МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет „Львівська політехніка”
Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки і електронної техніки
Кафедра „Телекомунікацій”
СИНТЕЗ ЦИФРОВИХ КОМУТАЦІЙНИХ СИСТЕМ
Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу „Центри комутації на тлелекомунікаційних мережах”
для студентів базового напрямку „Телекомунікації”
Львів
2005
Синтез цифрових комутаційних систем. – Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу „Центри комутації на телекомунікаційних мережах” для студентів базового напрямку 0924 - „Телекомунікації”. – Львів. – 2005. – 27 с.
Автор: доцент Бойчук Л.Г.
асистент Чабан К.О.
Рецензенти: д.т.н., професор Тимченко О.В.
д.т.н., професор Не доступ Л.А.
Методичні вказівки затверджено на засіданні кафедри „Телекомунікації” Національного університету „Львівська Політехніка”
„ ” 2005р., Протокол №
Метою курсової роботи є синтез цифрових комутаційних систем (КС) з різною кількістю ланок. Розробка функціональної схеми заданого цифрового модуля (ЦМ) з описом алгоритму роботи і побудовою часових діаграм. Оцінка економічності побудованих цифрових КС по кількості еквівалентних точок комутації.
РОЗДІЛ 1
Розрахунок навантаження
Для раціональної побудови і розрахунку КС означено термін телефонного навантаження.
В теорії телетрафіку [1, 2] сумарний час обслуговування викликів або час зайняття комутаційної системи за певний проміжок часу називають навантаженням. Розрізняють навантаження яке:
поступає на станцію;
обслуговується станцією;
втрачена.
За одиницю виміри телефонного навантаження прийнято одне годино-зайняття (год.-зайн.). Одне годино-зайняття – це таке навантаження, яке обслуговується одним виходом (з’єднувальним пристроєм) за годину часу при неперервному зайняті цього виходу (з’єднувального пристрою).
Для розрахунку пропускної здатності КС ввели термін інтенсивність навантаження [1, 3, 4], що позначає сумарний час зайняття КС за 1 годину. За одиницю інтенсивності навантаження прийнято виміру Ерланг (Ерл.) на честь датського вченого-математика, засновника теорії телетрафіка А.К.Ерланга (1878-1929рр.) Один Ерланг – це навантаження в одне годино-зайняття за одну годину ( EMBED Equation.3 ).
Для заданої якості обслуговування абонентів розрахунок комутаційного обладнання проводиться виходячи із значення інтенсивності навантаження в ті години, коли це навантаження є максимальним. Цей час називають годинами найбільшого навантаження (ГНН) – це неперервний інтервал час тривалістю 1 годину, в межах якого спостерігається найбільша інтенсивність навантаження.
У Розділі 1 наведено розрахунок навантаження на КС від абонентської лінії різних категорій абонентів, навантаження від групи абонентів та навантаження на КС в цілому.
У даному розділі приведені розрахунки навантаження на комутаційну систему від різних категорій абонентів на одну АЛ, навантаження від групи абонентів та навантаження на КС в цілому.
1.1. Розрахунок навантаження від абонентської лінії кожної категорії абонентів.
При визначенні навантаження від одної АЛ розраховуємо наступні параметри:
- середній час зайняття одним абонентом кожної категорії;
- питоме навантаження від одного абонента;
- навантаження від всіх абонентів кожної категорії.
1.1.1. Визначення середньої тривалості одного заняття абонентом і-ої категорії
Середня тривалість одного зайняття АЛ і-ої категорії визначається за формулою:
EMBED Equation.3 , сек., (1.1)
де EMBED Equation.3 = 1,1 – коефіцієнт, що враховує виклики, що не закінчились розмовами.
EMBED Equation.3 = 0,9 – доля викликів, що закінчились розмовами.
EMBED Equation.3 = 10 сек – середня тривалість посилки виклику при відповіді абонента.
EMBED Equation.3 - задана тривалість розмови абонента кожної групи (подана в таблиці
вихідних даних).
EMBED Equation.3 = 5 сек – середній час встановлення з’єднання.
