Двухкоординатная коммутация

ЦИФРОВАЯ КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

Конфигурация коммутационной схемы с пространственным разделением каналов периодически воспроизводится в течение каждого временного интервала путем непрерывного изменения некоторым циклическим образом соединений, существующих в течение коротких интервалов времени. Обычно такой способ работы схемы называют коммутацией с временным разделением каналов. В то время, как такой способ работы системы можно было бы считать приемлемым как для аналоговых, так и для цифровых сигналов, цифровые сигналы, сформированные путем объединения на базе временного разделения, обычно требуют как коммутации временных интервалов, так и коммутации физических линий. Этот последний вид коммутации представляет собой, по существу, второе измерение коммутации и обычно называется временной коммутацией. В последующем при обсуждении проблем цифровой коммутации с временным разделением будем предполагать (если не оговорено дополнительно), что коммутационная система непосредственно сопрягается с цифровыми линиями передачи с временным разделением. Это предположение обычно выполняется, поскольку даже при работе в аналоговом окружении в наиболее экономичной коммутационной системе сначала производятся формирование цифровых сигналов и их компоновка в соответствии с форматом слова ВРК, а уже затем осуществляются любые операции по коммутации.
Основное требование к системе коммутации с временным разделением иллюстрирует рис.6. 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 принципиально означает четырехпроводныи режим работы, то требуется и реализуется обратное соединение путем пересылки информации из временного интервала 17, последнего входящего тракта во временном интервале 3, первого исходящего тракта. 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.6. 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 (двух координатной) 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 функции цифровой коммутации оказывается более дешевой, чем реализация схем с пространственным разделением. Работа схемы временной коммутации сводится, главным образом, к записи информации и считыванию ее из ЗУ. В процессе коммутации информация, поступающая по одному временному каналу, передается к другому, как показано на рис.7. Если цифровые сигналы группируются в единые форматы слов ВРК, то удается получать весьма экономичные коммутационные схемы, реализующие только временную коммутацию. Однако реальные ограничения на временные характеристики ЗУ определяют допустимые размеры блока временной коммутации, поэтому в коммутационных схемах большой емкости обязательно вводится пространственная коммутация. Как будет показано в дальнейшем, наиболее экономично построенные многозвенные схемы обычно содержат возможно большее число звеньев временной коммутации.

