Коммутация в сетях электросвязи Узлы сети - телефонные станции

Для обеспечения передачи сигналов оконечные (абонентские) устройства сети должны быть электрически соединены друг с другом. Это соединение, как прави­ло, проходит через несколько участков: абонентские и соединительные линии, одна или несколько узловых станций сети. Совокупность этих участков образует соединительный тракт передачи.

Процесс установления соединения между абонентами заключается в электри­ческом соединении (замыкании) определённых входящих и исходящих линий свя­зи на узловых станциях сети. После окончания переговоров происходит размыка­ние линий, в результате чего тракт распадается на отдельные участки.

Функции, выполняемые узловыми станциями сети в процессе организации и распада соединительных трактов, называют коммутацией. Таким образом, коммутацией называют процесс замыкания, размыкания и переключения элек­трических цепей [2, 3, 5].

Коммутация осуществляется с помощью комплекса специальных устройств, объединяемых под общим названием - станция коммутации. В телефонной сети это телефонная станция.

Рассмотрим процесс коммутации и работу станций коммутации на примере станций телефонной сети.

Телефонные станции возникли практически сразу после изобретения телефо­на. Уже в 1878 году в городе Нью-Хэйвен, штат Коннектикут, США, начала рабо­ту первая в мире телефонная станция. Первая телефонная станция России была открыта в Нижнем Новгороде в 1881 году. Её ёмкость была - 128 номеров. С тех пор техника коммутации стремительно развивалась, так что в настоящее время на просторах России применяются одновременно пять поколений телефонных стан­ций. При этом станции пятого поколения отличаются от станций первого поколе­ния так же, как современный локомотив от почтовой кареты.

Несмотря на существенные отличия в конструкции и схемотехническом ис­полнении, станции коммутации имеют одну и ту же структурную схему и состав (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Структурная схема станции коммутации

Основным элементом оборудования станции является коммутационная сис­тема КС или, короче, коммутатор. Она выполняет соединения входящих и ис­ходящих линий на время разговора. Каждая входящая и исходящая линия имеет на станции индивидуальное оборудование, называемое линейным комплектом ЛК. Оно обеспечивает сигнализацию и поступление вызова, подключение або­нентской линии к другим элементам оборудования станции, трансляцию сигналов набора номера, защиту коммутатора от перенапряжения и грозовых разрядов и др. Работу всех элементов оборудования станции организует управляющее устройст­во УУ. Ещё есть устройства переключения линий (постоянного или временного), называемые кроссами.

Первые телефонные станции были станции ручного обслуживания (РТС). Для соединения абонентов друг с другом необходимо было вручную вставлять кон­тактные штыри в контактные гнёзда на панели коммутатора. Для этого нужен большой штат операторов - «телефонных барышень». В своё время претенденток на работу в качестве оператора телефонной станции выбирали почти так, как сей­час выбирают моделей для прогулок на подиуме. Претендентки должны были быть высокого роста и, что самое важное, с длинными руками, чтобы дотягивать­ся до самых дальних узлов панели коммутатора. Труд телефонистки был очень тяжёл и требовал большого эмоционального напряжения. Штат телефонисток требовался очень большой - до 1500 человек (целый полк!). Скорость соединения была невысокой, допускались ошибки в соединениях, ни о какой конфиденциаль­ности разговоров не могло быть и речи. Поэтому от ручных станций стали пере­ходить к автоматическим, в которых соединения осуществляют механизмы или электронные устройства.

Исторически первыми автоматическими телефонными станциями (АТС) яви­лись станции декадно-шаговой системы (ДШС).

Первая АТС стала работать опять-таки в США, в г. Нью-Бедфорде в 1900 году.