1.1.2. Визначення питомого навантаження від одного абонента і-ої категорії
Питоме навантаження визначається як навантаження створене одним абонентом за одну годину і обчислюється за формулою:
EMBED Equation.3 , Ерл, (1.2)
де EMBED Equation.3 - середня тривалість одного зайняття АЛ і-ої категорії.
EMBED Equation.3 - середня кількість викликів від одного абонента і-тої категорії в ГНН.
1.1.3. Визначення навантаження від всіх абонентів і-ої категорії
Навантаження від всіх абонентів і-ої категорії визначається за формулою:
EMBED Equation.3 , Ерл, (1.3)
де EMBED Equation.3 - кількість телефонних апаратів і-ої категорії.
EMBED Equation.3 - питоме навантаження від одного абонента і-ої категорії.
1.2. Визначення сумарного навантаження від абонентів всіх категорій
Сумарне навантаження – це загальне навантаження, яке створене всіма абонентами і-тої категорії:
EMBED Equation.3 , Ерл, (1.4)
де EMBED Equation.3 - навантаження від всіх абонентів і-ої категорії.
1.3. Визначення сумарного навантаження, яке обслуговує комутаційна система
При розрахунку сумарного навантаження, що обслуговує комутаційна система, слід врахувати навантаження від інших станцій, що становить близько 15%, і навантаження від АМТС, що становить 5% і отримуємо вираз:
EMBED Equation.3 , Ерл, (1.5)
де EMBED Equation.3 - сумарне навантаження від абонентів всіх категорій
1.4. Визначення ємності КС, якщо навантаження на одну з’єднувальну лінію дорівнює 0,6 Ерл
Визначення ємності КС зводиться до визначення кількості ліній необхідних для обслуговування розрахованого в п. 1.3. сумарного навантаження із заданими втратами. Цей спосіб є наближеним і розраховується для ГНН. Отже,
EMBED Equation.3 , (1.6)
де EMBED Equation.3 - сумарне навантаження, що обслуговує комутаційна система
EMBED Equation.3 Ерл - середнє навантаження на одну абонентську лінію.
У зв’язку з тим, що для реалізації з’єднання через цифрове комутаційне поле необхідно два часові канали, то ємність КС збільшується в два рази, тобто:
EMBED Equation.3 , каналів (1.7)
РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ЦИФРОВИХ КОМУТАЦІЙНИХ СИСТЕМ
Комутаційна система – це сукупність технічних заходів, призначених для здійснення оперативної комутації, вона відображає принципи внутрішньої побудови комутаційної станції [8]. В залежності від типу комутаційних приладів і керуючих пристроїв розрізняють системи: декадно-крокові (ДК), координатні (К), квазіелектронні (КЕ), електронні (Е). Комутаційна система, котра реалізує функцію цифрової комутації називається цифровою системою комутації (ЦСК). В ЦСК функцію комутацію реалізує цифрове комутаційне поле (ЦКП). Керування всіма процесами в системі комутації здійснює керуючий комплекс.
У Розділі 2 наведені приклади синтезу одно- чотирьохланкових цифрових комутаційних систем реалізованих на комутаційних блоках „час” і „простір”.
2.1. Переваги та особливості цифрових АТСЕ
Цифрові комутаційні системи мають наступні переваги:
Зменшення затрат праці на виробництво електронного комутаційного обладнання за рахунок автоматизації процесу його виготовлення.
Зменшення габаритних розмірів і підвищення надійності обладнання за рахунок використання елементної бази високого рівня інтеграції.
Зменшення об’єму робіт при монтажі та налагодження електронного обладнання на об’єктах зв’язку.
Зменшення площ для встановлення цифрового комутаційного обладнання.
Суттєве зменшення обслуговуючого персоналу за рахунок автоматизації процесу експлуатації.
Підвищення якості обслуговування.
Збільшення додаткових видів обслуговування (ДВО) та додаткових видів зв’язку (ДВЗ).
Можливість створення на базі цифрових АТС і цифрових систем передачі даних цифрових мереж з інтеграцією послуг (ISDN).
Особливості цифрових систем комутації:
Модульність побудови, яка дозволяє забезпечити легке пристосування системи до зміни ємності, забезпечити зручність і простоту реалізації, технологічність виробництва за рахунок зменшення кількості різнотипних блоків.
