Глава 4
Принципы цифровой коммутации
Разумеется, мы никогда не поступимся нашими принципами.
В. Ленин, 27.11.1918
Принципами, товарищи, мы не должны поступаться ни под какими предлогами.
М. Горбачев, 18.02.1988
Не могу поступиться принципами.
Н. Андреева, 13.03.1988
Как видно из материалов предыдущих глав, первые сто лет, или около того, эволюция ТФОП происходила довольно медленно. По сути, за исключением декадно-шаговых АТС и телефонов с дисковым номеронабирателем, за первые 50 лет было мало что сделано в плане технологии. Внедрение координатных АТС в 1930-х годах, автоматической междугородной связи в 1950-х и тастатурных телефонных аппаратов с многочастотным набором номера в 1960-х годах считались революционными событиями.
Темпы эволюции заметно возросли с появлением АТС с программным управлением, передачи цифровых данных по коммутируемым каналам с помощью модемов и факсов и общеканальной сигнализации №7 в 1960-х, 1970-х и 1980-х годах, соответственно. К середине 1980-х годов темпы возросли значительно, а в начале 1990-х годов начало чувствоваться влияние сетей ISDN, концепции Интеллектуальной сети, идеи Информационной супермагистрали, а также других технологических и макроэкономических факторов, повлиявших на коммуникационные технологии. Одной из наиболее существенных технологий среди перечисленных выше являются цифровые АТС с программным управлением.
В двух предыдущих главах были рассмотрены системы коммутации физических каналов, в которых каждому соединению предоставляется своя физическая линия (электрическая цепь). При цифровой коммутации носителем информации является не амплитуд передаваемого по линии электрического сигнала, а временная последовательность импульсов, т.е. временной канал, определяемых пространственной и временной координатами.
В данной главе рассматриваются основные принципы цифровой коммутации, на которых строятся изучаемые далее в книге цифровые АТС, концентраторы, мультиплексоры, шлюзы, конвертеры другие устройства, обеспечивающие соединение и перенос информации в цифровом виде. К этому перечню следует добавить источники передачи информации, к которым, наряду с рассмотренными ранее обычными телефонными аппаратами, относятся устройства передачи данных, терминалы ISDN, компьютеры, факсы, видеокамеры, сканеры и т.п. В качестве приемников информации, в дополнение к упомянутым, могут выступать, например, видеомонитор или принтеры.
Эпоху цифровой реализации телекоммуникационной сети предопределило наличие двух недорогих, но чрезвычайно важных устройств: кодеков, преобразующих аналоговые сигналы в цифровые (рис. 4.1, а), и модемов, преобразующих цифровые сигналы в аналоговые при передаче данных по аналоговым телефонным сетям (рис. 4.1, б). Именно они, наряду с цифровизацией многоканальной электросвязи — систем передачи с ИКМ, обусловили появления цифровых систем коммутации.
Суть цифровизации заключается в том, что исходный аналоговый электрический сигнал может быть воспроизведен из соответствующей последовательности дискретных значений его амплитуды (отсчетов). Число отсчетов в секунду называется частотой дискретизации и зависит от самого высокочастотного компонента, присутствующего в аналоговом сигнале. Известная теорема Котельникова гласит, что аналоговый сигнал можно правильно восстановить, если частота дискретизации вдвое превышает частоту сигнала. Именно на ней и на теореме Найквиста, доказанной Гарри Найквистом в 1928 году, и устанавливающей тот факт, что, если частота выборки fs превышает не менее чем вдвое самую высокочастотную составляющую аналогового сигнала fa, то первоначальный аналоговый сигнал полностью описывается только с помощью моментальных выборок, основывается импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Эта минимальная частота выборки иногда называется частотой Найквиста.
Строже говоря, устройство дискретизации «вырезает» из первоначального аналогового сигнала x(t) короткие выборочные импульсы (рис.4.2), образуя последовательность мгновенных значений амплитуды — дискретизированный во времени сигнал y(t) с частотой следования импульсов fs. Этот процесс известен как амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).
Полученный таким образом сигнал y(t) представляет хотя и дискретные во времени, но, тем не менее, аналоговые значения амплитуды первоначального сигнала x(t). Для того, чтобы передавать эти выборочные значения в цифровой форме, требуется их квантование значение каждой амплитуды округляется до ближайшего числа из некоторого конечного набора заранее фиксированных чисел (уровней квантования), и в результате получается сигнал z(t), дискретизированный по амплитуде. На рис. 4.2 представлены исходный сигнал, дискретный во времени сигнал, полученный из исходного, и сигнал, полученный после квантования и представляющий собой дискретную во времени последовательность дискретных амплитуд. Заметим, что при квантовании значения амплитуды исходного сигнала утрачиваются вследствие округления, так что этот сигнал уже не может быть восстановлен точно (потеря точности выражается в т.н. шумах квантования, рассмотрение которых остается за пределами учебника).
И, наконец, последнее преобразование сигнала, также показанное на рис.4.2. Поскольку количество уровней квантования является конечным, все их можно пронумеровать (например, в порядке возрастания) и представить каждый номер в виде двоичного кодового слова. В результате сигнал z(t) превращается в последовательность n-битовых слов, т.е. становится цифровым. Все это вместе и есть импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).
Очевидно, что чем больше уровней квантования, тем лучшую характеристику будет иметь восстановленный сигнал. Например, для речевых сигналов ИКМ достаточно иметь 256 уровней (8-битовые двоичные слова), но при кодировании музыки в CD-плейерах для получения удовлетворительной характеристики требуется 65536 уровней (16-битовые двоичные слова). Чем лучшее качество нам требуется, тем в большем количестве уровней квантования мы нуждаемся, и тем более длинными должны быть кодовые слова, что, естественно, приводит к необходимости передавать биты с более высокой скоростью. Скорость передачи битов должна быть настолько высока, чтобы цифровое слово, несущее предыдущее дискретное значение амплитуды сигнала, оказалось переданным до того, как появится следующее слово, готовое к передаче. Поэтому для каждой системы приходится искать определенный компромисс между качеством и скоростью передачи информации.
Аналоговый речевой сигнал в телефонии занимает диапазон частот шириной до 4000 Гц и требует производить отсчеты амплитуды 8000 раз в секунду, т.е. частота дискретизации составляет 8 кГц. При квантовании отсчетов используется 256 стандартных амплитуд, которые потом кодируются 8-разрядными двоичными словами. Затем эти слова передаются в соответствующих временных интервалах, а на приемной стороне выполняется обратный процесс приближенного восстановления исходного аналогового речевого сигнала. Частота отсчетов 8 кГц и 8-битовая схема кодирования (все это выбиралось в результате длительных дебатов в ITU-Т) дают очень хорошее качество речи, правда, за счет довольно высоких требований к скорости передачи битов. Меньшая частота отсчетов и/или меньшая разрядность кодирования (7-битовая схема кодирования, например) дают менее гладкий и менее точно восстановленный речевой сигнал.
Итак, результат каждого отсчета представляется одним байтом. Имеем: 8000 байтов в секунду и 8 битов в каждом байте. Скорость потока данных, передающего человеческую речь, составляет:
4000Гц
х2
8000 отсчетов в секунду
х8 битов на отсчет
64Кбит/с
Поскольку ИКМ была первой стандартной технологией, получившей широкое применение в цифровых системах передачи, пропускная способность канала, равная 64 Кбит/с, стала всемирным стандартом для цифровых сетей всех видов. Все сегодняшние цифровые линии имеют пропускную способность, либо равную 64 Кбит/с, либо кратную этой величине. Например, пропускная способность цифрового тракта El составляет 2.048 Мбит/с, что эквивалентно 32 каналам по 64 Кбит/с каждый (отметим сразу, что для передачи информации пользователей обычно используются 30 каналов, а остальные два служат для синхронизации, контроля и сигнализации). Обозначение Е1 стало общепринятым для европейского стандарта тракта 2.048 Мбит/с.
Технология ИКМ, базирующаяся на математических результатах Найквиста и Котельникова, представляет собой сегодня наиболее общий метод преобразования аналоговых речевых сигналов в цифровую форму.
Однако не забудем, что и ИКМ, и канал 64 Кбит/с стандартизировались в 1970-е годы. Современные технологии цифровой обработки сигналов предоставляют много более действенных способов кодирования. Имеется в виду, что можно добиться лучшего качества при той же скорости передачи битов, или равноценного качества при более низкой скорости передачи. Сегодня существуют и используются более сложные схемы кодирования. Например, телефоны ISDN могут передавать высококачественную речь в диапазоне 7 кГц с той же скоростью 64 Кбит/с. Другой пример — это широко распространенная технология мобильной связи GSM.