Уже само название даёт первое представление о работе декадно-шаговых сис­тем - это пошаговый поиск (установление) нужной цифры номера абонента в пределах декады (десятка). Техническую основу системы составляют два прибора - шаговый искатель на АТС и дисковых номеронабиратель на телефонном аппа­рате. При наборе абонентом очередной цифры телефонного номера с помощью дискового номеронабирателя в абонентскую линию поступают несколько им­пульсов тока, т.е. линия прерывается (отключается от источника питания) не­сколько раз. При этом число импульсов тока равно (за исключением цифры 0) значению набираемой цифры. Каждый импульс тока передвигает подвижный контакт электромеханического переключателя - шагового искателя - на одну по­зицию, соединяя подвижный контакт с очередным неподвижным. Таким образом подвижный контакт перемещается на число позиций (шагов), равное значению набираемой цифры. При наборе абонентом следующей цифры в работу вступает следующий искатель. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет на­браны все цифры телефонного номера.

В типовой станции на 10 000 номеров содержатся четыре соединённых элек­трически шаговых искателя. Один из них устанавливает единицы (числа первого разряда), следующий - десятки, далее набираются сотни и тысячи. При этом уп­рощённая структурная схема соединения двух абонентов выглядит, как показано на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Структура декадно-шаговой системы

В станциях декадно-шаговой системы управление коммутатором производится с помощью телефонного аппарата абонента. Такой метод управления называется

непосредственным.

Существенные недостатки рассматриваемых устройств, а именно, большое число низконадёжных электромеханических устройств с движущимися трущими­ся контактами, заставили искать новые принципы действия и конструкции АТС.

Следующее - второе поколение АТС - это станции координатной системы АТС-К. Принцип построения коммутаторов этих систем позаимствован у ручных станций. Так же, как и в ручных системах, в станциях координатной системы применяют так называемый «шведский» ламельный коммутатор.

Ламельный коммутатор - это два взаимноперпендикулярных ряда медных (или латунных) пластин (ламелей), разделённых воздушных промежутком. При этом к одному ряду подключают входящие линии, а к другому - исходящие. В ручных станциях, как уже отмечалось, для обеспечения соединения в отверстия на заданных перекрёстках панелей (ламелей) вставлялись медные штыри. В коор­динатных АТС роль штырей выполняют контакты электромеханических реле. Схема соединений становится такой, как на рис. 5.7б.

Преимущества координатных соединителей, применяемых на станциях АТС- К, или кроссбаров, в том, что число соединений в коммутаторном тракте меньше, чем в декадно-шаговых системах. Кроме того, они обеспечивают давящий, а не трущийся контакт. Поэтому соединения надёжнее и не производят треска в теле­фонной трубке. Скорость соединения заметно выше. В координатных АТС путь соединения уже определяет не абонент, а «сама» станция. Это общее управление процессом набора.

В СССР в 60-х - 80-х годах XX века выпускались станции АТС-К 100/2000 и применялись станции фирмы Эриксон (Швеция) типов APM-13 и APE-11.

Из-за применения электромагнитных реле станции типа АТС-К занимают большие площади и потребляют значительную мощность. Время срабатывания реле, порядка единиц миллисекунд, перестало удовлетворять абонентов и разра­ботчиков телефонных сетей. Возникла потребность и появилась возможность за­мены электромеханических реле на более совершенные коммутационные прибо­ры.

На следующем, третьем поколении АТС вместо электромеханических реле стали применять более экономичные и быстродействующие герконовые реле. Герконовое реле или, короче, геркон (герметический контакт), это магнитоэлектриче­ское устройство, в котором контакты изолированы от окружающей среды. Они управляются магнитным полем от внешнего электромагнита.

Станции на герконах стали называть квазиэлектронными АТС (АТС-КЭ). Примером таких станций являются широко распространённые в странах СНГ станции «Квант» с ёмкостью до 2048 номеров.

Последнее, четвёртое поколение современных АТС - это электронные стан­ции, в которых вместо электромеханических реле или герконов применяют тран­зисторы, используемые в так называемом ключевом режиме (см. рис. 5.7 б). Они наиболее совершенны и надёжны, имеют минимальные габариты и вес, легко управляются с помощью ЭВМ, имеют наивысшее быстродействие.

