Методы коммутации в сетях электросвязи

Организация связи в распределенных сетях базируется на принципах коммутации и реализуется в узлах, соединяющих два или несколько входящих и исходящих каналов в требуемых направлениях. В целом задачу распределения информационных потоков выполняет система коммутации, состоящая из собственно сети, коммутационных станций или узлов коммутации (УК), системы подключения пользователей и оконечных пунктов (ОП). Наиболее важную роль в ней играют УК, обеспечивающие установление, поддержание и разъединение соединений между терминалами (телефонными аппаратами, компьютерами и т.п.), каждому из которых присвоен адрес (номер).

Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в УК-каналов сначала записываются в запоминающем устройстве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.

Необходимость в соединении с накоплением возникает в силу разных причин. Главной из них является то, что в момент прихода сигнала по входящему в УК каналу, требуемый исходящий канал может оказаться занятым передачей информации от другого источника.

В таком случае возникают альтернативные решения: первое – уведомить источник сообщений о невозможности установления требуемого соединения в данный момент, второе – запомнить входящее сообщение и передать его в исходящий канал после его освобождения от передачи предыдущего сообщения. Заметим, что системы, построенные по первому принципу, получили название систем с отказами, а построенные по второму принципу – систем с ожиданием. Необходимо иметь в виду, что поскольку получение источником сообщений (ИС) отказа в установлении соединения не освобождает его от необходимости передачи сообщения, то ИС оказывается вынужденным повторять попытки установления соединения до получения положительного результата. Так как подлежащая передаче информация все это время хранится в памяти ИС, то различие между рассматриваемыми принципами коммутации заключается не в том, что в первом случае запоминающее устройство отсутствует, а в том, что оно находится в ИС (в первом случае), т.е. децентрализованно, а во втором случае – в УК, т.е. централизованно. Это различие в месте и способе хранения существенным образом влияет на услуги, оказываемые абонентам сети с различными методами распределения информации.

Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК). Под коммутацией каналов понимает­ся совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего через узлы коммутации один ОП с другим. При этом выражение «соединение каналов» следует понимать не только в смысле физического соединения, но и более широко – как занятие, резервирование средств передачи и коммутации для пары взаимодействующих ОП во время сеанса связи. Таким образом, при коммутации каналов сначала организуется сквозной канал передачи сообщений между взаимодействующими абонентами через узлы коммутации, а затем осуществляется передача сообщений.

До тех пор пока взаимосвязанные абоненты не сообщат о своем решении ликвидировать установленное соединение, выделенные ресурсы сети находятся в их монопольном владении независимо от того, используются ли они в данный момент или нет.

Такой режим имеет определенное достоинство, связанное с тем, что после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время независимо от нагрузки, поступающей от других абонентов. Кроме того, передачи осуществляются с фиксированной задержкой, т.е. может быть реализован режим передачи в реальном масштабе времени, что особенно важно при работе в режиме диалога (переговоров двух абонентов или обмене информацией между двумя компьютерами).

Однако этот метод имеет и недостатки, главным из которых является плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами сообщений наблюдаются длительные паузы. В реальных системах передачи сообщений доля пауз может быть достаточно большой. Даже в телефонных каналах речь занимает менее половины времени, а при передаче данных при диалоговом обмене человека и компьютера полезная нагрузка составляет единицы процентов от выделенной пропускной способности.

Для повышения эффективности использования пропускной спо­собности трактов сети в таких диалоговых системах и были разработаны методы коммутации, при которых пропускная способность сети не закрепляется на все время сеанса связи двух абонентов, а представляется им лишь по мере необходимости при появлении у них сообщений для передачи.

Коммутацией с накоплением называется совокупность операций при приеме на УК сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресом.

В сети с КК (рис. 7.1) процесс передачи состоит из следующих операций:

– вызывающий абонент Аб_n с помощью вызывного устройства посылает по абонентской линии в узел КК заявку на соединение с абонентом Аб_m, содержащую условный адрес вызываемого абонента;ппаратура коммутации узла КК по полученной заявке осу­ществляет соединение абонентской линии Аб.лин_n с абонентской линией Аб.лин_m, если абоненты принадлежат одному узлу КК, или соединительной линией между узлами, к которым принадлежат абоненты (сквозной канал может быть организован через несколько промежуточных узлов КК, где осуществляется аналогичная коммутация);

– после организации сквозного канала связи абонент Аб_m получает из узла КК сигнал вызова, а абонент Аб_n – сигнал установления соединения;

– происходит передача информации между абонентами, при этом обмен может быть одно- и двусторонним, так как обычно коммутируются двусторонние каналы связи;

– после завершения сеанса передачи информации и получения от абонента сигнала отбоя аппаратура коммутации узлов КК разрушает ранее установленные соединения каналов.