В ряде ведомственных сетей уже давно применяют более эффективные системы кодирования, такие как АДИКМ. Поясним, что АДИКМ поддерживает передачу речи с «телефонным» качеством на скорости 32 Кбит/с, обеспечивая тем самым более эффективное использование имеющейся полосы пропускания. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКО) эффективнее, чем ИКМ, поскольку она предусматривает кодирование только изменений уровня сигнала. Основываясь на предположении, что изменение амплитуды речевого сигнала происходит относительно медленно, для представления каждого отсчета можно использовать меньше битов. В ДИКМ обычно используют 4 бита, что дает коэффициент сжатия 2:1. Такой уровень компрессии позволяет иметь в тракте Е1 64 канала по 32 Кбит/с вместо 32 каналов по 64 Кбит/с в стандарте ИКМ. ДИКМ обычно обеспечивает качество речи, сравнимое с ИКМ. Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) улучшает качество ДИКМ, причем без увеличения количества необходимых битов, а благодаря увеличению диапазона изменений сигнала, которые можно представить 4-битовой величиной. Но поскольку АДИКМ не согласуется с АТС на базе ИКМ, то, чтобы ввести два сжатых до 32 Кбит/с разговора в один канал ИКМ, необходимо специальное оборудование — мультиплексор компрессии битов. Впрочем, к вопросу о 32 Кбит/с мы еще вернемся в главе 6 при описании отечественной станции С-32.
Отметим, что АДИКМ — не единственная технология, появившаяся в результате непрекращающихся экспериментов производителей средств телефонии с теоремой Котельникова. Одно из предложенных ими направлений — уменьшить точность, с которой уровни квантования соответствуют амплитудам исходного сигнала в точках отсчета, в результате чего для кодирования вместо восьми требуется всего шесть или семь битов. Другое направление хорошо иллюстрирует дощатый забор, верх которого обрезан по кривой линии: даже убрав четыре из каждых пяти досок, изгиб восстановить все-таки можно. Еще одно направление основано на предположении, что в обычной человеческой речи существуют прогнозируемые паузы: в эти паузы с помощью техники, известной как подавление молчания, вводятся дополнительные разговорные сигналы. Применяются также разные варианты метода квантования, которые пока не являются общепринятыми или широко используемыми в коммутационных узлах и станциях, но о которых будет сказано в главе 7, посвященной сетям доступа. В числе этих вариантов: варьируемый уровень квантования (VQL) — коэффициент компрессии 2:1 (32Кбит/с), непрерывно варьируемое изменение крутизны (CVSD) — коэффициент компрессии 4:1 (16 Кбит/с) или 6.667:1 (9.6 Кбит/с), кодирование с векторным квантованием (VQC), — коэффициент компрессии 4:1 (16 Кбит/с), речь с высокой пропускной способностью (HCV) — коэффициент компрессии 8:1 (8 Кбит/с). При применении таких методов компрессии нельзя забывать об одном жестком правиле: высвобождение ресурса пропускной способности, достигаемое с их помощью, оплачивается качеством звука. Новейшие методы могут обеспечить даже коэффициент сжатия 16:1 (скорость 4 Кбит/с), однако качество речи при этом становится приемлемым только для исключительных случаев. Эти вопросы будут также затронуты в главе 7.
Теперь, вооружившись знаниями о технологии цифровой передачи информации, продолжим рассмотрение АТС, начатое в предыдущих главах книги. Коммутационная станция называется цифровой, когда ее коммутационное поле может коммутировать только цифровые сигналы, несущие как речь, так и управляющие сообщения или команды. Аналоговые сигналы тоже могут коммутироваться цифровой станцией, но лишь с применением аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей. Сказанное представляет собой весьма упрощенное определение цифровой коммутации, но в следующих главах книги мы создадим из него более аккуратно и тщательно разработанную модель.
Эволюцию от аналоговой коммутации к цифровой иллюстрирует рис. 4.3. На рис. 4.3, а показаны аналоговые АТС с аналоговыми абонентскими и соединительными линиями (кстати, такое разделение на абонентскую и сетевую стороны узла коммутации прослеживается по всей книге). На рис. 4.3, б показана следующая фаза эволюции коммутации. В этой фазе цифровые коммутаторы взаимодействуют с другими цифровыми коммутаторами через цифровые соединительные линии, хотя могут также использоваться аналоговые абонентские линии и аналоговые соединительные линии, но непременно с использованием аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Однако коммутационное поле является цифровым, что подразумевает коммутацию в станции исключительно цифровых сигналов.
Ниже в этой главе будет использоваться поэтапный подход к изучению цифровой коммутации. Поскольку целью следующих глав является систематический анализ разных аспектов цифровых АТС, то здесь, во-первых, рассматривается базовая модель такой АТС, как она упрощенно представлена на рис. 4.3, б, а затем эта модель будет постепенно расширяться, охватывая большинство важных функций современной цифровой коммутационной станции. В параграфе 4.3 рассматриваются комплекты аналоговых и цифровых абонентских линий, а затем, в параграфе 4.4, — базовое ядро цифровой станции с переключающей матрицей, которая называется коммутационным полем. Коммутационное поле переключает каналы и тракты под управлением процессора и соответствующих контроллеров. Далее вводятся понятия линейных и служебных модулей, контроллеров интерфейсов и распределенного программного управления, которое рассматривается затем в соответствующей главе вместе с программным обеспечением цифровой АТС. Таким образом, данная глава предназначена исключительно для изложения некоторых базовых принципов организации и работы цифровых станций.
В представленной на рис. 4.3, б упрощенной блок-схеме гипотетической цифровой АТС можно выделить следующие функциональные подсистемы:
- Модули абонентских линий
- Коммутационное поле
- Модули соединительных линий
- Система управления.
В этот перечень не попало оборудование кросса (MDF, main distributing frame) — место, куда заводятся все входящие в станцию абонентские линии. Кросс имеет две стороны: вертикальную и горизонтальную. К вертикальной стороне подсоединяются абонентские кабели, а линии от абонентских модулей соединяются с горизонтальной стороной. Фактически соединение между вертикальной стороной (кабельная пара) и горизонтальной стороной (пара от станции) определяет номер абонента. Другим такого же рода устройством является распределительный магистральный щит (TDF, trunk distributing frame) — место подключения к АТС всех соединительных линий. TDF обычно меньше, чем кросс (MDF), и также имеет две стороны: вертикальную и горизонтальную. В состав оборудования АТС, как правило, входит электропитающая установка, представляющая собой совокупность силовых конвертеров, аккумуляторных батарей и аварийных источников питания станционного оборудования.
Прежде всего рассмотрим подробнее важнейший компонент любой цифровой АТС — комплекты аналоговых абонентских линий. Упрощенная схема абонентского комплекта показана на рис.4.4. и включает в себя элементы, поддерживающие батарейное питание (Battery feed), защиту от перенапряжения (Overvoltage protection), посылку вызова (Ringing current), контроль шлейфа абонентской линии (Supervision), кодирование аналоговых сигналов (Codiing), функции дифсистемы (Hybrid) и тестирования (Testing). Отсюда и возникла аббревиатура BORSCHT, весьма привычно звучащая на русском языке.
Первой функцией, которую должен обеспечить абонентский комплект, является дистанционное батарейное питание абонентского телефонного аппарата постоянным напряжением 60 В. Подавляющее большинство абонентских линий имеют длину менее 8 км и сопротивление шлейфа менее 1000 Ом, что исключает проблемы с питанием даже при напряжении питания 48 В, принятом в импортных АТС. Для удаленных абонентов и в других исключительных случаях напряжение питания может быть повышено путем включения дополнительного источника и/или использования специальных абонентских комплектов удаленных абонентов. Применяемое в телефонии питание от станционной батареи обеспечивает дополнительную надежность связи (она сохраняется при выходе из строя местной электросети), а также упрощение телефонного аппарата (он не нуждается в блоке сетевого питания). Впрочем, последнее обстоятельство сегодня не представляется существенным, так как местное электропитание все равно необходимо для без шнуровых телефонных аппаратов, для факсимильных аппаратов и для обеспечения других дополнительных возможностей. Все это наводит на размышления о том, насколько необходимо сохранять централизованное питание телефонного аппарата в сети ISDN, при использовании оптических абонентских линий и при других перспективных технологиях сети доступа, которые будут обсуждаться в главе 7.
Другая функция абонентского комплекта — защита от перенапряжений, источниками которых могут быть бытовые нарушения в электропроводке, метеорологические условия (например, удар молнии), воздействия промышленной среды (например, связанные с повреждениями высоковольтных линий) и т.п. Для защиты могут использоваться газонаполненные предохранители, стабилитроны или другие средства.
