необходимо обеспечить доступ к каналу записи в ЗУ, и точно так же необходимо обеспечить доступ к каналу считывания для каждого исходящего временного канала.

 

Рис. 13 Пояснение передачи информации по временным каналам

 

Обмен информацией между двумя различными временными каналами осуществляется с помощью ЗУ временной коммутации каналов (ВКК). В схеме ВКК, показанной на рис.14, информация, поступающая по входящим временным каналам, последовательно записывается в ячейки ЗУ. В то же время информация, поступающая в исходящие каналы, считывается из ЗУ ВКК по адресам, получаемым из блока управляющей памяти. Дуплексное соединение каналов i и j трактов с ВРК означает, что адрес i поступает в ЗУ ВКК в течение i-го временного интервала, и, наоборот, в обратном направлении, как указывается в соответствующей управляющей памяти. Таким образом, в течение каждого временного интервала к ЗУ ВКК производятся два обращения. Первое, когда некоторое управляющее устройство (на рисунке не показано) выбирает номер временного канала, который определяет адрес записи в ЗУ. Второе, когда содержимое управляющей памяти, соответствующее определенному временному каналу, выбирается в качестве адреса считывания.

Поскольку операции записи и считывания должны выполняться в ЗУ ВКК для каждого временного канала (входящего и исходящего), максимальное число каналов с, которые могут быть обслужены простой коммутационной схемой на ЗУ, равно

,

где цифра 125 означает длительность цикла в микросекундах для частоты дискретизации речевого сигнала, равной 8 кГц, а t — длительность времени обращения к ЗУ, в микросекундах. В качестве конкретного примера рассмотрим применение ЗУ ВКК со временем обращения, равным 500 нс. Уравнение показывает, что коммутационная схема на ЗУ может обслужить 125 дуплексных каналов (62 соединения) при условии строгой неблокируемости схемы. Сложность коммутационной схемы (в предположении, что процесс цифрового преобразования где-то уже был осуществлен) совсем невелика, ЗУ ВКК хранит один информационный цикл, организованный как с слов по 8 бит каждое. Управляющая память также имеет объем с слов, причем длина каждого слова равна log(c) (т. е. в нашем примере 7). Таким образом, обе функции памяти могут быть реализованы на базе ЗУ с емкостями 128Х8 бит.

Счетчик временных каналов и некоторые логические устройства для выбора адресов и управления записью новой информации в управляющую память, могут быть реализованы на базе обычных интегральных схем (ИС).

Рассмотренная коммутационная схема выполняет число коммутаций, которое соответствует схеме с пространственным разделением каналов с 7680 точками коммутации при реализации ее в виде неблокирующей трехзвенной коммутационной схемы. И хотя современная технология изготовления интегральных микросхем позволила бы заменить многие блоки цифровой коммутации несколькими интегральными схемами, тем не менее ограничение, связанное с допустимым числом выводов с кристалла, преодолеть не удается.

Одно из основных достоинств цифровых сигналов состоит в легкости, с которой их можно объединять на базе временного разделения. Это свойство цифровых сигналов имеет особое значение как при организации соединений между ИС, так и при организации связи между коммутационными станциями.

 

                Рис. 14 Пояснение принципа работы схемы коммутации на ЗУ

           

Для того чтобы обеспечить временную коммутацию каналов, звенья временной коммутации принципиально требуют наличия элементов задержки. Задержки легче всего реализовать с помощью ЗУ, запись в которую производится по мере поступления данных, а считывание - при необходимости их передачи. Если для каждого временного интервала отведена одна ячейка памяти, то информация каждого канала с временным разделением может храниться без искажения повторной записью в течение времени вплоть до длительности одного полного цикла.

Можно указать два способа управления работой ЗУ звена временной коммутации: последовательная запись и произвольное считывание, или произвольная запись и последовательное считывание. На рис.14 показан принцип работы звена временной коммутаций для обоих способов управления с иллюстрацией способа доступа к памяти при передаче информации из временного канала 3 во временной канал 17. Заметим, что оба способа работы звена временной коммутации используют циклическую управляющую память, доступ к которой осуществляется синхронно с работой счетчика временных интервалов.

Согласно первому способу работы звена временной коммутации, показанному на рис.12, определенные ячейки памяти закрепляются за соответствующими каналами входящего тракта с ВРК. Информация каждого входящего временного интервала запоминается в последовательных ячейках памяти, что обеспечивается увеличением на 1 содержимого счетчика по модулю С на каждом временном интервале.

