Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Глава 6. Принципы построения систем коммутации

назад | вперёд

 

6.1. Коммутация каналов, сообщений и пакетов

Известны три способа коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов.

На телефонных сетях наиболее распространенным способом коммутации является коммутация каналов (линий). Он характеризуется тем, что по переданному адресу представляется тракт между передатчиком и приемником на все время передачи информации в реальном масштабе времени. Недостатком этого способа является неэффективное использование тракта, так как информация (речевое сообщение) прерывается длительными паузами. В таких системах коммутации качество обслуживания вызовов оценивается вероятностью отказов в установлении соединения из-за занятости каналов (линий) и приборов коммутации (системы с потерями) или временем ожидания обслуживания вызова (в системах с ожиданием). Перечисленные показатели нормируются.

Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется (по адресу, приписываемому в начале сообщения), только на время передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки сообщения. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения.

При коммутации пакетов сообщение разбивается на части одинакового объема, называемые пакетами. Каждому пакету присваивается номер пакета и адрес получателя. Передача пакетов одного сообщения происходит аналогично передаче в системе с коммутацией сообщений и может осуществляться по одному или разным путям. В оконечном пункте пакеты собираются и выдаются адресату.

Каждый из способов коммутации имеет свои преимущества и недостатки и может быть эффективно использован в определенных условиях и для определенных видов информации.

6.2. Элементы теории телетрафика

Теория телетрафика – раздел теории массового обслуживания. Основы теории телетрафика заложил датский учёный А.К. Эрланг. Термин «трафик» соответствует термину «телефонная нагрузка». Последовательность сообщений (занятий) создает нагрузку на системы передачи и коммутации. Она определяется потоком вызовов и длительностью занятий канала.

    Вызов – требование источника на установление соединения или передачу сообщения.
    Поток вызовов – последовательность моментов поступления вызовов.
    Длительность занятия – среднее время, в течение которого занят обслуживающий прибор при одном занятии.

В общем случае потоки вызовов являются случайными процессами. Точное математическое описание потоков невозможно, поэтому используются их модели. Наиболее распространена модель в виде простейшего потока вызовов – это стационарный ординарный поток без последействия. В большинстве случаев поток вызовов в час наибольшей нагрузки (ЧНН) от группы источников численностью > 100 удовлетворительно описывается простейшим потоком. В том случае, если число источников меньше 100, используют модель примитивного потока.

    Примитивный поток – ординарный поток, параметр которого прямо пропорционален числу свободных источников.
    Телефонная нагрузка – общая длительность занятия обслуживающих приборов в течение некоторого промежутка времени. Единица измерения нагрузки 1 часо-занятие.
    Интенсивность телефонной нагрузки – величина нагрузки в единицу времени, измеряется в Эрлангах. 1 Эрл = 1 часо-занятие / час. Интенсивность телефонной нагрузки имеет сильные колебания, в том числе и в течение дня .
    Час наибольшей нагрузки (ЧНН) – период суток, в течение которого нагрузка имеет наибольшее значение
    Потери – часть поступающей нагрузки, которая не обслуживается из-за занятости обслуживающих приборов.

Существуют следующие виды коммутационных систем: коммутационные системы без потерь; коммутационные системы с потерями; коммутационные системы с ожиданием.

Дисциплиной обслуживания без потерь называется такая, при которой поступающий вызов немедленно обслуживается, и с потерями, если поступающий вызов либо получает отказ в обслуживании, либо обслуживание его задерживается на некоторое время.

По экономическим соображениям реальные коммутационные системы обычно проектируются с потерями. Различают следующие виды потерь: явные, условные и комбинированные.

Дисциплиной обслуживания с явными потерями называется такая, при которой поступающий на коммутационную систему вызов, получая отказ в обслуживании, покидает систему и в дальнейшем не оказывает на систему никакого влияния. При такой дисциплине обслуживания абонент, получив сигнал «занято», отказывается от дальнейших попыток установить соединение.

Дисциплиной обслуживания с условными потерями называется такая, при которой поступающий на коммутационную систему в момент отсутствия соединительных путей вызов не теряется, а обслуживается с ожиданием (дисциплина обслуживания с ожиданием). Если вызов обслуживается после многократных повторений попыток установить соединение, то имеет место дисциплина обслуживания с повторением.

Структура коммутационной системы характеризуется большим числом параметров: числом звеньев, числом, емкостью и способами связи коммутаторов и так далее. Наиболее удобной функцией распределения длительности обслуживания с точки зрения аналитического описания и анализа пропускной способности коммутационных систем является показательное распределение, так как оно не обладает последействием.

F(t) = 1-eβt ,

где β =1/М(t) – параметр длительности обслуживания; М(t) – математическое ожидание длительности обслуживания.

Одной из важнейших характеристик коммутационных систем является их эффективность. В качестве показателей эффективности наряду с экономическими (капитальными затратами, эксплуатационными расходами) широко используется и такой технический показатель, как пропускная способность.