Каждый абонентский комплект выполняет также коммутацию цепи вызывного тока при посылке вызова к телефонному аппарату. В аналоговых телефонных аппаратах звонок работает от довольно высокого переменного напряжения частотой 25 Гц с длительностью посылок, различающейся при местном вызове, при автоматическом междугородном вызове и при вызове со стороны телефонистки междугородной станции. Для современных бес шнуровых или цифровых телефонов дистанционное возбуждение звонка переменным током низкой частоты заменяется тональным вызывным сигналом.
Весьма важной функцией, выполняемой абонентским комплектом, является контроль шлейфа абонентской линии для распознавания абонентской сигнализации. Вопросы абонентской сигнализации рассматриваются ниже. Другими функциями, входящими в набор BORSCHT, являются аналого-цифровое (А/D) и цифро-аналоговое (D/А) преобразование — кодирование речевого сигнала, подробно рассмотренное в первом параграфе данной главы, и функции дифсистемы, обеспечивающие переход от двухпроводной схемы передачи речевых сигналов по абонентской линии к внутристанционной четырех проводной схеме. Термин «Hybrid» описывает весь набор задач, связанных с разделением направлений передачи при двусторонней связи.
И, наконец, абонентские комплекты должны предусматривать тестирование абонентской линии и аппарата абонента, позволяющее при возникновении неисправности установить ее причину и место. Сюда входит контроль сопротивления изоляции провода а или b относительно земли, сопротивления изоляции между проводами а и b, рабочей емкости между проводами а и b, сопротивления шлейфа, параметров номеронабирателя. Эти проверки, проводимые, как правило, с помощью централизованных пультов, будут рассматриваться в посвященной технической эксплуатации главе 10 при описании систем централизованного технического обслуживания абонентов типа АРГУС.
Схемы абонентских комплектов, используемых в современных АТС, изменяются практически ежегодно, так что рис.4.4 следует рассматривать только как пример. Сигналы от телефонного аппарата по проводам а и b абонентской линии поступают в абонентский комплект через схему защиты от перенапряжений. При входящем вызове в абонентском комплекте к проводам а и b подключается вызывное напряжение, и сигнал вызова передается по линии к телефонному аппарату абонента.
Схема интерфейса абонентской линии SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) содержит блок абонентской сигнализации и блок перехода от двухпроводной линии к четырехпроводной. На станционной стороне SLIC устанавливаются один приемный и один передающий фильтры, которые служат для ограничения полосы частот речевого сигнала. Сигналы, поступающие от абонентского аппарата, детектируются в SLIC и в двоичной форме передаются в управляющее устройство (УУ) абонентского модуля. Такие же двоичные сигналы, в свою очередь, использует УУ для передачи от станции к абоненту акустических сигналов, таких как сигнал занятости, ответ станции, и т.д. Еще раз подчеркнем, что функции УУ варьируются от системы к системе, но на самом низком уровне должно обеспечиваться сканирование каждого абонентского комплекта, чтобы детектировать изменение состояния соответствующей абонентской линии. О каждом изменении сообщается УУ с указанием адреса линии и, обычно, времени, прошедшего с момента последнего изменения ее состояния. И, наконец, УУ должно выполнять функции технической эксплуатации абонентского модуля. Число абонентских комплектов в одном модуле зависит от типа АТС.
В абонентский комплект не входят средства, поддерживающие многочастотный набор номера (DTMF). Впервые DTMF был введён AT&T в 1963 году с целью ускорить установление соединения на АТС. До этого применялся только импульсный набор номера, уже рассмотренный нами при изучении абонентских комплектов электромеханических АТС. Набор 7-значного номера импульсным способом занимает минимум 8.1 секунды. Набор того же 7-значного номера многочастотным способом можно выполнить гораздо быстрее, экономя время абонентов. Таким образом, многочастотный набор номера сокращает длительность непроизводительного занятия ресурсов АТС и сети. Сигналы DTMF используются также для ввода PIN-кода предоплатной карты, доступа к речевой почте и к другим услугам компьютерной телефонии и IP-телефонии, которые будут рассмотрены в главе 11. Как только телефонное соединение установлено, дополнительные сигналы DTMF, предусмотренные системами компьютерной телефонии, речевой почты или интерактивного речевого ответа IVR, проходят через АТС и через сеть прозрачно.
Телефон, оборудованный DTMF, вместо диска имеет многочастотную тастатуру. Обычно такая тастатура содержит 12 клавиш (10 — для цифр, а две — для символов * и #). Тастатура некоторых телефонов имеет только 10 клавиш, но существуют и аппараты с 16-клавишной тастатурой (еще 4 клавиши — для символов А, В, С и О).
Для кодирования цифр и символов используется две группы звуковых частот, одна — в нижней части речевого диапазона, вторая — в верхней его части. Каждой цифре или символу (т.е. каждой клавише тастатуры) соответствует определенная двухчастотная комбинация (одна частота из нижней группы и одна — из верхней). Применительно к 16-клавишной тастатуре это показано в табл. 4.1, где каждая строка соответствует определенной частоте нижней группы, а каждый столбец — определенной частоте верхней группы; на пересечениях строк и столбцов записаны цифры (символы), обозначаемые соответствующими парами частот. Очевидно, что для 12-клавишной и 10-клавишной тастатуры крайний справа столбец табл. 4.1 не нужен, и частота 1633 Гц не используется.
Схема генерирования сигналов DTMF устроена так, что при нажатии на тастатуре одновременно двух клавиш одного и того же горизонтального или одного и того же вертикального ряда генерируется только одна частота, общая для этих двух клавиш. Например, нажав одновременно 1 и 4, мы получим только частоту 1209 Гц, а нажав сразу две клавиши в разных рядах, скажем, 1 и 5, мы вообще не получим никакой частоты.
Приемник сигналов DTMF бывает подключен к проводам абонентской линии тогда, когда предполагается набор абонентом цифр и/или символов. Для каждой из сигнальных частот в нем имеется детектор с узкополосным частотным фильтром. Цифра (или символ) считается принятой, когда сигнал достаточно высокого уровня обнаружен одновременно двумя детекторами.
Работа некоторых старых телефонных аппаратов с многочастотным набором номера зависела от полярности на проводах линии. Если в таком аппарате переполюсовать провода а и b, сам он будет работать, но тастатура работать не сможет. Во многих АТС переполюсовка напряжения на проводах а и b служит сигналом того, что абонент ответил и можно начать начисление платы за связь. Эта операция намеренно блокировала тастатуру DTMF. Однако многие новые услуги требуют, чтобы вызывающий абонент мог передавать сигналы DTMF, уже получив соединение с нужной ему службой. Такие службы могут функционировать потому, что сигналы DTMF передаются по тому же тракту, что и разговорный сигнал, и служба может их принять, хотя АТС уже отключила свои детекторы, считая, что абонент закончил набор. Организовать же работу подобных служб с применением импульсного набора намного сложнее, поскольку многие АТС не ретранслируют импульсы набора в условиях, когда набор номера не ожидается. Поэтому новые телефонные аппараты с многочастотным набором делают нечувствительными к полярности.
Потребность в услугах передачи данных стала расти с 1970-х годов. За границей эти услуги вначале предоставлялись сетями передачи данных с коммутацией пакетов (PSDN) на базе протокола Х.25. К началу 1980-х годов стало ясно, что имеются и потребность, и техническая возможность интеграции передачи данных и речи водном цифровом тракте. Создавались такие приложения, как видео-телефония, онлайновые информационно- справочные службы, передача оперативной информации об абоненте на экран рабочего места оператора, который его обслуживает, передача телеметрической информации для управления производственными процессами или для мониторинга пожарных датчиков с автоматическим оповещением о связанных с ними событиях посредством телефонных вызовов, а также ряд чисто телефонных услуг. Естественным развитием этих приложений и стал ISDN-терминал, представляющий собой либо компьютер с функционирующим на нем специализированным приложением, либо специализированный телефонный аппарат, оснащенным дисплеем. Несколько ISDN-терминалов обслуживается сетевым окончанием (NT), которое помещается у пользователя дома или в офисе и подключается по абонентской линии к АТС с функциями ISDN. Обычные терминалы (телефоны, факсы и др.) могут подключаться к NT через соответствующие терминальные адаптеры (ТА).
Таким образом, цифровая абонентская линия ISDN оканчивается в помещении абонента сетевым окончанием NT, к которому может быть подключено несколько разных терминалов, разделяющих ресурс абонентской линии — два В-канала (по 64 Кбит/с) и один D-канал (16 Кбит/с). Каждый терминал обеспечивается адресом, по которому с ним может связаться любой другой абонент сети ISDN. С другой стороны, любой терминал может передать на АТС запрос связи через сеть ISDN либо в режиме коммутации каналов, либо в пакетном режиме. В первом случае станция должна организовать обычное соединение между двумя абонентами. Во втором случае абоненты передают к АТС в асинхронном режиме пакеты данных, которые та должна быть способна хранить и пересылать к адресатам. Речевая или факсимильная связь обеспечивается в режиме коммутации каналов. Обмен данными может производиться в любом из двух режимов коммутации.