   При выдаче информации из ЗУ информация, поступающая из управляющей памяти, определяет адрес считывания информации для заданного временного интервала. Как уже было указано, семнадцатое слово управляющей памяти содержит число 3, т. е. содержимое ЗУ звена временной коммутации (ЗУ ВКК) по адресу 3 должно быть считано и передано по исходящему тракту в течение временного интервала 17.

Второй способ работы звена временной коммутации, показанный на рис. 13, является противоположностью первого.

Заметим, что оба способа работы звена временной коммутации, показанные на рис. 13, определяют управление по выходу и по входу. В примере многозвенной коммутационной схемы, рассматриваемой в дальнейшем, удобно один способ работы использовать на одном звене временной коммутации, а второй способ — на другом звене.

Двухкоординатная коммутация. Цифровые коммутационные схемы большой емкости требуют реализации процесса коммутации как в пространстве, так и во времени. Существуют различные схемы, которые можно использовать, чтобы удовлетворить эти требования. Для начала рассмотрим простую структуру коммутационной схемы, показанную на рис.15. Она содержит два звена: звено временной коммутации - В и следующие за ним звено пространственной коммутации - П. Поэтому эту структуру часто называют коммутационной схемой типа “время — пространство” (ВП).

Основная функция звена временной коммутации — обеспечить задержку информации, поступающей в течение временных интервалов, соответствующих входящим каналам, до момента наступления временного интервала, соответствующего заданному управлением исходящему каналу. В этот момент задержанная информация проходит через звено пространственной коммутации на соответствующий исходящий тракт. В данном примере показано, что информация, поступающая в течение временного интервала 3 по тракту 1, задерживается до тех гор, пока не наступит временной интервал 17. При обратном соединении информация, поступающая в течение временного интервала 17 по тракту N, задерживается до тех пор, пока не наступает временной интервал 3 следующего цикла. Заметим, что звено временной коммутации может обеспечивать задержку информации, которая лежит в диапазоне от одного временного интервала до полного цикла.

Звеном пространственной коммутации управляет соответствующая ему управляющая память, которая содержит информацию, необходимую для определения той конфигурации звена временной коммутации, которая должна быть создана в течение определенного временного интервала цикла. Необходимая управляющая информация считывается циклически точно так же, как и управляющая информация в коммутационных схемах с временным разделением. Например, в течение каждого исходящего временного интервала 3 считывается управляющая информация, которая определяет, что промежуточная соединительная линия 1 должна быть соединена с исходящей соединительной линией N. В течение других временных интервалов звено пространственной коммутации изменяет свою конфигурацию, приспосабливаясь к обслуживанию других соединений.

       Удобно представить управляющую память в виде параллельного кольцевого сдвигающего регистра. Число шагов сдвигающего регистра должно быть равно числу битов, необходимых для перебора всей конфигурации схемы пространственной коммутации в течение одного временного цикла. Необходимо иметь определенные устройства для изменения информации в управляющей памяти, чтобы можно было устанавливать новые соединения. Управляющая память может быть построена на ЗУ с управлением от счетчиков, которые циклически генерируют адрес обращения.

Оценка сложности реализации коммутационных схем с временным разделением.  Коммутационные схемы с пространственным разделением можно сравнивать с коммутационными схемами с временной коммутацией каналов по общему числу точек коммутации. Можно указать и другие факторы, которые следует учитывать при проведении таком сравнении, а именно: модульность, требования, связанные с поиском путей, влияние повреждений, условия обслуживания, требования к монтажу или соединениям, электрические нагрузки и другие. Несмотря на целесообразность учета всех этих соображений, оценка по числу точек коммутации является на практике единственной мерой стоимости коммутационной схемы с пространственным разделением.

В случае использования полупроводниковых электронных коммутационных приборов в схемах с временным разделением число точек коммутации само по себе является менее значащей величиной при оценке стоимости реализации. Коммутационные структуры, в которых используются интегральные микросхемы с относительно большим числом внутренних точек коммутации, обычно более экономичны по стоимости, чем другие структуры, которые могут иметь меньшее число точек коммутации, но большее число корпусов. Следовательно, параметром при оценке варианта коммутационной схем с временным разделением должно быть общее число корпусов ИС. 

   Другим параметром при оценке стоимости реализации является общее число выводов ИС, требуемое при определенном варианте построения схемы. Этот параметр более точно характеризует стоимость корпуса и требования к размещению. Оценка по числу выводов может также непосредственно служить показателем надежности реализации, поскольку взаимные соединения выводов за пределами ИС всегда менее надежны, чем внутренние.

Все сравниваемые коммутационные средства работают с одной и той же скоростью, поскольку более высокие скорости требуют более низкого уровня интеграции.