Симетричність структури відносно середньої лінії, яка поділяє комутаційне поле на дві частини. Властивість симетричності дозволяє побудувати КП найбільш раціонально з точки зору об’єму обладнання і керування.
Чотирипровідність КП, яка пояснюється особливостями передачі ущільнених в часі сигналів.
2.2. Розрахунок концентраторів
У цифрових АТС широко використовуються концентратори, які є функціональною частиною міських цифрових комутаційних систем і дозволяють здійснювати попередню концентрацію абонентського навантаження з метою більш раціонального використання з’єднувальних ліній між концентратором і станцією.
2.2.1. Структурна схема і вихідні дані
Абонентський концентратор дозволяє підключити максимально 768 АЛ до комутаційного поля опорної станції МТ20/25 через групові тракти (ГТ) ІКМ ліній.
Схема концентратора (рис. 2.1.) включає наступні функціональні блоки [11]: абонентські комплекти (АК); блок просторово-часової комутації (ПЧК); кодек (кодуючий і декодуючий пристрої); цифровий концентратор (ЦК); систему керування, що складається з керуючого пристрою (КП), маркера, визначника (В) і обладнання сигналізацій (ЗКС).
Абонентський комплекс складає інтерфейс з комутаційною системою і виконує наступні основні функції: живлення мікрофона ТА, перехід з двопровідної АЛ на чотирьохпровідну, контроль стану шлейфу АЛ для виявлення моменту зняття абонентом телефонної трубки й відбою. Блок ПЧК здійснює перетворення аналогового розмовного сигналу в сигнал амплітудно-імпульсної модуляції (АІМ), концентрацію і комутаціїю 64 АЛ на одну ІКМ лінію. Кодека виконує аналого-цифрове перетворення сигнула АІМ в ІКМ і навпаки. Блок ЦК здійснює концентрацію 12-ти ІКМ ліній на (2-6) ГТ ІКМ ліній комутаційного поля. Число групових трактів ІКМ між концентратором і комутаційним обладнанням станції визначається шляхом розрахунку залежно від величини навантаження і ймовірності втрат.
SHAPE \* MERGEFORMAT АК64
АК1
ПЧК
Кодек
1
АК64
АК1
ПЧК
Кодек
12
768АЛ
АІМ
ІКМ
АІМ
ІКМ
ЦК
(2-6)
ГТ ІКМ
В
КП
Маркер
ЗКС
Рис. 2.1. Структурна схема концентратора
Вихідні дані для розрахунку концентратора:
кількість вхідних абонентських ліній (NАЛК)
ймовірність втрат комутаційної системи (рв).
2.2.2. Розрахунок кількості концентраторів
Згідно заданої кількості АЛ на один концентратор NАЛК та розрахованої у Розділі 1 загальної кількості абонентів EMBED Equation.3 визначаємо кількість концентраторів k:
EMBED Equation.3 (2.1.)
2.2.3. Визначення кількості трактів ІКМ-30/32, необхідних для підключення до одного концентратора
Знаходимо величину навантаження (Yk) на один концентратор:
EMBED Equation.3 , (2.2.)
де EMBED Equation.3 - сумарне навантаження від всіх абонентів станції,
k – кількість концентраторів.
За першою формулою Ерланга розрахуємо кількість каналів Nk необхідних для обслуговування навантаження Yk при заданих втратах рв. Коли відомо Nk, то кількість трактів ІКМ-30/32 необхідних для їх реалізації визначаємо, як
EMBED Equation.3
2.3. Розробка і опис структурних схем комутаційних полів „час” та „час-простір-простір-час” на базі заданого цифрового модуля
Вихідні дані для синтезу ЦКП:
ємність цифрового комутаційного модуля [NxM] ГТ (згідно варіанту завдання).
ємність КС (кількість каналів) Nц= Мц (див. 1.4. Розділ 1)
2.3.1. Розрахунок та побудова модуля типу „час”.
Блок або модуль ЦКП, який здійснює функцію часової комутації цифрового сигналу називається блоком „час” (від англ. time – час) [7].