Разработка стандартов для ISDN велась под руководством организации, которая тогда называлась Исследовательской комиссией XVIII MKKTT (в настоящее время — Исследовательская комиссия 13 ITU-Т), а вопросы услуг, технической эксплуатации, учета и пр. разрабатывали другие Исследовательские комиссии, компетентные в соответствующих областях. К примеру, протоколы сигнализации в интерфейсе пользователь-сеть ISDN определены в Рекомендациях I.450/Q.930 — I.452/Q.931, которые были разработаны Исследовательской комиссией 11, публикующей Рекомендации серии Q (отсюда двойные номера Рекомендаций). К ISDN относится несколько сотен Рекомендаций ITU-Т. Основные Рекомендации серии 1 приведены в табл. 4.2.
Впервые МККТТ исследовал ISDN как концепцию в период с 1968 по 1971 год, но более глубокое исследование было проведено в исследовательский период 1981-1984 годов. Первый комплект Рекомендаций по стандартам появился в 1984 году в виде Красной книги МККЧ Г, в которой описывались базовая структура, архитектура сети, протоколы UNI (интерфейса пользователь-сеть) и протоколы межстанционной сигнализации по общему каналу. В итоге исследовательского периода 1985-1988 годов была опубликована Синяя книга, которая содержала описания дополнительных услуг, адаптации скоростей, ретрансляции кадров ISDN и первичный набор Рекомендаций по В-ISDN (широкополосной ISDN). Уместно напомнить, что разные цвета книг представляют разные исследовательские периоды.
К приведенным в табл. 4.2 Рекомендациям серии I следует добавить Рекомендации: С}.700 — спецификации системы сигнализации № 7 (ОКС7), С}.921 — спецификации уровня 2 для канала D — протокола LAPD, С}.931 — спецификации уровня 3 интерфейса пользователь-сеть, V.110 — процедуры канала В (Европа) для терминальных адаптеров (ТА), а также касающиеся ISDN стандарты ANSI (Соединенные Штаты) и ETSI (Европа).
Для пользовательского доступа были стандартизованы следующие типы каналов, предназначенных для передачи информационных потоков пользователя (речи или данных) и сигнальной информации:
А. Аналоговый телефонный канал 4 кГц. В. Цифровой канал 64 Кбит/с (для передачи речевой информации или данных).
С. Цифровой канал 8 или 16 Кбит/с (для передачи данных, используемый в сочетании с А-каналом).
О. Цифровой канал 16 или 64 Кбит/с (для передачи сигнальной информации).
Н. Канал, функционально эквивалентный каналам В, но предоставляющий приложениям PRI агрегатную ширину полосы. Сигналы в канале H0 имеют агрегатную скорость 384 Кбит/с, а каналы Н1 работают на агрегатной скорости 1536 Кбит/с в североамериканской версии (Н11) и 1920 Кбит/с в европейской версии (Н12).
D-канал служит для обмена терминала пользователя с АТС сети ISDN сигнальной информацией, необходимой для организации, поддержки и завершения сеанса связи этого терминала с терминалом любого другого пользователя. Обычно пользователь ISDN имеет несколько терминалов (однотипных или разнотипных в любом сочетании), и один канал D является общим для всех этих терминалов. Помимо сигнализации, D-канал может использоваться для передачи в пакетном режиме (с относительно небольшой скоростью) пользовательской информации. В-канал предназначается исключительно для переноса пользовательской информации, причем ее перенос возможен как в режиме коммутации каналов, так и в пакетном режиме.
Доступ пользователь-сеть ISDN имеет структуру вида nB+D (n В-каналов и один D-канал), при этом, в принципе, возможны самые разные структуры. В Европе в течение ряда лет предлагалась услуга со структурой доступа ОВ+А, которая предусматривала доступ только к D-каналу для пакетной передачи данных со скоростью до 9.6 Кбит/с. Ряд операторов в Соединенных Штатах предлагал модификации доступа 1B+D и OB+D для приложений, в которых необходим только один канал В или только канал О. Но это, скорее, исключения. Как правило,
используются две основные структуры:
• Базовый интерфейс ISDN (BRI) или доступ на базовой скорости (BRA). Содержит два В-канала, каждый из которых работает на скорости 64 Кбит/с, и один D-канал со скоростью 16 Кбит/с (структура 2B+D). По каждому В-каналу можно передавать цифровые данные, ИКМ-кодированную речь (на скорости 64 Кбит/с или меньшей) или композицию низкоскоростных данных (на субскоростях), если все они предназначены одному и тому же адресату. D-канал доступен для передачи пакетов данных и низкоскоростной телеметрической информации, когда он не занят для сигнализации; в число эффективных его приложений входит проверка полномочий кредитных карт. BRI используется, в основном, для квартирного сектора, малого бизнеса, Центрекс и приложений дистанционного управления, которые не особенно требовательны к полосе пропускания. Каналы В могут быть объединены, чтобы организовать скорость до 128 Кбит/с для таких услуг, как видеоконференция. Одна линия BRI может обслуживать до 8 терминалов ISDN. В интерфейсе BRI применяются 8-штырьковый разъем и колодка RJ-45.
• Первичный интерфейс ISDN (PRI) или доступ на первичной скорости (PRA) содержит 30 В-каналов и 1 D-канал (структура 3OB+D). Этот же интерфейс в США и Японии имеет структуру 23B+D. И каналы В, и канал D работают на скорости 64 Кбит/с. Отдельные каналы В могут использоваться так же, как в случае BRI, но канал D служит исключительно для сигнализации. Поскольку стандарты предусматривают обслуживание каналом D PRI до 5 соединений одновременно, многочисленные операторские компании используют эту концепцию, получая таким образом дополнительные возможности, в частности, с помощью преобразователя MSM из серии конвертеров сигнализации ХSM, упоминаемых в главе 8. Будучи разработанным для стандартного тракта Е1, интерфейс PRI значительно лучше других вариантов организации цифровых соединительных линий, поскольку каналы можно назначать динамически. Иными словами, любой канал может использоваться, в зависимости от обстоятельств, как входящий, исходящий, комбинированный или как соединительная линия DID. Использование канала может определяться, смотря по необходимости, на основе задаваемых пользователем параметров. Кроме того, несколько каналов В могут быть объединены, чтобы обслуживать приложения с повышенными требованиями к полосе пропускания, например, такие приложения, как видеоконференцсвязь.
Абонентские линии базового доступа включаются на АТС в линейные окончания (LE), которые, вместе со станционными окончаниями (ЕТ), образуют абонентские комплекты ISDN. Эти комплекты объединяются в цифровые абонентские модули ISDN, каждый из
которых содержит и таких комплектов (8, 16 или другое количество, зависящее от типа АТС), так что в один абонентский модуль включается и абонентских линий. На стороне коммутационного поля модуль имеет 2n четырех проводных каналов, каждый из которых соответствует одному В-каналу. Управляющее устройство используется как для сигнализации, так и для работы с пакетами данных, передаваемых по D-каналам. Абонентский комплект ISDN выполняет определенный набор функций, который приведен ниже и который читателю предлагается сравнить с рассмотренным в предыдущем разделе набором BORSCHT:
• преобразование электрических уровней линейного сигнала в логические уровни, используемые на станции, и наоборот;
• переход от двухпроводной линии к четырех проводной;
• демультиплексирование/мультиплексирование двух В-каналов и одного D-канала двунаправленного потока 144 Убит/с, используемого в каждой линии ISDN.
Согласно Рекомендациям МСЭ ISDN предоставляет пользователям услуги трех видов:
• услуги доставки информации (bearer services); их сеть предоставляет сама, выполняя функции передачи и коммутации;
• услуги предоставления связи (teleservices), реализуемые совместно терминалами пользователей и сетью (она обеспечивает доставку информации, а в некоторых случаях выполняет и функции более высоких уровней);
• дополнительные услуги (supplementary services), которые не предоставляются самостоятельно, а дополняют услуги двух первых видов; дополнительные услуги определены в Рекомендациях ITU-Т 1.250 — I.299.
Протокол сетевого уровня DSS1, обеспечивающий обмен сигнальными сообщениями между оборудованием пользователя и ATC, обычно называют протоколом О.931 (по номеру Рекомендации ITU T, в которой он специфицирован). Протокол О.931 определяет модель базового процесса обслуживания вызова и набор сообщений, сгруппированных в соответствии с состояниями этого процесса:
• Сообщения на этапе установления соединения: ALERTING (Передается вызывной сигнал), CALL PROCEEDING (Связь организуется), CONNECT (Соединить), CONNECT ACKNOWLEDGE (Соединение готово), PROGRESS (Особенности маршрута), SETUP (Запрос связи) и ВЕТУРАСКНОМИ Е06Е(Запрос принят).