Под пропускной способностью коммутационной системы понимается интенсивность обслуженной коммутационной системой нагрузки при заданном качестве обслуживания. Пропускная способность коммутационной системы зависит от величины потерь, емкости пучков линий, включенных в выходы коммутационной системы, от способа (схемы) объединения этих выходов, класса потока вызовов, структуры коммутационной системы, распределения длительности обслуживания и дисциплины обслуживания.

Для количественной оценки качества обслуживания с явными потерями рассчитываются следующие величины: потери по вызовам – pн; потери по времени - pt.

    • Потери по вызовам на отрезке времени [t1,t2) – это отношение числа потерянных за этот отрезок времени вызовов к числу поступивших за то же время вызовов.
    • Потери по нагрузке на отрезке времени [t1,t2) – это отношение  потерянной за этот отрезок времени нагрузки к поступающей за то же время нагрузке.
    • Потери по времени за отрезок времени [t1,t2) – это доля времени, в течение которого все соединительные пути, доступные группе источников, заняты.

Если в выражения для потерь по вызовам, нагрузке и времени подста­вить математические ожидания соответствующих случайных величин, то можно говорить о вероятности потерь по вызовам, нагрузке и времени. Тогда формула для расчета pв будет иметь вид:

,                                        (6.1)

где λ – интенсивность потока вызовов; υ – количество каналов;

Соотношение 6.1 называется распределением Эрланга. Оно показывает, что вероятность pi зависит только от числа занятых линий i, емкости пучка υ и величины параметра потока вызовов λ. По этим соображениям вероятность pi принято обозначать Ei,υ(λ), а вероятность pυ – через Eυ,υ (λ) или Eυ(λ).

pв = pt = pυ = Eυ(λ).

При выводе формулы средняя длительность занятия принята равной единице; отсюда и параметр длительности занятий при показательном законе распределения β = 1. В общем случае при измерении длительности занятий в любых единицах времени (β  1) распределение Эрланга имеет следующий вид:

.

В частности, вероятность того, что в полнодоступном пучке заняты все υ линий (i = υ), равна

,

где y – интенсивность поступающей нагрузки

y = μ = μ/β  = λ/β;

μ – интенсивность потока вызовов;  – средняя длительность занятия.

Для простейшего потока, который является ординарным и стационарным, μ = λ. Тогда распределение Эрланга имеет вид:

.

При  :   распределение Эрланга преобразуется в распределение Пуассона:

pi = (yi/i!)e-y.

Для количественной оценки качество обслуживания с ожиданием рассчитываются характеристики:

    • вероятность ожидания обслуживания для поступившего вызова – p( γ > 0);
    • вероятность ожидания для любого поступившего вызова свыше времени t, равна p(γ > t);
    • среднее время ожидания по отношению ко всем поступившим вызовам – и по отношению только к задержанным вызовам – ;
    • вероятность того, что длина очереди превышает заданную величину r, p(R < r);
    • средняя длина очереди – .

Основными характеристиками являются p(γ > 0) и p(γ > t).

Для систем с ожиданием вероятность ожидания для поступившего вызова p(γ > 0) – это отношение математических ожиданий числа задержанных в обслуживании за отрезок времени [t1,t2] вызовов к числу поступивших за рассматриваемый промежуток времени вызовов находится из выражения:

,                        (6.2)

Выражение (6.2) называется второй формулой Эрланга. Формула табулирована. Таблицы позволяют по любым двум из трех параметров y, υ, pt – определить третий.

Выражение (6.2) показывает, что потери по времени pt , численно равные условным потерям p(γ > 0), могут быть определены и с помощью таблиц первой формулы Эрланга. Используя эти таблицы, pt можем определить из следующего соотношения:

.

Потери измеряются в процентах или в промилле [0,1%].

Нормативы:

На ГТС между двумя ТА на одной ГТС  р ≤ 0,03; на ЗТС между двумя ТА разных местных сетей одной зоны р ≤ 0,03 – 0,13; на МТС между двумя ТА разных зон семизначной нумерации р ≤ 0,1.

Если потери меньше 10 %, то абоненты на них не реагируют.

Основная задача инженерных расчетов – установление оптимального количества обслуживающих приборов при заданной интенсивности нагрузки и качестве обслуживания: V = f [Y, р].

6.3. Принципы построения систем коммутации

    • Точка коммутации – группа коммутационных элементов, осуществляющих коммутацию одновременно при подаче одного управляющего сигнала.
    • Звено коммутации – группа коммутаторов, обеспечивающих одну и ту же функцию в коммутационной станции
    • Коммутационный блок – часть ступени искания, представляющая собой совокупность точек коммутации, обслуживающих определенную группу входов
    • Ступень искания – часть коммутационной станции, реализующая один вид искания
    • Коммутационное поле (КП) – совокупность коммутационных приборов всех ступеней искания станции
    • Коммутационная станция – совокупность технических средств, обеспечивающая коммутацию абонентских и соединительных линий и каналов при осуществлении оконечных и транзитных соединений во вторичной сети связи.

Пространственная коммутация

В пространственных КП коммутируемые цепи разделены в пространстве. Простейшим коммутационным устройством КП является коммутатор (рис.6.1) – это коммутационная схема с n входами и m выходами.