SHAPE \* MERGEFORMAT 0
1
. . .
16
31
0
1
. . .
16
31
Сигнал абонента А переданий абоненту В
Сигнал від абонента А
Цикл вхідної ІКМ лінії
Цикл вихідної ІКМ лінії
Рис. 2.2. Ілюстрація принципу часової комутації
Блоки „час” синтезовані на цифрових запам’ятовуючих пристроях (ЦЗП) і являють собою повнодоступну неблокуючу схему, що комутує будь-який вхідний канал, на будь-який вихідний. ЦЗП блоку „час” працюють в двох режимах: ациклічного записування / циклічного зчитування; циклічного записування / ациклічного зчитування [6]. Завдяки простоті виконання і низькій вартості реалізації, боки „час” є основою для побудови ЦКС АТСЕ малої і середньої ємності (до 30 тис. абонентів).
Кількість цифрових модулів необхідних для побудови комутаційного поля ємністю EMBED Equation.3 визначаємо як:
EMBED Equation.3 , (2.3.)
де EMBED Equation.3 – кількість групових трактів КС,
EMBED Equation.3 – ємність заданого цифрового модуля, в трактах.
Якщо N>M, то заданий ЦМ працює на стискання з коефіцієнтом стискання EMBED Equation.3 і стоїть на вході КС. Кількість каналів в одному тракті на вході становить 32 канали, а на виході – (32xk). У випадку коли N<M, заданий ЦМ працює на розширення з коефіцієнтом розширення EMBED Equation.3 і стоїть на виході КС. Кількість каналів в одному тракті на виході становить 32 канали, а на вході – (32xk).
Одноланкова схема ЦКП типу „час” (рис 2.3) включає наступні функціональні блоки: на вході і виході схеми – перетворювачі відповідно послідовного коду в паралельний (пс/пр) і паралельного коду в послідовний (пр/пс), запам’ятовуючі пристрої: інформаційна память (ІП), керуюча память (КП).
SHAPE \* MERGEFORMAT 1
Кмод
N
N
•••
•••
•••
•••
1
КП1
КП Кмод
8 біт
8 біт
8 біт
8 біт
M
M
пс/пр
пс/пр
пр/
пс
пр/
пс
TS0
TSN
TS0
TSN
TS0
TSN
TS0
TSN
TS0
TSN
TS0
TSN
Кмод
ІП Кмод – Кмод
ІП 1 – Кмод
ІП 1 – 1
ІП Кмод – 1
До ЦКП
Рис. 2.3. Структурна схема комутаційного поля типу „ЧАС”
2.3.2. Розрахунок та побудова модуля типу „час-простір-простір-час”
Блок або модуль ЦКП, який здійснює просторову комутацію цифрового сигналу називається блоком „простір” (від англ. space – простір – „S”) [7].
SHAPE \* MERGEFORMAT 0
1
. . .
16
31
0
1
. . .
16
31
Сигнал абонента А переданий абоненту В
Сигнал від абонента А
Цикл вхідної і-тої ІКМ лінії
Цикл вихідної і-тої ІКМ лінії
Рис. 2.4. Ілюстрація принципу просторової комутації
Блоки „простір” комутують однойменні канали будь-яких трактів і можуть бути легко реалізовані на: електронних ключах; інтегральних схемах середнього ступеня інтеграції – мультиплексорах і демультиплексорах або на програмованих логічних матрицях (ПЛМ). Завдяки простій і недорогій реалізації цих схем, ЦКС синтезовані на блоках „простір” широко використовувались на перших етапах створення цифрових АТС. Однак недолік цих блоків – внутрішні блокування при з’єднанні різнойменних призвів до того, що на сьогодні модулі „простір” використовуються в парі з ЦМ інших видів, зокрема, блоками „час”.
Рекомендації для синтезу модуля „час-простір-простір-час” (ЧППЧ).