• Сообщения в активной фазе соединения: SUSPEND (Прервать связь), SUSPEND ACKNOWLEDGE (Связь прервана), SUSPEND REJECT (Отказ прервать связь), RESUME (Возобновить связь), RESUME A
CKNOWLEDGE (Связь возобновлена) и RESUME НЕДОЕСТ(Отказ возобновить связь).
• Сообщения на этапе разъединения: DISCONNECT (Разъединить), RELEASE (Освободить ресурсы) и RELEASE COMPLETE (Ресурсы освобождены).
• Другие сообщения (вообще говоря, они не зависят от состояния процесса обслуживания вызова): CONGESTION CONTROL (Управление при перегрузке), FACILITY (Дополнительная услуга), НОТ!Р((Уведомление), STATUS (Статус) и STATUS ENQUIRY (Запрос данных о статусе).
Несмотря на некоторый всплеск спроса на услуги ISDN, наблюдавшийся в последнее десятилетие в Европе, внедрение этих сетей в других странах было и остается медленным. Отставание США объясняется так называемым «феноменом перескока». технология ISDN появилась как раз тогда, когда в Европе развивали инфраструктуру телефонной сети с целью охватить телефонной связью всех квартирных абонентов, а в США практически каждая семья уже имела, по меньшей мере, одну телефонную линию задолго до того, как появилась концепция ISDN. Автор (высказывая здесь сугубо личную точку зрения) надеется, что и в ВСС России развитие ISDN будет ограниченным. Это мнение обусловлено аналогичным «феноменом перескока», выраженным у нас в том, что интенсивное развитие спроса на цифровой доступ, в первую очередь, к Интернет, обнаружилось в нашей стране только сегодня, когда уже имеются гораздо более современные и эффективные, чем ISDN, технологии. Принципы технологий ХDSL уже упоминались в начале этой главы, а их характеристики рассматриваются в главе 7. Добравшись до нее, читатель почувствует разницу между скоростями доступа xDSL и выше упомянутой скоростью 144 Убит/с, которой, перефразируя Атоса из «Трех мушкетеров», для передачи речи — слишком много, а для передачи данных — слишком мало.
Причина сложившегося положения (опять-таки, исключительно по мнению автора) состоит в том, что все 25 лет своей истории ISDN прогрессировала легендарно низкими темпами, обусловленными крайней медлительностью разработки стандартов в МККТТ, с обновлением их каждые четыре года и с застоем в промежутках между ними, несоблюдением стандартов рядом ведущих компаний, низкой доступностью стандартов основной массе компаний, нормативными барьерами, высокой стоимостью каналов и оборудования, а также бедным рынком. Сами стандарты, выпускавшиеся MKKTT, имеют вид Рекомендаций, и отдельные страны-участники могли создавать национальные версии ISDN. Наиболее значимое в международном масштабе различие версий состоит все в той же базовой иерархии ISDN: североамериканская версия следует иерархии 71 с доступом PRI, содержащим 24 канала В; а европейская версия основана на иерархии Е1, дающей 30 каналов В. Понятно, что это различие очень важно в контексте поддержки совместимости с существующими сетями, но, кроме того, оно порождает проблемы несовместимости основных протоколов. Другой пример — компания Pacific Bell еще до недавних пор предлагала ISDN с каналами В на скорости 56 Кбит/с (вместо стандартной скорости 64 Кбит/с). Это отличие обусловил тот факт, что в сети компании не была полностью развернута система сигнализации ОКСО; так что 8 Кбит/с полосы канала занимала внутри полосная сигнализация.
Сейчас многое изменилось, даже стиль работы ITU-Т отличается от стиля МККТТ: стандарты выпускаются регулярно, вне связи с четырехлетними циклами. Но время уже упущено. К тому же, еще до того как завершилась стандартизация ISDN, ее пришлось переименовать в узкополосную ISDN (N-ISDN), поскольку начались работы по широкополосной ISDN (В-ISDN). В-ISDN обеспечивает сквозную скорость передачи 155 Мбит/с, базируется на технологии асинхронного режима переноса информации (АТМ) и призвана поддерживать такие услуги, как, например, «видео по требованию», обещая также все те убедительные преимущества, которые ассоциировались с первоначальными идеями ISDN: увеличение полосы пропускания, гибкость, низкий коэффициент ошибок, высокие надежность и доступность, широкий спектр услуг, а также многое, другое, предоставляемое сегодня модемами V.90 и технологиями
ХDSL, которые отняли у доступа ISDN значительную часть рынка.
В коммутационных полях цифровых АТС могут использоваться:
• только пространственная коммутация,
• только временная коммутация,
• коммутация вида «пространство-время»,
• коммутация вида «время-пространство»,
• коммутация вида «пространство-время-пространство»,
• коммутация вида «время-пространство-время»,
• более сложные комбинации пространственной и временной коммутации.
Рассмотрим некоторые из них.
4.5.1. Пространственная коммутация
Устройства пространственной коммутации использовались еще в декадно-шаговых и координатных АТС, рассмотренных в двух предыдущих главах, т.е. задолго до появления цифровой коммутации. Пространственная коммутация была основой построения коммутационных полей квазиэлектронных АТС и электронных АТС первого поколения. В частности, американские станции 1ESS, 2ESS и 3ESS, а также отечественные КВАРЦ, МТ-20, ИСТОК используют исключительно пространственную коммутацию.
Пространственные S-коммутаторы (от слова space пространство) создают в коммутационном поле электрический соединительный путь, который поддерживается в течение всего времени, существования соединения. При этом обеспечивается физическое (а в электромеханических и квазиэлектронных АТС — просто металлическое) соединение входа коммутационного поля с его выходом.
Цифровая пространственная коммутация дает возможность соединять входы с выходами только в тех случаях, когда номер временного интервала, отведенного входу, совпадает с номером временного интервала, отведенного выходу. В связи с этим коммутационные поля, построенные только из пространственных коммутаторов, в цифровых АТС практически не применяются.
Временные Т-коммутаторы (от слова time — время) поддерживают виртуальное соединение, существующее только в течение определенных временных интервалов. Концептуально временная коммутация может рассматриваться как система памяти, которая назначает для разных временных интервалов разные ячейки памяти, в связи с чем такая система называется памятью межинтервального обмена. Концепция программного назначения временных интервалов разрешает использовать одни и те же пространственные точки коммутации в разные интервалы для разных соединений.
4.5.3. Коммутация ПВП (пространство-время-пространство)
При рассмотрении декадно-шаговых АТС в главе 2 было показано, что использование единственной ступени коммутации экономически эффективно лишь до определенного размера этой ступени. То же самое справедливо и по отношению к однокаскадному коммутационному полю: начиная с какой-то емкости поля, его приходится делать многокаскадным. При построении многокаскадного цифрового коммутационного поля используются разные комбинации каскадов пространственной и временной коммутации. Например, первый каскад поля может строиться из пространственных коммутаторов П, второй каскад — из временных коммутаторов В, а третий, последний каскад — снова из коммутаторов П. Такое коммутационное поле, называемое ПВП (Пространство-Время-Пространство), показано на рис. 4.5. Оно содержит по N коммутаторов П в первом и в третьем каскадах и М коммутаторов В во втором каскаде.
4.5.4. Коммутация ВПВ (время-пространство-время)
Одной из наиболее распространенных схем коммутационно поля в настоящее время является схема ВПВ (Время - Пространство - Время), показанная на рис. 4.6. Основное преимущество схем ВПВ перед схемой ВПВ состоит в том, что она более экономичную поскольку временные коммутаторы дешевле пространственных при высокой нагрузке обеспечивают более эффективное использование временных интервалов с меньшей вероятностью блокировки.
В узлах коммутации большой емкости возможны другие схемы коммутационного поля: ВППВ, ВПВПВ и т.д.
Кроме того, современная коммутационная техника движется в направлении конвергенции, когда трафик видео услуг, аудио услуги, услуг передачи данных и речи будет объединяться и коммутироваться через единые цифровые узлы коммутации, причем будущая телефонная коммутация, по всей вероятности, будет иметь оптическую основу. Средства оптической коммутации находятся в стадии разработки, в этой области есть достижения, в том числе и в создании электрооптических (Е/0) и оптоэлектрических (О/Е) преобразователей, однако получить достаточно полную информацию об оптических коммутационных полях можно будет лишь в следующих изданиях этого учебника.
4.6. Модули соединительных линий, синхронизация и служебные функции
Станционные комплекты соединительных линий ИКМ выполняют
довольно сложные функции, которые, вкратце, сводятся к следующему
Электрический интерфейс физически сопрягает линию со станцией и обеспечивает восстановление входящего сигнала после возможных его искажений при передаче.