При отсутствии свободного канала либо его неисправности на любом из участков в заданном направлении или отсутствии свободных станционных устройств в УК соединение абонентов не может быть установлено и узел коммутации посылает Аб_n сигнал отказа в обслуживании (сигнал занятости). Для установления соединения Аб_n должен повторить заявку на соединение. Такой способ обслуживания, при котором вызов (заявка на соединение), поступивший в момент отсутствия свободных линий, или станционных устройств, получает отказ (теряется), называется обслуживанием с потерями.

При системе коммутации с накоплением (КН) ОП имеет постоянную прямую связь со своим УК (иногда с несколькими) и передает на него информацию. Затем эта информация поэтапно передается через узлы коммутации другим абонентам, причем в случае занятости исходящих каналов информация запоминается в узлах и передается по мере освобождения каналов в нужном направлении. Известны две разновидности системы с накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП). В сети с КС (см. рис. 7.1) процесс передачи следующий:

– вызывающий абонент Аб_n передает в узел коммутации подлежащее передаче сообщение вместе с условным адресом абонента Аб_m;

– в узле КС сообщение запоминается и по его адресу определяется канал, по которому оно должно быть передано;

– если канал к соседнему узлу КС свободен, то сообщение немедленно передается на соседний узел КС, в котором повторяется та же операция;

– если канал к соседнему узлу КС занят, то сообщение хранится в устройствах памяти вплоть до освобождения канала;

– хранящиеся сообщения устанавливаются в очередь по направлениям передачи с учетом категории срочности.

Такой способ обслуживания, при котором заявка, поступившая в момент отсутствия свободных линий или приборов, ожидает их освобождения, называется обслуживанием с ожиданием.

Метод КС нашел применение на телеграфных сетях общего поль­зования.

Метод коммутации пакетов (см. рис. 7.1) по своей идеологии совпадает с методом КС и отличается лишь тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части – пакеты. Различают два способа (режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и датаграммный.

Очевидно, что у каждого из рассмотренных методов коммутации имеется своя область применения, обусловленная его особенностями. Отсюда следует целесообразность сочетания разных методов коммутации на сетях, объединяющих большое число абонентов с отличающимися друг от друга величинами нагрузки, характером ее распределения во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких сетях при небольшой средней нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика и предпочтительнее использовать систему с КК. При передаче же многоадресных сообщений, необходимости обеспечения приоритетности сообщениям высокой категории срочности и при большой загрузке абонентских установок более эффективно использовать систему с КС. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.

В заключение заметим, что выбор методов коммутации – достаточно сложная оптимизационная задача. Она решается исходя из требований к транспортной сети, которые в свою очередь определяются особенностями трафика, классом пользователей и показателями качества их обслуживания.

Контрольные вопросы

1. Какие методы коммутации используются в сетях связи?

2. В чем отличие метода коммутации сообщений и метода коммутации пакетов?

Список литературы

1. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. – М.: Радио и связь. 1986. – 304 с.

2. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. – М.: Сов. радио, 1979. – 278 с.

3. Липкин И.А.Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования. – М.: Сов. радио, – 1978. – 240 с.

4. Передача дискретных сообщений. / В.П. Шувалов, Н.В. Захарченко, В.О. Шварцман и др.; Под ред. В.П. Шувалова. Учеб. для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 464 с.

5. ГОСТ 17657-79. Передача данных. Термины и определения.

6. Дузаров О. Протокол сжатия данных для модемов V.42bis // Модемы: Разработка и использование в России. Технология электронных коммутаций. – М., 1996. – Т.62.

7. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. – М.: Радио и связь, 1982. – 304 с.

Системы связи / В.Н. Васильев, А.П. Буркин, В.А. Свириденко: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. школа., 1987. – 280 с.

Требования, предъявляемые к телефонным службам.

Пользо­ватели предъявляют следующие требования к телефонным службам:

1) прозрачный физический канал из конца в конец (от одной абонентской установки до другой) должен предоставляться на требуемое время сеанса;

2) физический канал (в дальнейшем – канал) из конца в конец может состоять из одного или нескольких звеньев, соединенных в узлах коммутации (УК) последовательно;

3) звенья могут быть образованы каналами тональной частоты (КТЧ) систем передачи (СП) с частотным разделением каналов (ЧРК) или каналами СП с временным разделением каналов (ВРК);

4) каналы сети с КК общего пользования (ОП) являются общим ресурсом, используемым всеми пользователями;

5) длительность сеанса передачи информации должна зависеть исключительно от пользователя;

6) сеть должна поддерживать целостность физического канала из конца в конец ;

7) для создания канала из конца в конец сеть должна обеспечить обмен сигнализацией по способу «от звена к звену»;

8) качество предоставления сетевых ресурсов должно оцениваться долей блокировок (потерь), блокировки возникают при занятости ресурсов, требуемых пользователем, или допустимым временем ожидания.

Предоставление канала «из конца в конец» эффективно не только для передачи речевой информации, но и для массовых данных: массивов большого объема (файлов), факсимильных сообщений, цифровых видеосигналов. Такие данные создают пользовательские установки с непрерывным потоком данных, готовых к передаче.

