Телекоммуникационные сети и устройства

Телекоммуникационные сети и устройства

2-е издание, исправленное

Берлин А.Н.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 621.398(07)
ББК 8
Б49
Телекоммуникационные сети и устройства / Берлин А.Н. - M.: Национальный Открытый Университет
“ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 978-5-94774-896-3

Курс знакомит с принципами функционирования цифровых телекоммуникационных станций,
методами сигнализации, включая Общий Канал Сигнализации, архитектурой построения этих сетей
и методами технического обслуживания.
В первую очередь, в курсе рассматриваются наиболее распространенные - телефонные сети. Далее
показано их развитие - интеллектуальные сети связи. Очень важны разделы, посвященные сетям
общего канала сигнализации и системе управления сетями телекоммуникаций. В курсе также
коротко рассмотрены принципы построения сети следующего поколения (Next Generation Network).

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2008-2016
(c) Берлин А.Н., 2008-2016

3

Телекоммуникационные станции. Коммутационные поля и типы
управления

Лекция посвящена общему описанию основных составляющих телефонной станции —
коммутационным полям и устройствам управления, которые будут детально
рассмотрены в дальнейших лекциях

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:

декадно-шаговая система Автоматических Телефонных Станций (АТС);
координатная система АТС (АТС-К) или усовершенствованная АТС-К (АТС-КУ).

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.

Управляющее устройство решает логические задачи, необходимые для установления

4

соединения, а также выполняет работы, связанные с основными и дополнительными
видами обслуживания. Первые системы АТС применяли управляющие устройства на
базе электромагнитных реле, по сути представляющие собой медленные компьютеры.
Число решаемых ими задач было ограничено вследствие их небогатых логических
возможностей и большого времени выполнения. В дальнейшем, по мере развития
микрокомпьютеров, для задач управления АТС стали применять универсальную
компьютерную технику, и в настоящее время на ней реализованы все части
телефонной станции. Поэтому наряду с существующими методами построения и
управления сетей, характерными для традиционной телефонии, стали развиваться и
получать все большее распространение методы, присущие компьютерным сетям
(например, пакетная передача, адресная коммутация и т. п.). При переходе к
управлению с помощью компьютеров появилась еще одна существенная составляющая
— это программное обеспечение, которое берет на себя все задачи по управлению
станцией (кроме физического и некоторых функций уровня звена данных).

Рис. 1.1.  Общий вид станции, предназначенный для коммутации и обработки
информации

Общая структурная схема современной станции с программным управлением (рис. 1.1)
включает также:

терминальные комплекты, обеспечивающие выполнение протоколов связи уровня
звена данных и иногда физического уровня с абонентскими терминалами;
линейные комплекты, выполняющие те же функции, что и терминальные, но по

5

отношению к объектам сети (другие станции, узлы сети).

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.

Рис. 1.2.  Принцип построения однозвенной полнодоступной матрицы.

Такие полнодоступные принципы построения коммутационного поля не нашли
широкого применения из-за их неэкономичности для станций большой емкости.

6

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.

Рис. 1.3.  Двухзвенная коммутационная схема

На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:

7

n — число входов в матрицу звена A ;

r — число матриц звена A ;

m — число входов матрицы звена A ;

s — число выходов матрицы звена B ;

k — число выходов из матрицы звена B ;

f — “связность”.

Связность — это число промежуточных линий, которые соединяют одну
определенную матрицу звена A с одной определенной матрицей звена В.

Пусть необходимо коммутировать N входов с M выходами. Тогда будут соблюдаться
следующие условия: для полнодоступной коммутационной схемы число точек
коммутации равно NM ;

Для неполнодоступной схемы коммутации число точек коммутации равно r (nm) +

m/f (ks).

Однако r (число коммутаторов звена A ) зависит от требуемого общего числа входов N
и составляет

r = N/n.

В то же время m/f (число коммутаторов звена B ) зависит от требуемого общего числа
выходов M:

m/f = M/k.

Тогда число точек коммутации неполнодоступной коммутационной схемы будет равно

Nm + Ms.

Тем самым определяется условие: чтобы многозвенная коммутационная схема была
более эффективна, чем однозвенная, число коммутационных точек в ней должно быть
меньше, чем в полнодоступной:

NM > Nm + Ms
1 > m/M + s/N.

Последнему условию может соответствовать множество сочетаний параметров
коммутационных схем, но для всех из них справедливо, чтобы соблюдались
соотношения

m/M < 1 и s/N < 1 (где N, M, m, s ≠ 0).

Эти требования означают, что число выходов матрицы звена A не должно быть больше
общего числа выходов всей коммутационной схемы M, а число входов звена B не
должно быть больше общего числа входов в коммутационную схему N.

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

8

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).

На рис. 1.4а показан блок, содержащий 8 коммутационных матриц 8х8. Он имеет
общее число входов N = 64 и выходов M = 64. Для увеличения числа входов и выходов
строится схема из 8 блоков (рис. 1.4б), которая позволяет увеличить число входов и
выходов до N = M = 512.

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.

9

Рис. 1.4.  Пример построения 4-звенной коммутационной схемы 512x512

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).

10