Необходимо также учитывать объемы ЗУ, которые используются на звеньях временной коммутации: память схемы временной коммутации, так и управляющую память звеньев временной и пространственной коммутации. ЗУ на 1024 бита обычно требует 14 выводов. Следовательно, можно связать стоимость ЗУ со стоимостью точки коммутации соотношением 100 битов памяти на 1 точку коммутации.

Таким образом, будем считать оценку общего числа точек коммутации равного общему числу битов памяти, поделенному на 100.

На основе сказанного сложность реализации определим следующим образом:

,

 

где Nx — число точек коммутации на звене пространственной коммутации, Nв — число бит памяти.

В оценке сложности совершенно явно преобладает число точек коммутации на звене пространственной коммутации. Значительно меньшая сложность (и вообще более низкая стоимость) может быть достигнута, если до этапа пространственной коммутации производится объединение групп входящих линий. Таким способом может быть заметно уменьшена сложность звена пространственной коммутации, в то время как общая сложность звена временной коммутации увеличивается лишь незначительно.

Многозвенные схемы коммутации с временным разделением. Эффективным средством уменьшения стоимости коммутационной схемы с временным разделением является мультиплексирование возможно большего числа каналов и выполнение по возможности большего объема операций коммутации на звеньях временной коммутации. Стоимость операций коммутации на звеньях временной коммутации значительно меньше стоимости на звеньях пространственной коммутации, главным образом потому, что цифровая память много дешевле, чем цифровые точки коммутации (логические схемы И).

 

 

Рис. 15 Пример структуры двухкоординатной коммутационной схемы - ВП

                

Существуют практические ограничения в отношении того, сколько каналов может быть объединено в общий тракт с ВРК. Если этот предел достигнут, то дальнейшее уменьшение сложности реализации можно получить путем увеличения числа звеньев коммутации.

Обычно, наиболее эффективный подход состоит в разделении звеньев пространственной коммутации звеном временной коммутации или в разделении двух звеньев временной коммутации звеном пространственной коммутации. Далее будут описаны две структуры. Первая структура, содержащая звено временной коммутации между двумя звеньями пространственной коммутации - “пространство—время—пространство” (ПВП). Вторая структура - “время — пространство — время” (ВПВ).

        Коммутационные схемы типа ПВП. Структура коммутационной схемы ПВП приведена на рис.16. Предполагается, что каждая схема пространственной коммутации является однозвенной и неблокирующейся.

     Если каждое отдельное звено схемы (П, В, П) будет неблокирующимся, то она будет функционально эквивалентна трехзвенной пространственной схеме. Следовательно, вероятностный граф на рис. 17, описывающий коммутационную схему ПВП, идентичен вероятностному графу для трехзвенной пространственной коммутационной схемы. Соответственно, вероятность блокировки схемы ПВП будет равна

где , k—число, блоков временной коммутации центрального звена схемы.

                             Рис. 16 Коммутационная схема типа ПВП

Рис.17 Вероятностный граф схемы рис. 18

 

Предполагая, что схема пространственной коммутации реализуется в виде однозвенных коммутационных блоков и что каждый тракт ВРК. содержит с информационных каналов, можем определить сложность реализации коммутационной схемы ПВП следующим образом.

   Сложность = (число точек коммутации на звене пространственной коммутации)+[(число битов управления на звене пространственной коммутации)+(число битов памяти на эвене временной коммутации) + (число битов управления на звене временной коммутации)]/100 = 2kN + (2kclog2N + kc8 + kc log2с)/100.

Сравним полученное число точек коммутации с числом точек коммутации для эквивалентной пространственной трехзвенной коммутационной схемы. Так если пространственная коммутационная схема требует 41 000 точек коммутации, схема ПВП требует лишь 430 эквивалентных точек коммутации. Такой значительный эффект получается как результат того, что речевые сигналы были уже преобразованы в цифровую форму. Если коммутационная схема ПВП используется в аналоговом окружении, то преобладающая часть затрат будет падать на оборудование линейного сопряжения.

Современные цифровые коммутационные схемы уже мало отличаются от современных цифровых ЭВМ. Стоимость центральных устройств обработки информации становится относительно небольшой по сравнению со стоимостью периферийных устройств.
        Коммутационные схемы типа ВПВ – рис. 18. Информация, поступающая по каналу входящего тракта с ВРК, задерживается на входящем звене временной коммутации до тех пор, пока не будет найден соответствующий свободный путь через звено пространственной коммутации. В этот момент информация будет передана через звено пространственной коммутации на соответствующее выходное звено временной коммутации, где она будет храниться до тех пор, пока не наступит временной интервал, в котором требуется осуществить передачу данной информации. Предполагая, что на звеньях временной коммутации обеспечивается полнодоступность (т. е. все входящие каналы могут быть соединены со всеми исходящими), при установлении соединения на звене пространственной коммутации можно использовать любой временной интервал. В функциональном смысле звено пространственной коммутации как бы повторяется (копируется) по одному разу для каждого внутреннего временного интервала. Это иллюстрирует вероятностный граф схемы ВПВ, приведенный на рис.19.