Подпись:   Входы

Рис. 6.1. Схема коммутатора n×m и его символическое изображение

 В точке пересечения входа с выходом может быть установлен коммутационный элемент (КЭ) – металлический контакт или полупроводниковый переключатель. Если в квадратном коммутаторе nхn на пересечении всех входов с выходами установлены КЭ, то в нём всегда можно установить соединение заданного входа с любым свободным выходом. Коммутатор с таким свойством является неблокирующим, то есть все его выходы доступны любому входу и даже при занятости n = 1 выходов последний свободный выход доступен входу. Если n > m, то в коммутаторе возникают блокировки.

Если к входам и выходам одного квадратного коммутатора N×N подключить абонентские линии одной АТС, то количество необходимых КЭ Q = N2 ­– N = N(N – 1), так как КЭ по диагонали слева направо не нужны. Стоимость такого КП будет велика. Использование многозвенных структур, в которых коммутаторы соединены каскадно, позволяет построить КП с существенно меньшим количеством КЭ при заданном количестве абонентов станции и с приемлемыми потерями. Схема такого КП показана на рис.6.2.


Рис. 6.2. Трёхступенчатая (трёхзвенная) коммутационная схема

 Каждая ступень коммутации связана с совокупностью соединительных путей (звеньев). Общее число КЭ в этой схеме существенно меньше, чем в схеме квадратного коммутатора с  N-входами и N-выходами:

Q = 2nm (N/n) + m (N/n)2 = 2Nm + m (N/n)2.

Коммутационные поля современных ЦСК относятся к КП блокирующего типа, однако в них число звеньев и параметры коммутаторов выбирают такими, чтобы вероятность блокировки была очень мала (не больше 0,1%).

Трёхзвенная схема может быть и не блокирующей, если будет выполнено условие: m = 2n – 1. Использование неблокирующих схем в ЦСК большого объёма неэффективно, так как требует значительно большего количества КЭ, чем в блокирующих, при прочих равных условиях.

Временная коммутация

Временное разделение может реализоваться, например, с помощью импульсно-кодовой модуляции. В ТФОП России, как и в сетях Европы, используются тридцатиканальные ЦСП с ИКМ. В групповом тракте одного направления передачи (например, в двухпроводной кабельной физической линии) такой ЦСП организуется 30 разделённых во времени ка­налов (ВК) для передачи речевой информации или данных и двух специальных канала. Такое разделение 30 каналов, предоставляемых пользователям, показано на рис. 6.3, а. Коммутационные поля цифровых станций и узлов строятся с использованием пространственно-временной коммутации. Пусть для каждого ВК существует ячейка памяти, где код данных хранится в тече­ние цикла. На рис. 6.3, б ячейки, закреплённые за одной линией ИКМ, показаны вертикальными линиями. Также имеются промежуточные линии (горизонтальные), по которым содержимое любой ячейки может быть прочитано в любом нужном временном положении. Процесс такого считывания и называется временной коммутацией.

Рис. 6.3. а) Формат цикла ЦСП с ИКМ и схематичное изображение временного разделения каналов,
б) Схема пространственного эквивалента временной коммутации

Пример КП с пространственно-временной коммутацией показан на рис. 6.4. В ней на первой ступени и третьей ступенях используется временная, а на второй – пространственная коммутация.

Тип коммутации, приведённой на схеме, называют время – пространство – время (В-П-В). Как и на рис.6.2, здесь число входящих и исходящих каналов равно N. Эти каналы представлены в N/n входящих и исходящих линиях ИКМ. Работа такой коммутационной схемы аналогична работе трёхзвенной пространственной коммутационной (см. рисунок 6.2). В пространственных коммутаторах второй ступени устанавливаются соединения временных каналов исходящих и входящих линий ИКМ.


Рис. 6.4. Схема трёхзвенного КП типа В-П-В

Это значит, что КЭ, разделённые в пространстве и установленные на пересечении вертикали с горизонталью, должны открываться в выбранном свободном временном положении коммутации, которое выбирается управляющим устройством. Оно же обеспечивает считывание кода данных из требуемой ячейки (например, второй) информационной памяти входящей линии ИКМ (например, первой) в ячейку (например, n) информационной памяти некоторой исходящей линии ИКМ (например, N/n-й).

Контрольные вопросы

1. Какие методы коммутации используются в сетях связи?
2. В чём отличие метода коммутации сообщений и метода коммутации пакетов?
3. Каким главным недостатком обладает метод коммутации каналов? В чём его достоинство?
4. Дайте определение телефонной нагрузке. Дайте определение ЧНН.
5. Какая величина потерь (блокировок) не замечается абонентами?
6. Каковы принципы пространственной коммутации?
7. К чему сводится работа схемы временной коммутации?
8. Приведите пример трёхзвенной коммутационной схемы.
9. В чём преимущество многозвенных (многоступенных) коммутационных схем по сравнению с однозвенными?
10. Постройте трёхзвенную коммутационную схему типа В-П-В.


назад | содержание | вперёд