Телефонные сети предоставляют пользователям тракт для передачи информации с задержкой в 10–20 секунд, определяемой временем набора номера вызываемого абонента и установления соединения каналов на станциях и узлах.

Сигнализация в телефонной сети. Во время установления соединения передаются сигнальные сообщения между пользовательской установкой и узлом коммутации (УК), куда она включена, и между УК. Пример сигнализации в телефонной сети показан на рис. 8.1. Сигнальные сообщения могут передаваться двумя способами. Традиционной в телефонных сетях является децентрализованная сигнализация. При таком способе сигнальные сообщения передаются по тому же каналу, который используется для передачи информации пользователя (речевой или данных) или по специальному сигнальному каналу, проложенному параллельно информационному. В цифровых сетях используется так называемая централизованная сигнализация, сущность которой состоит в том, что сигнальные сообщения многих пользователей передаются по общему для них каналу сигнализации (ОКС). В ОКС сообщения передаются в форме пакетов постоянной или переменной длины.

На рис. 8.1 показана последовательность передачи сигналов в стыке «абонент-сеть» и при межстанционной связи. В телефонных сетях необходимо передавать три вида сигналов в процессе установления и разъединения физических соединений: линейные (л), определяющие состояние устройств сети; адресные (а), определяющие маршрут в сети к оконечному устройству вызываемого абонента; информационные (и) или тональные, оповещающие абонентов об этапах (фазах) установления соединения.

Алгоритм установления соединения в телефонной сети. Лю­бая станция должна уметь интерпретировать поступающие линейные и адресные сигналы и генерировать необходимые сигналы для взаимодействия с другими элементами сети. Процесс обработ­ки вызовов включает следующие операции:

1) обнаружение изменения состояния любой абонентской или соединительной линии. Изменение состояния может быть связано с сигналами адресной информации или линейными. Адресные сигналы могут передаваться импульсами постоянного тока, тональными сигналами набора номера или многочастотными сигналами;

2) генерирование выходных сигналов. С помощью этих сигналов абоненты оперативно оповещаются о процессе соединения или разъединения и обеспечивается взаимодействие при межстанционной связи;

3) выбор пути (маршрута) через коммутационное поле стан­ции;

4) установление разговорного тракта в коммутационном поле и его разъединение.

Обычная последовательность процессов на станции (независимо от типа – электромеханическая, электронная, цифровая) при успешном соединении такова:

а) обнаружение запроса ресурсов станции от абонента или соединительной линии (канала);

б) поиск требуемых ресурсов (например, приёмника цифр набора номера);

в) оповещение абонента о предоставлении ресурсов (например, информационным сигналом «ответ станции»);

г) приём и накопление цифр номера, прекращение передачи сигнала «ответ станции»;

д) передача линейных и адресных сигналов в соединитель­ную линию или канал межстанционной связи;

е) установление разговорного тракта в коммутационном поле станции;

ж) определение состояния линии вызываемого абонента;

з) генерирование посылки вызова (ПВ), если линия свободна;

и) генерирование сигнала «контроль посылки вызова» (КПВ);

к) обнаружение ответа вызываемого абонента, прекраще­ние ПВ и КПВ.

Система обслуживания вызовов (заявок). Если на УК не создаются очереди ожидания освобождения каналов, то имеет место система обслуживания с отказами. В таких сетях (или на участках сетей) качество предоставления услуг оценивается вероятностью отказа. На УК некоторых телефонных сетей, например междугородных и международных, для отдельных категорий пользователей организуют очереди ожидания освобождения каналов. Обычно количество мест ожидания для одного направления связи невелико, а время ожидания ограничено десятками секунд. На УК, где организуются очереди, качество предоставления услуг оценивается вероятностью ожидания более заданного времени.

Место телефонной сети общего пользования РФ в международном телекоммуникационном пространстве. Положение телефонной сети общего пользования (ТФ–ОП) в современном телекоммуникационном пространстве определяется двумя параметрами: телефонной плотностью (ТП) и количеством основных телефонных аппаратов (ОТА). Под ОТА понимается количество основных абонентских линий, соединенных с АТС. По количеству ОТА Россия занимает шестое место в мире (после США – 143 млн., Японии – 59 млн., Германии – 35 млн., Франции – 33 млн. и Англии – 32 млн.). По ТП Россия замыкает четвертый десяток стран мира. Самую низкую ТП в первой десятке имеет Испания (36 %). Телефонная плотность является интегральным показателем развития любой страны. Она отражает состояние сети связи и косвенно характеризует качественный уровень сети. С ростом ТП практически во всех странах наблюдаются следующие изменения: переход от аналоговых систем передачи и коммутации к цифровым, расширяется количество служб и предоставляемых услуг, усложняются терминалы пользователей (они становятся многофункциональными), сеть эволюционирует от аналоговой к аналого-цифровой, затем к цифровой и интеллектуальной.