 

 

                  

Рис. 18 Коммутационная схема типа ВПВ

 

Общее выражение для вероятности блокировки для коммутационной схемы ВПВ, отдельные звенья которой (В, П, В) являются неблокирующимися, имеет вид

 

 

где — коэффициент временного расширения (l/с), l — число

 временных интервалов работы звена пространственной коммутации.

Сложность реализации ВПВ - коммутации можно рассчитать по следующей формуле

 

 

Рис. 19 Вероятностный граф схемы ВПВ

 

Cтруктура ВПВ более сложная, чем структура ПВП. Заметим, однако, что в коммутационной схеме ВПВ может быть использована временная концентрация, а в схеме ПВП— пространственная.

По мере того, как будет расти использование входящих соединительных линий, будет уменьшаться степень возможной концентрации. Если окажется, что нагрузка входящих каналов достаточно высока, то для поддержания заданного значения вероятности блокировки в коммутационных схемах ВПВ и ПВП необходимо вводить расширение соответственно в первой — временное, во второй — пространственное. Поскольку реализация временного расширения значительно дешевле, чем пространственного, то при высоком использовании каналов коммутационная схема ВПВ окажется более экономичной, чем схема ПВП. На рис.20 приведены зависимости сложности реализации схем ПВП и ВПВ от использования входящих каналов.

       Как видно из рис.20, коммутационные схемы ВПВ имеют четко выраженное преимущество перед схемами ПВП в области больших значений использования каналов. Для коммутационных схем малой емкости более предпочтительной оказывается структура ПВП. Возможно, что выбор конкретной архитектуры в значительно большей степени будет зависеть и от других факторов, таких как модульность, простота организации тестирования, легкость наращивания емкости.

 

                      

Рис. 20 Зависимость сложности реализации схем от используемых коммутационных каналов

 

Одним из моментов, который обычно выделяют, отдавая предпочтение структуре ПВП, является относительно более простые требования к организации управления схемами ПВП, чем схемами ВПВ. Для станций большой емкости с большой нагрузкой необходимость преимущественного использования структуры ВПВ становится совершенно очевидной. В подтверждение справедливости этого утверждения можно отметить, что одна из коммутационных схем со структурой ВПВ является самой большой по емкости коммутационной схемой, построенной до настоящего времени.

Коммутационные схемы типа ВПППВ. Если звено пространственной коммутации схемы ВПВ оказывается достаточно большим по емкости, что приводит к увеличению сложности управляющего устройства, то для уменьшения общего числа точек коммутации звено пространственной коммутации заменяется многозвенной схемой. На рис. 23 приведена структура типа ВПВ, когда звено пространственной коммутации заменено трехзвенной схемой.

    
       Поскольку три соседних звена являются звеньями пространственной коммутации, то эту структуру иногда называют коммутационной схемой ВПППВ. Сложность реализации схемы ВПППВ можно определить следующим образом:

 

 

где Nх —число точек коммутации ; Nвт—число битов управляющей памяти звена пространственной оммутации ; N втс -число битов информационной памяти звена временной коммутации ; N втс - число битов управляющей памяти звена временной коммутации .

             

Рис. 21 Пример схемы ВПВ с трехзвенной пространственной коммутацией

           

Вероятностный граф коммутационной схемы ВПППВ идентичен вероятностному графу пятизвенной схемы пространственной коммутации. Используя вероятностный граф можно определить вероятность блокировки коммутационной схемы ВПППВ:

где

 

Результаты показывают, что коммутационные схемы сверхбольшой емкости могут быть реализованы с использованием методов цифрового временного разделения. В середине 60-х годов стало очевидно, что на телефонной сети США необходимо использовать коммутационные схемы именно такой емкости.

Поскольку для реализации сопоставимой с ними по емкости восьмизвенной схемы пространственной коммутации потребовалось бы порядка 10 млн. точек коммутации, то традиционная технология, используемая при построении систем с пространственным разделением, была сразу же отвергнута, и фирма Bell System приступила к разработке системы, использующей блок временной коммутации. Это была первая цифровая коммутационная система телефонной сети США, введенная в эксплуатацию в 1976 г. Эта система (коммутационная схема типа ВПППВ) имеет емкость 107 520 соединительных линий, обеспечивает вероятность блокировки менее 0,005 при вероятности занятия канала 0,7.