Тактовая синхронизация обеспечивает условия, необходимые
для того, чтобы станционные устройства работали синхронно с тактовыми импульсами линии, что позволяет считывать единицы и нули во входящем битовом потоке с минимальной вероятностью ошибки. Методы реализации этой функции различны в АТС разных
типов.
Пороговое устройство и интерпретация — преобразование биполярного сигнала в однополярный: сигнал, поступающий по линии (то есть искаженный аналоговый сигнал с помехами), преобразуется, через пороговое устройство, в последовательность логических единиц и нулей. Эта регенерация битового потока и обеспечивает превосходство цифровой передачи и цифровой коммутации над их аналоговыми прототипами.
Детектирование тревожных сигналов производится после того, как биполярный сигнал, полученный по линии, преобразован. Сведения об обнаруженных аномальных ситуациях кодируются средствами тревожной сигнализации. Примеры тревожных сигналов: потеря цикловой синхронизации, в результате чего станция не может правильно принимать поток; отсутствие импульсов на приеме, т.е. во входящем потоке пропущен бит; частота ошибок выше порогового значения, т.е. частота возникновения ошибок превышает 0.001, тревожный сигнал станционного комплекта, создаваемый всякий раз, когда в станционном комплекте соединительной линии обнаружится неисправность и др.
Обработка сигналов управления коммутацией. Для передачи этих сигналов с использованием двух выделенных сигнальных каналов, закрепляемых за каждым из 30 телефонных каналов, в 32-канальном тракте ИКМ организуются сверхциклы. Каждый сверхцикл представляет собой упорядоченную последовательность 16-ти циклов (с0-го по 15-й), повторяемых без перерыва каждые 2 мс (125 мксх16). В каждом сверхцикле 16-й канал первого цикла всего содержит кодовую комбинацию 000001XS, в которой бит Х равен 1, если отправитель цикла в данный момент не способен к приему сверхциклов. Бит S может использоваться для передачи данных со скоростью 500 бит/с. Кодовая комбинация 000001XS используется для синхронизации сверхциклов, позволяющей в каждый момент знать, который из циклов сверхцикла принимается.
Более подробно системы сигнализации в цифровых сетях и узлах коммутации рассматриваются в главе 8. Особое место среди них уделено там системе общеканальной сигнализации №7. В контексте данной главы отметим, что сигналы передаются по общему каналу в виде кадров, для приема которых станционный комплект должен быть способен к самосинхронизации со входящим потоком на битовом уровне, а всякий раз при безуспешном выполнении такой функции, комплект должен извещать об этом событии систему управления. После синхронизации на битовом уровне, станционный комплект должен получать цикловую синхронизацию для того, чтобы быть в состоянии правильно определять начало, содержание и конец каждого принимаемого им кадра. Все кадры нумеруются и содержат проверочные биты, которые используются станционным комплектом для обнаружения ошибок. Нумерация кадров служит для организации повторной передачи кадров, принятых с ошибкой.
Станционный комплект общего канала сигнализации может поддерживать функции цикловой и битовой синхронизации. При этом он транслирует из канала в систему управления только полезные сообщения, то есть те, которые действительно передаются по каналу сигнализации, и те, которыми обмениваются устройства управления станций при выполнении функций наблюдения, тестирования и диагностики, чтобы убедиться в правильности работы обеих взаимодействующих АТС. Вследствие сложности функций, которые он должен выполнять, этот комплект строится на базе одного или нескольких микропроцессоров. Кроме того, некоторые его функции, в частности, те, которые связаны с защитой от ошибок и с процедурами синхронизации, часто реализуются на специальных СБИС (например, HDLC-контроллер).
Как только был сделан шаг от аналоговых технологий к цифровым, одним из важнейших вопросов стала синхронизация. Роль модуля тактовой синхронизации в ATC легко понять, если провести аналогию между телефонным и городским трафиком: трудно представить себе движение транспорта в центре большого современного города без синхронизированных светофоров. Так же, как в городе рас синхронизация светофоров привела бы к нарушениям нормального уличного движения, рас синхронизированные узлы коммутации оказались бы неспособными буферизировать информацию, и это обернулось бы снижением качества сжатых видеосигналов и кодированных речевых данных, или потерей информации.
4.7. Управление по записанной программе
Вспомним об основном отличии электронной коммутации от электромеханической. Еще до цифровизации телефонных станций, появились технологии централизованного, а затем и распределенного программного управления АТС, т.е. обслуживание вызовов и другие функции узла коммутации стали выполняться управляющими процессорами. Ранние версии электронных станций были снабжены оперативной памятью для хранения информации об обслуживаемых вызовах и полупостоянными запоминающими устройствами, которые хранили программы управления узлом. Эти первые электронные АТС назывались станциями с управлением по записанной программе (SPC).
Интеллект первых станций с SPC находился в одном процессоре,
который управлял всеми внешними устройствами и для надежности дублировался. В современной цифровой АТС имеется несколько процессоров и применяется распределенная архитектура программного обеспечения и аппаратных средств. Более подробно эти вопросы рассмотрены в главе 9, посвященной программному управлению ATC.
Реализация функций техобслуживания современного цифрового узла коммутации также восходит к ранним станциям с SPC, которые были полностью зависимы от единственного процессора, ответственного за выполнение всех функций узла коммутации. Все вопросы эксплуатационного управления ATC, включая техобслуживание, будут рассмотрены в главе 10.
Импортные цифровые ATC
Каждый набирает для себя
Женщину, религию, дороге.
Ю. Левитанский
5.1. Выбор АТС
Возможно, некоторым читателям, особенно студенческого возраста, материал этой главы покажется чрезмерно приземленным по отношению к выбранному эпиграфу, но и они вскоре поймут, насколько непросто бывает Оператору выбрать для своей сети коммутационное оборудование того или иного типа. Прежде чем мы перейдем к рассмотрению разных типов АТС, представленных на обширном отечественном телекоммуникационном рынке, хотелось бы разделить их на два основных класса.
Разделение на классы, абсолютно недопустимое, по мнению автора, в человеческом обществе, применительно к неодушевленным предметам — цифровым АТС — в сегодняшних условиях представляется целесообразным. Речь идет о делении их на «наши» и «не наши», и, следуя такой классификации, эту главу мы посвятим импортным коммутационным платформам с программным управлением, а следующую — отечественным цифровым АТС.
Относя те или иные коммутационные платформы к «нашим» или «не нашим», автор руководствовался исключительно здравым смыслом, а не формальным наличием или отсутствием статуса отечественного производителя, что характеризует, скорее, успешность работы маркетинговых служб иностранных компаний и гибкость отечественных чиновников, а не реальное знание архитектуры и исходных текстов функционального программного обеспечения, составляющего суть той или иной коммутационной платформы.
В главе о программном обеспечении АТС мы еще вернемся к этому вопросу. Здесь заметим лишь, что таким реальным знанием платформы обладают, как правило, только ее разработчики.
Автору известны всего два исключения из этого правила — два примера, когда многолетние творческие усилия квалифицированных специалистов позволили им овладеть коммутационной платформой, первоначально разработанной в другом месте, переписав при этом практически все программное обеспечение и переделав практически всю аппаратную часть. Первый пример — разработанная американской компанией ITT система 1240, перешедшая затем в собственность французской компании Алкатель (при покупке ею всех зарубежных отделений ITT) и ставшая хорошо известной во всем мире и у нас в стране Системой 12, которая будет рассмотрена в этой главе далее. Вторым примером является рассматриваемая в следующей главе российская станция АТСЦ-90, разработанная на базе хорошо зарекомендовавшей себя у связистов бывшего СССР финской АТС DX-200 с использованием переданной компанией Нокиа документации.
Но сначала поговорим об эволюции АТС. Сегодняшние лавинообразный рост количества пользователей услугами Интернет, изобретение множества новых телекоммуникационных услуг, новые технологии доступа и мобильности определили концептуальные аспекты технической политики в области развития коммутационных узлов и станций сети общего пользования.
На рис. 5.1 представлена упрощенная структура городской телефонной сети, рассматриваемая в курсе сетей связи. Существующие коммутируемые телефонные сети общего пользования (ТфОП) создавались для обслуживания речевого трафика, т.е. для предоставления традиционных услуг телефонной связи POTS (Plain Old Telephone Service). Телеграфные сообщения передавались по отдельной, ранее существовавшей сети, а системы передачи данные и изображений появились гораздо позже. Поэтому представленная на рис. 5.1 сеть проектировалась по принципу «трех троек».
3 — 3 — 3
Первая «тройка» связана с усредненной характеристикой случайного потока телефонных вызовов — 3 вызова в час наибольшей нагрузки (ЧНН) от одного абонента.