Принцип работы схемы коммутации на ЗУ поясняет рис.8. Как видно из рисунка, отдельные цепи, по которым идет передача цифровых сообщений, некоторым фиксированным образом объединяются так, что образуется один тракт с ВРК- Функции объединения и разделения можно рассматривать либо как функции самой схемы коммутации, либо как функции, реализуемые в удаленных терминалах. Если, функции объединения и разделения реализуются локально, то мультиплексор и де мультиплексор могут параллельно подключаться непосредственно к ЗУ. 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. Обмен информацией между двумя различными временными каналами осуществляется с помощью ЗУ временной коммутации каналов (ВКК). В схеме ВКК, показанной на рис.8, 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, 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 или 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 цикла (обращения) ЗУ в микросекундах. В качестве конкретного примера рассмотрим применение ЗУ ВКК с циклом 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 битов 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 произвольной выборкой емкостью 128Х8 битов. Дополняющая часть в виде счетчика временных каналов и некоторых логических устройств для выбора адресов и управления записью новой информации в управляющую память, может быть реализована на базе обычных интегральных схем (ИС).Рассмотренная коммутационная схема контрастирует со схемой с пространственным разделением каналов, которая потребовала бы 7680 точек коммутации при реализации ее в виде неблокирующейся трехзвенной коммутационной схемы. И хотя современная технология изготовления интегральных микросхем позволила бы заменить многие точки цифровой коммутации несколькими интегральными схемами, тем не менее ограничение, связанное с допустимым числом выводов с кристалла, преодолеть не удалось бы. 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.
Если комбинацию мультиплексора и демультиплексора использовать для концентрации и расширения, то система может обслуживать значительно большее число входящих линий в зависимости от среднего использования отдельных цепей. Например, если линия в среднем занята в течение 10% времени, то система концентратор-коммутационная схема на ЗУ — экспандер может обслужить до 1000 цепей с вероятностью блокировки, меньшей 0,002. Введение концентрации и расширения вместе с тем означают значительное усложнение системы. По существу, оборудование, реализующее эти операции, представляет собой схемы коммутации с пространственным разделением, которые управляются соответствующим образом. Структура концентратор-схема коммутации на ЗУ — экспандер, по существу, становится простой формой коммутационной схемы типа пространство-время-пространство (ПВП), которая будет рассмотрена в дальнейшем.
Для того, чтобы обеспечить желаемую временную коммутацию каналов, звенья временной коммутации принципиально требуют наличия некоторого вида элементов задержки. Задержки легче всего реализовать с помощью ЗУ с произвольной выборкой, запись в которые производится по мере поступления данных, а считывание при необходимости их передачи. Если для каждого временного интервала в цикле ВРК 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.9 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.9, 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. Как уже отмечалось, информация, принятая в течение временного интервала 3, автоматически запоминается в третьей ячейке ЗУ. При выдаче информации из ЗУ управляющая 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. 9, является противоположностью первого. Поступающая на вход информация записывается в ячейки ЗУ в соответствии с адресом, хранящимся в управляющей памяти: однако, считывание информации производится последовательно- ячейка за ячейкой под управлением счетчика временных интервалов (исходящих). Как показано в данном примере, информация, принятая в течение временного интервала 3, записывается непосредственна в ЗУ ВКК по адресу 17, откуда автоматически считывается в исходящий канал с номером 17 тракта с ВРК. Заметим, что оба способа работы звена временной коммутации, показанные на рис. 9, определяют соответственно 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.

Цифровые коммутационные схемы большой емкости требуют реализации процесса коммутации как в пространстве, так и во времени. Существует значительное множество конфигураций схем, которые можно использовать, чтобы удовлетворить эти требования. Для начала рассмотрим простую структуру коммутационной схемы, показанную на рис.10. Она содержит только 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 желаемому 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 каждого временного интервала цикла. Необходимая управляющая информация считывается циклически точно так же, как и управляющая информация в аналоговых 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 полностью изменяет свою конфигурацию, приспосабливаясь к обслуживанию других соединений.

Как уже отмечалось, удобно представить управляющую память в виде параллельного кольцевого сдвигающего регистра. Ширина сдвигающего регистра равна числу битов, необходимых для определения всей конфигурации схемы пространственной коммутации в течение одного временного интервала. Длина сдвигающего регистра определяется числом временных интервалов в цикле. Естественно, необходимо иметь определенные средства для изменения информации в управляющей памяти, чтобы можно было устанавливать новые соединения. На практике управляющая память может быть построена на ЗУ с произвольной выборкой с управлением от счетчиков, которые циклически генерируют адрес обращения.