Основною задачею при побудові модуля типу ЧППЧ є вибір кількості та ємності блоків часової комутації (БЧК), від структури якого залежить загальна кількість точок комутації. При побудові БЧК рекомендується брати відношення кількості модулів БЧК (k) до кількості блоків БЧК (NБЧК) рівнем 1; 2; 3. Також необхідно врахувати умову вибору кількості модулів (k): кількість модулів має бути цілим числом (кратним 2) і у всіх БЧК має бути однакова кількість цифрових модулів. Для зменшення внутрішнього блокування і кількості (NБЧК) зв’язність вибирається f=2.
На рис. 2.5 побудована чотирьохланкова схема ЦКП типу ЧППЧ.
SHAPE \* MERGEFORMAT 1
1
1
NБЧК
1
1
1
1
1
1
1
NБЧК
1
N
N
N
N
N
N
N
N
M
M
M
M
M
M
M
M
K
K
K
K
N
K
K
K
NБПК
2
n
n
n
n
n
n
n
n
m
m
m
m
m
m
m
m
Час
Простір
Простір
Час
f=2
Рис. 2.5. Структурна схема комутаційного поля типу ЧППЧ.
2.4. Розрахунок кількості еквівалентних точок комутації цифрового модуля і цифрових комутаційних полів з п. 2.3.
Оцінка економічності синтезованих в п. 2.3 цифрових комутаційних полів „час” і „час-простір-простір-час” проводиться по кількості точок комутації. Згідно [5], 100 біт пам’яті ЦЗП еквівалентні одній просторовій точні комутації, тоді кількість еквівалентних точок комутації (екв.т.к.) блоку „час” (див. рис. 2.3) визначаємо як:
EMBED Equation.3 , (2.4)
де ТІП, ТКП – кількість екв.т.к. інформаційної (2.5) і керуючої (2.6) пам’яті відповідно.
EMBED Equation.3 т.к. (2.5)
EMBED Equation.3 т.к. (2.6)
де EMBED Equation.3 – кількість каналів заданого цифрового модуля;
r – розрядність інформаційного каналу, біт;
EMBED Equation.3 – кількість цифрових модулів.
Загальна кількість еквівалентних точок комутації блоку „час-простір-простір-час” (див. рис. 2.5) дорівнює сумі екв.т.к. часового (БЧК) і просторового (БПК) блоків, тобто:
EMBED Equation.3 , (2.7)
де EMBED Equation.3 – кількість екв.т.к. блоків часової і просторової комутації відповідно.
Кількість екв.т.к. блоку часової комутації (БЧК) становить:
EMBED Equation.3 т.к. (2.8)
де EMBED Equation.3 – кількість цифрових модулів в одному БЧК;
EMBED Equation.3 – кількість блоків часової комутації.
Кількість екв.т.к. блоку просторової комутації БПК дорівнює:
EMBED Equation.3 , (2.9)
де ТПР – кількість т.к. просторових комутаторів;
ТКП – кількість екв.т.к. керуючих пристроїв просторових комутаторів.
Отже, EMBED Equation.3 (2.10)
EMBED Equation.3 (2.11)
де n – кількість входів одного комутатора;
m – кількість виходів одного комутатора;
k – кількість комутаторів в одній ланці блоку БПК;
z – кількість ланок;
EMBED Equation.3 – кількість каналів проміжного тракту;
EMBED Equation.3 – кількість комутаторів в одній ланці БПК.
2.5. Розрахунок кількості точок комутації просторових комутаційних полів такої ж структури та ємності, як цифрові комутаційні поля в п. 2.4.
Структурна схема просторового еквіваленту чотирьохланкового комутаційного поля зображена на рис. 2.6.
SHAPE \* MERGEFORMAT EMBED Equation.3
1
1
1
1
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Рис. 2.6. Структурна схема еквівалентного просторового комутаційного поля
Кількість точок комутації визначається як:
EMBED Equation.3 (2.11)
2.6. Розробка і опис функціональної схеми заданого просторово-часового цифрового модуля.
Функціональна схема цифрового модуля зображена на рис. 2.7.
Вхідні тракти із швидкістю потоку 2,048 Мбіт/с поступають на вхідні регістри зсуву РЗвх. Після чого відбувається перетворення вхідних канальних повідомлень з послідовного коду у паралельний. Відбувається це у регістрах РПвх.