Телефонные соединения между абонентами относительно непродолжительны — три минуты в среднем, — что определяет вторую цифру «три». Эта величина весьма важна, т.к. концепция коммутации каналов требует, чтобы нужные для запрошенной связи элементы сети были доступны в момент создания соответствующего соединения и оставались занятыми все 100% времени его существовании, Кстати сказать, произведение этих двух троек и составило 0.15 Эрланга на абонентскую линию, которые были заложены, как тогда казалось, с запасом, в основу проектирования отечественных ТРОП.
Наконец, речевой сигнал является по своей природе аналоговые и занимает полосу частот 0.3 — 3.4 КГц, т.е. шириной около 3 КГц, что и определяет третью «тройку» в формуле, условно отображающей рассмотренный принцип.
Современные ТФОП, конечно, гораздо более многофункциональны, чем ТФОП прошлого века, они поддерживают обмен огромными объемами речевой информации, данных и даже, до некоторой степени, видеоинформации. Место ручных коммутаторов заняли сначала декадно-шаговые, затем координатные коммутационные станции и, наконец, цифровые АТС с программные управлением. Аналоговая передача уступила место цифровой, на смену медным проводам приходит стекловолокно и беспроводная связь, но принцип «3 — 3 — 3» еще до недавнего времени продолжал действовать.
Сегодня на смену сетям, подчинявшимся этому принципу, приходят сети общего пользования нового поколения, упрощенная структура которых представлена на рис. 5.2. Это — мультисервисные сети, которые основаны, в большей степени, на принципах коммутации пакетов и на протоколах, разработанных для передачи данных, и обещают быть более дешевыми и иметь гораздо более широкие функциональные возможности. Приведенное на рис. 5.2 условное изображение мульти сервисной сети XXI века подчеркивает уже очевидный сегодня факт, что именно IP является движущей силой конвергенции сетей связи, информационных технологий и мультимедийных продуктов, позволяет создать единую, управляемую приложениями интерактивную сеть, которая способна обеспечить
высокоскоростную пакетную связь с любыми беспроводными или проводными абонентскими устройствами проще и дешевле, чем традиционные сети ХХ века. К тому же, операторы, IP-телефонии, например, предлагают более низкие, чем традиционные поставщики телефонных услуг, тарифы, а характер IP-биллинга позволяет (пока, правда, скорее теоретически) операторам IP-сетей устанавливать единые тарифы на связь с любой точкой земного шара.
Очевидно, что операторы традиционных ТФОП не могут в одночасье переключиться на сети нового поколения, да и сети новых операторов вынуждены взаимодействовать с традиционными телефонными сетями и услугами. Именно поэтому переход к сети связи следующего поколения NGN (рис. 5.2) требует от новых систем коммутации унифицированного взаимодействия с транспортными сетями, TDM, с сетями общеканальной сигнализации №7 (глава 8), с IP-сетями, а также поддержки в новых условиях услуг, предоставляемых интеллектуальной сетью (IN), и новых услуг IN и IP. (глава10). Таким образом, речь идет об оборудовании, равноправно пропускающем трафик IP и трафик сети коммутации каналов.
Обычно операторы пытаются найти оборудование, позволяющее как можно скорей внедрить эти услуги, причем внедрить их наиболее экономичным и перспективным способом, однако технология и оборудование не всегда успевают за такими требованиями. И если сегодня российские операторы для передачи IP-трафика могут приобрести оборудование компании CISCO, то для передачи речи они, как правило, полагаются на традиционное коммутационное оборудование 5ESS, EWSD, S12 и др.
Эволюция этих коммутационных платформ представлена на рис. 5.3. Ниже все они кратко рассматриваются в контексте упомянутой проблемы эволюции узлов коммутации каналов. При этом не затрагиваются более тонкие вопросы, связанные с эксплуатационным управлением сетью, с начислением платы за связь, с программными коммутаторами Softswitch, с услугами интеллектуальной сети и т.п., которым посвящены следующие главы. Тем не менее, именно эти аспекты эволюции узлов коммутации обусловили создание новых программ развития наиболее популярных коммутационных платформ: 7R/Е для 5ESS компании Lucent Technologies, SURPASS для EWSD компании Siemens, 2iP для $12 компании Alcatel, ENGINE для АХЕ-10 компании Ericsson, IMSS для Linea UT компании Italtel, SUCCESSION для DMS компании Nortel.
5.2. Станции 5ESS. Решения Lucent Technologies
Первая станция №5 Electronic Switching System (5ESS) была введена в эксплуатацию в 1982 году. Наиболее распространенная сегодня версия этой станции 5ESS-2000 работает в городских телефонных сетях в качестве оконечной и опорно-транзитной АТС с функциями ОКСО, ISDN, V5 и др. Архитектура ее системы управления может классифицироваться как квазираспределенная, поскольку функции управления станцией в значительной степени выполняет административный модуль АМ (эта архитектура будет более подробно обсуждаться в главе 9, посвященной программному управлению). Управляющие процессоры построены на базе 32-разрядного микропроцессора 3820 и 16-разрядного процессора МС6800, что позволяет формировать как станции малой емкости, так и крупные опорно-транзитные коммутационные узлы. Коммутационное поле, согласно классификации, приведенной в предыдущей главе, строится по принципу ВПВ (Время-Пространство-Время). Для взаимодействия с телефонной сетью общего пользования станция 5ESS-2000 поддерживает сигнализацию следующих типов: линейная сигнализация — 2600 Гц, 2ВСК; регистровая — декадный код, импульсный челнок, импульсный пакет, без интервальный пакет(АОН). Поддерживается также система о6щеканальной сигнализации ОКСО (MTP, ISUP) и сигнализация по интерфейсу V5.
Упрощенная структура станции 5ESS показана на рис. 5.4. Основными компонентами 5ESS являются модуль административного управления АМ, модуль связи СМ и коммутационный модуль SM.
Коммутационные модули SM содержат все программы, необходимые для управления периферийными коммутационными устройствами, включая выбор маршрутов в коммутационном поле, назначение блоков обслуживания, сигнализацию, сканирование линий и т.п. Фактически производительность станции 5ESS определяется числом установленных модулей SM. Каждый такой модуль обслуживает нагрузку интенсивностью примерно 460 Эрлангов. Интенсивность нагрузки на всю станцию рассчитывается как 460хп/2, где n — число коммутационных модулей, и при максимально расширенной конфигурации (190 SM) составляет 43700 Эрлангов. Коммутационный модуль SM — это базовый блок наращивания емкости станции 5ESS-2000, который может выполнять функции коммутации каналов и пакетов, а также большую часть функций обработки вызовов.
Модуль управления АМ основан на мэйнфрейме 3820D (потом B21D и тд.) собственной разработки Bell Laboratories и выполняет функции обслуживания вызовов, запуска и восстановления программного обеспечения, измерения трафика, начисления платы и хранения станционных данных, а также функции взаимодействия с процессорами ввода/вывода, видеотерминалами, накопителями на магнитных носителях, центром технической эксплуатации и множество функций, не связанных непосредственно с процессом обработки вызовов. С помощью модуля АМ производится диагностика станции, выявление, локализация и, при возможности, устранение неисправностей. Модуль АМ принимает от управляющих элементов модулей SM цифры номера и интерпретирует их, а также взаимодействует системой управления базой данных для получения дополнительной информации. Подсистема эксплуатационного управления решает задачи технического обслуживания с помощью рабочей станции TLWS, выполняя, например, тестирование абонентских и межстанционных линий, обеспечивает вывод линий из обслуживания и возвращение их в работу. Через АМ обслуживающий персонал станции может получать с терминала как доступ к любым системам станции, так и связь с системами технической эксплуатации и с системой управления трафиком. Файлы передаются по стандартному протоколу доступа и управления передачей данных FTAM.
Модуль связи СМ обеспечивает взаимодействие между АМ и всеми SM, а также взаимодействие между разными SM через каналы управления и синхронизации NCT по протоколу Х.25 с использованием волоконно-оптического кабеля. Основным компонентом СМ является коммутатор сообщений, обеспечивающий коммутацию пакетов, которыми обмениваются между собой через NCT модули СМ и SM.
Программное обеспечение станций 5ESS имеет иерархическую, распределенную модульную структуру, схематично представленную на рис. 5.5. Операционная система, которая называется операционной системой для распределенной коммутации (OSDS), обеспечивает управление процессами, межпроцессорную связь, синхронизацию и планирование заданий как в процессоре АМ, так и в процессорах SM, причем в АМ ядром OSDS является операционная система UNIX — одно из блестящих созданий Bell Laboratories, стоящих в одном ряду с транзистором, лазером и другими выдающимися вкладами в современную цивилизацию. Примечательно также, что UNIX в ядре АМ станций 5ESS имеет название UNIX-RTR, где аббревиатура RTR означает работу в реальном времени (RT — Real Time) и надежность (R — Reliability). Об этих аспектах программного обеспечения узлов коммутации мы подробнее поговорим в главе 9.