Сложность реализации коммутационных схем с временным разделением. В предыдущих разделах альтернативные структуры коммутационных схем с пространственным разделением сравнивались между собой по общему числу точек коммутации, требуемому для обеспечения заданного качества обслуживания. Можно указать и другие факторы, которые следует учитывать при проведении более полного анализа, а именно: модульность, требования, связанные с поиском путей, влияние повреждений, условия обслуживания, требования к монтажу или соединениям, электрическая нагрузка и другие. Несмотря на необходимость учета всех этих соображений, оценка по числу точек коммутации полезна и является единственной мерой стоимости коммутационной схемы с пространственным разделением, особенно при использовании в качестве точек коммутации электромеханических приборов.
В случае использования полупроводниковых электронных коммутационных приборов, вообще, и коммутационных приборов с временным разделением, в частности, 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, более приемлемым параметром при оценке варианта коммутационной схемы должно быть общее число корпусов ИС. Если различные варианты реализуются на основе одинакового набора ИС, то число корпусов может достаточно точно отражать число точек коммутации.
Другим полезным параметром при оценке стоимости реализации является общее число выводов ИС, требуемое при определенном варианте построения схемы. Хотя этот параметр, очевидно, тесно связан с общим числом корпусов, все же он более полезен, поскольку 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. Эквивалент одной точки коммутации (элемент И) при реализации коммутационной схемы на ИС средней степени интеграции (СИС) обычно составляет 1,5 внешнего вывода для доступа к точке коммутации. Таким образом, если применяются СИС, то общее число точек коммутации может служить полезным показателем общего числа выводов. Поэтому будем продолжать использовать число точек коммутации как меру стоимости реализации, принимая при этом, что элементы средней степени интеграции будут использованы во всех сопоставляемых вариантах. В этом случае необходимо иметь уверенность в том, что все сравниваемые системы работают примерно с одной и той же скоростью, поскольку более высокие скорости требуют более низкого уровня интеграции.
Кроме числа точек коммутации на звеньях пространственной коммутации при оценке общей стоимости необходимо учитывать значительный объем ЗУ, которые используются на звеньях временной коммутации. При оценке объема памяти необходимо учитывать как память схемы временной коммутации, так и управляющую память звеньев временной и пространственной коммутации. При проведении последующего анализа будем предполагать, что 100 битов памяти соответствуют 1,5 межсоединений ИС (ЗУ со случайной выборкой на 1024 бита обычно требует 14 выводов). При этом предположением можно связать стоимость ЗУ со стоимостью точки коммутации соотношением из расчета 100 битов памяти на 1 точку коммутации. Таким образом, последующий анализ сложности реализации цифровых коммутационных схем с временным разделением будет включать оценку общего числа точек коммутации и общего числа битов памяти, поделенного на 100.
Сложность реализации определяется следующим образом:

где Nx — число точек коммутации на звене пространственной коммутации, Nв — число битов 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 коммутации производится предварительное объединение групп входящих линий и формирование сигналов для образования трактов передачи более высокого уровня иерархии. Стоимость входного мультиплексора сравнительно мала, если индивидуальные сигналы типа DS-1 уже были синхронизированы для выполнения коммутации. Таким способом может быть заметно уменьшена сложность звена пространственной коммутации, в то время как общая сложность звена временной коммутации увеличивается лишь незначительно. Стоимость реализации снижается пропорционально сложности, но лишь до того момента, пока требования более высокой скорости работы системы коммутации не приведут к необходимости использования более совершенной технологии.

Многозвенные схемы временной и пространственной коммутации. 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 их стоимости на звеньях пространственной коммутации, главным образом потому, что цифровая память много дешевле, чем цифровые точки коммутации (логические схемы И). Еще раз отметим, что сами по себе точки коммутации не столь дороги; основные затраты приходятся на реализацию схем доступа и выбора точки коммутации со стороны внешних выводов, что и делает использование точек коммутации сравнительно дорогостоящим.
Конечно, существуют практические ограничения в отношении того, сколько каналов может быть объединено в общий тракт с ВРК для коммутации на звене временной коммутации. Если существующий в настоящее время предел мультиплексирования достигнут, то дальнейшее уменьшение сложности реализации можно получить путем увеличения числа звеньев коммутации. Очевидно, что некоторая экономия расходов достигается, если одно звено пространственной коммутации схемы типа ВП или ПВ может быть заменено несколькими звеньями.
Обычно, наиболее эффективный подход состоит в разделении звеньев пространственной коммутации звеном временной коммутации иди в разделении двух звеньев временной коммутации звеном пространственной коммутации. В следующих двух разделах будут описаны две базовые структуры. Первая структура, содержащая звено временной коммутации между двумя звеньями пространственной коммутации, носит название коммутационной схемы пространство—время—пространство (ПВП). Вторая структура обычно называется коммутационной схемой время — пространство — время (ВПВ).

Дата добавления: 2014-01-07