Вхідний перетворювач виконаний на регістрах зсуву РЗвх та паралельних регістрах РПвх В РЗвх послідовно, розряд за розрядом, заносяться кодові слова (8 біт), під дією тактових імпульсів з частотою fвх.
В кінці канального інтервалу під дією сигнала 1, який створюється формувачем імпульсів ФІ1, кодові комбінації з РЗвх одночасно по 8 проводах переписуються в РПвх.
В наступний канальний інтервал в РЗвх записуються кодові слова наступних каналів. За той самий канальний інтервал під дією сигналів 2, що виробляються дешифратором ДШ1, кодові слова перших каналів всіх вхідних ЗЛЦ з РПвх послідовно переписуються в комірки пам’яті ІП.
Адреси комірок ІП формуються лічильником Л1, через перемикач адрес ПА1 подаються на адресні входи ІП. За цикл роботи 125 мкс кодові комбінації всіх вхідних каналів запишуться в ІП. В комірці ІП кодові слова зберігаються протягом циклу і потім замінюються наступним словом того самого каналу. Такий режим роботи цифрового модуля називається керуванням по виходу або циклічний запис/ациклічне зчитування [6].
Комутація вхідних і вихідних каналів здійснюється за допомогою керуючої пам’яті КП. Номери комірок КП відповідають вихідним каналам, а інформація в комірках КП – номерам вхідних каналів (у випадку, коли N>M).
Інформація в комірки керуючої пам’яті записується через паралельний регістр РП1 з ЦКП за адресою, яка також подається з ЦКП і через РП2 і перемикач адрес ПА2 поступає на адресні входи КП.
Зчитуванням інформації з комірок КП керують адреси, які формуються Л2 і через перемикач ПА2 подаються на адресні входи КП. Лічильники Л1 і Л2 працюють у протифазі. За адресами лічильника Л2 послідовно відкриваються комірки КП, з яких зчитуються адреси комірок ІП.
З комірок ІП зчитуються кодові комбінації (мовний сигнал), який по 8-ми розрядній паралельній шині переписується у вихідні паралельні регістри. Керування вихідними паралельними регістрами відбувається імпульсами 3, які формуються дешифратором ДШ2.
Коли кодові комбінації запишуться у всі регістри РПвих, вони швидко перезаписуються у вихідні регістри зсуву РЗвих під дією імпульсу 4, який виробляється ФІ2. Після перезапису кодових слів з РПвих в РЗвих, вони починають зчитуватися послідовно у вихідні ЗЛЦ під дією імпульсів тактової частоти fвих.
Таким чином РПвих і РЗвих виконують функції перетворювача паралельного коду в послідовний.
2.7. Розрахунок тактових частот і побудова часових діаграм функціонування цифрового модуля
Частота тактових імпульсів визначається за формулою:
EMBED Equation.3 , (2.12)
– кількість каналів цифрового модуля.
125*10–6 – тривалість одного часового каналу, сек.
Частота трактів на виході цифрового модуля, у випадку, коли N>M:
EMBED Equation.3 , (2.13)
N, M – кількість вхідних (вихідних) групових трактів;
EMBED Equation.3 Мбіт/сек. – частота вхідного тракту ІКМ 30/32.
Період запису-зчитування:
EMBED Equation.3 , (2.14)
де fTI – частота тактових імпульсів.
На рис. 2.8 зображені часові діаграми роботи цифрового модуля [4х32] ГТ.
SHAPE \* MERGEFORMAT N
N
N-1
N-1
1
1
1
M
1
M
1
2
ПА1
ПА2
Ліч2
ФІ1
ФІ2
ДШ1
ДШ2
1
РП1
РП2
Адреса
Адреса
ІП 8 біт
КП EMBED Equation.3 біт
Вхідні ЗЛЦ
Вихідні ЗЛЦ
fТІ
fвих
fвх
ЦКП
ТS0
РЗ вх
РЗ вих
РП вих
РП вх
4
3
3
4
Ліч1
W/R
CS
W/R
CS
2
1
ТSN
ТS0
ТSN
Рис. 2.7. Функціональна схема цифрового модуля
На основі синтезованих цифрових комутаційних полів „час” і „час-простір-простір-час” зробити висновки.