Функциональное программное обеспечение станции 5ESS-2000,
написано на языке Си и включает в себя примерно 30 подсистем. Большая их часть располагается в административных модулях АМ и в коммутационных модулях SM в соответствии с архитектурой распределенной системы, показанной на рис.5.5. Интерфейсы подсистем имеют определенные ограничения, например, программа одной подсистемы может вызвать программу другой подсистемы только в специальных глобальных точках, обмен данными происходит через стек, вызов примитива не вызывает прерывания реального времени, вызванная программа выполняется в стеке процесса вызвавшей программы и т.п. Более детально эти вопросы мы также обсудим в главе 9, а здесь лишь приведем очень упрощенное описание обслуживания в 5ESS внутристанционного вызова.
Рис. 5.5. Архитектура программного обеспечения 5Е88
Абонент А, включенный в SM1, вызывает абонента В, включенного в SM3 той же АТС. Когда абонент А снимает с рычага микротелефонную трубку, устройство сканирования в абонентском блоке обнаруживает замыкание шлейфа линии. Процессор модуля SM периодически опрашивает устройства сканирования и детектирует изменения состояния линий, сравнивая результат очередного опроса с результатом предыдущего опроса; таким образом, состояние линии абонента А «трубка снята» фиксируется в SM1. На основании результатов сканирования процессор коммутационного модуля делает вывод о наличии запроса обслуживания и отмечает линию абонента А занятой. Идентифицируются данные об абоненте А, после чего к его линии подключается приемник цифр, а самому абоненту передается зуммерный сигнал «Ответ станции». Далее анализируются цифры, принимаемые от абонента А, определяется и тестируется линия абонента В, в АМ передается запрос подключения к абоненту В. После приема первой цифры зуммерный сигнал «Ответ станции» отключается, и в процессор коммутационного модуля передается двоично-десятичное представление этой цифры. Следующие цифры обрабатываются таким же образом до тех пор, пока процессор модуля SM1 не определит, что все цифры получены. Когда этот процессор обнаружит, что полученных цифр достаточно для выбора маршрута, в процессор административного модуля через блок коммутации сообщений передается сообщение о необходимости выбрать маршрут в направлении к SM3. Для этого АМ находит свободный временной интервал и свободные каналы для управления коммутационными модулями с целью выбора маршрута
и передает к процессору в SM3 инструкцию установить путь к вызываемой линии и опознать временной интервал и канал управления, присвоенные данному вызову, а к блоку коммутации — инструкцию установить двухстороннюю связь SM1-SМЗ через каналы NCT.
Процессор модуля SM3 проверяет вызываемую линию, изменяет ее состояние на занято» и инициирует выполнение необходимых тестов и посылку сигнала вызова в эту линию. Кроме того, процессор передает инструкцию генератору тональных сигналов и блоку обмена временных интервалов послать зуммерный сигнал «контроль посылки вызова» (КПВ) в линию вызывающего абонента А. После этого процессор модуля SM3 через блок коммутации сообщений передает к процессору модуля SM1 сообщение о том, что соединение установлено, и идентифицирует временной интервал в соединении NCT, который был присвоен данному вызову. В свою очередь, процессор модуля SM1 передает в блок обмена временных интервалов инструкцию подключить временной интервал вызывающей линии к временному интервалу соединения NCT.
Когда процессор модуля SM3 детектирует ответ абонента, он
инициирует прекращение передачи сигнала посылки вызова, дает генератору тональных сигналов команду прекратить формирование сигнала КПВ, а блоку коммутации временных интервалов — команду подключить временной интервал канала к временному интервалу NCT. После этого процессор модуля SM3 передает сообщение процессору модуля SM1, информирующее последний, что ответ получен. Процессор модуля SM1 изменяет состояние линии, начинает отсчет времени для начисления платы и переводит процесс обслуживания вызова в стадию разговора.
Разъединение производится по-разному, в зависимости оттого, какая сторона первой дает отбой — вызывающая или вызываемая. При прекращении разговора вызывающей стороной сигнальный процессор модуля SM1 детектирует сигнал отбоя, процессор модуля передает сообщение об этом процессору модуля SM3 и ликвидирует соединение между линией и NCT. В свою очередь, процессор модуля SM3 передает к SM1 сообщение, подтверждающее отбой, и освобождает временной интервал. Затем оба процессора коммутационных модулей передают сообщения о разъединении в процессор административного модуля для фиксации изменения состояния использовавшегося пути в коммутационном поле.
При прекращении разговора вызываемой стороной сигнальный
процессор модуля SM3 детектирует сигнал отбоя, процессор модуля передает сообщение об этом к SM1. Процессор модуля SM1 инициирует отсчет времени, после которого разрешается разъединение. Если до истечения этого времени не будет получено сообщение о повторном ответе вызываемой стороны, процессор коммутационного модуля производит разъединение таким же образом, как это было описано выше.
В заключение краткого описания платформы 5ESS рассмотрим предлагаемую Lucent Technologies стратегию развития этой платформы при переходе к мульти сервисным (речь/данные/видео) конвергентным сетям XXI века (рис. 5.6) с весьма удачным названием 7R/Е (Revolutionary/ Evolutionary). Согласно этой стратегии коммутатор SESS дооборудуется интерфейсом пакетной передачи, что позволит операторам создавать масштабируемые пакетные сети и постепенно преобразовать существующие сети с временным разделением каналов (TDM) в сети, основанные на протоколах IP.
Элементами концепции 7R/Е являются также:
7R/Е Call Feature Server, отвечающий за обработку вызова, обеспечивающий преобразование номера и маршрутизацию для коммутации речевого трафика через пакетную сеть и поддерживающий все услуги, реализованные в классической платформе 5ESS, включая и рассматриваемые в главе 11 услуги интеллектуальной сети;
серверы мультимедийных ресурсов (MultiMedia Resource Servers), которые поддерживают распознавание речи, сетевые оповещения, речевую почту, универсальную службу обмена сообщениями (unified messaging) и др.
Модуль 7R/Е Packet Driver, который позволит владельцам 5ESS плавно и безболезненно перейти от систем с коммутацией каналов к пакетным системам;
7R/Е Programmable Feature Server, основанный на Softswitch; 7R/Е Packet Gateway — шлюз доступа для объединения различных абонентских устройств, включая DSL, кабельные модемы и беспроводный доступ;
7R/Е Trunk Access Gateway и др.
И еще одно, непосредственно не связанное с 5ESS, весьма остроумное решение Lucent Technologies — коммутационная платформа EXS (Expandable Switching System), первоначально созданная компанией Excel Switching, которая была приобретена впоследствии компанией Lucent Technologies и стала ее подразделением. Типовая система Excel-построена по схеме клиент-сервер и функционально разделена на четыре структурные части, представленные на рис. 5.7.
Коммутатор Excel представляет собой модульную, интегрированную, масштабируемую платформу с не блокирующим коммутационным полем, поддерживающую, в совокупности, до 30000 портов и строящуюся из более мелких модулей: ЕХ$-1000 поддерживает до 1024 портов, EXS-2000 — до 2048 портов и т.д. Все элементы связаны между собой двойным оптическим кольцом EXNET со встречными потоками 1.2 Убит/с. Excel использует архитектуру клиент-сервер, а обмен информацией между хост компьютерами и процессорами коммутационных узлов ведется по протоколу TCP/IP на основе Ethernet. Один хост-компьютер может поддерживать все коммутационные узлы в кольце, но возможны и конфигурации с несколькими хост-компьютерами.
Этот коммутатор реализует функции Call-центра, ступени распределения вызовов, системы поддержки телефонных карт и т.п., аналогичные функциям отечественной платформы ПРОТЕЙ, обеспечивает прием и обработку вызовов абонентов, начисление платы за связь в режиме онлайн реляционную базу данных, относящихся к абонентскому учету, начисление платы за услуги и содержащую для этих целей информацию о клиентах, учетных делах, платежах и начислениях, балансах, картах, совершенных клиентом вызовах и оказанных ему услугах, о тарифах и многое другое.
Но кроме всего прочего, представленная на рис. 5.7 архитектура, как это когда-то было с Системой 12, оказала серьезное влияние на умы разработчиков коммутационной техники. Планы создания аналогичных коммутационных платформ всерьез обсуждались в нескольких российских компаниях, и лишь очень быстрая экспансия IP-технологий и решений, относящихся к конвергенции сетей связи, по мнению автора, ограничили использование приведенной на рис. 5.7 архитектуры.