Необходимо отметить ещё одно важное преимущество, которое реализуется при переходе на электронные АТС. Дело в том, что станции всех предыдущих трёх поколений реализуют принцип пространственной коммутации. В них для обеспечения соединений изменяется пространственная структура коммутируемой электрической цепи. Этот же принцип реализован и на первых электронных АТС, работающих с аналоговыми сигналами.

Станции с пространственной коммутацией имеют общий существенный не­достаток - низкое качество контактов. В замкнутом состоянии применяемые эле­менты коммутации вносят значительно затухание в разговорную цепь, изменяю­щееся случайным образом, что ухудшает качество связи.

В электронных АТС появилась и стала реализовываться возможность приме­нения нового принципа временной коммутации, когда применяют временное раз­деление каналов (ВРК) при передаче цифровых сигналов. Современные электрон­ные АТС с временной коммутацией или обрабатывают цифровые сигналы от або­нентов, либо преобразуют их в цифровые на самой станции. При этом становится логичным и целесообразным сочетать цифровое представление сигналов и вре­менное их разделение.

В настоящее время на сетях СНГ работают электронные станции МТ 20/25 производства Уфимского завода по лицензии французской фирмы Алкатель. Есть также станции EWSD фирмы Сименс (Германия), SESS производства Нидерлан­дов, E10 фирмы Алкатель и др. Обычно станции ёмкостью более 32 номеров - цифровые с временной коммутацией.

При переходе от аналоговых к цифровым системам и сетям телефонной связи также возникает и реализуется возможность переходить к цифровым принципам коммутации, применяемым в современных цифровых сетях телеграфной связи и системах передачи цифровых данных. Это коммутация сообщений и коммутация пакетов.

В рассмотренных в данной лекции примерах изложены случаи применения принципа коммутации каналов (КК).

При коммутации каналов сначала организуется сквозной канал между абонен­тами через несколько узлов (станций) коммутации, а затем происходит передача сообщений. Установленное соединение ликвидируется после соответствующего решения абонентов.

Основное достоинство принципа коммутации каналов - работа в реальном масштабе времени, в режиме диалога с минимальным временем установления со­единения. Существующий недостаток - плохое использование каналов связи с большими паузами. Тогда, например, при передаче данных, полезная нагрузка ка­налов составляет только единицы процентов от их реальной пропускной способ­ности.

В системах с коммутацией каналов, если в момент вызова сеть не может обес­печить соединение, вызывающий абонент получает сигнала отказа в обслужива­нии, т.е. «занято». Поэтому эти системы называют системами с отказами.

Системы коммутации сообщений и пакетов относят к классу систем с накоп­лением. В них входящие сигналы сначала записываются в запоминающем устрой­ства (ЗУ), а затем поступают в исходящие каналы по мере их освобождения. Ком­мутацию с накоплением можно достаточно эффективно реализовать только в цифровых системах.

При коммутации сообщений (КС) запоминаются и затем передаются полно­стью сообщения абонентов. Этот принцип реализуется главным образом на теле­графных сетях общего пользования.

Более гибок и производителен метод коммутации пакетов (КП), когда сооб­щение разбивают при обработке на пакеты небольшой длительности. Далее сиг­нал передаётся в освободившиеся каналы пакетами. На приёмной стороне пакеты собираются обратно в единый сигнал. Из-за небольшой длины пакетов при доста­точно малом интервале между ними при этом принципе передачи также возможен режим диалога, как в системах с коммутацией каналов (КК). Однако, загрузка ка­налов сообщений может быть доведена почти до предельных возможностей.

Системы радиосвязи. Условия распространения радиоволн коротко метрового диапазона и замирания сигналов. Способы борьбы с замираниями. Структура и режимы функционирования коротковолновых систем радиосвязи

Для передачи сообщений пригодны не только проводные каналы связи в виде воздушных линий, кабелей и др., но и радиоканалы. Если речь идет о радиорелейных или спутниковых линиях связи, то они практически равноценны кабельным линиям. В отличие от них KB и УКВ радиоканалы вследствие осо­бенностей распространения используемого вида радиоволн (KB (10-Ю² м, 3-30 Мгц), УКВ (1-10 м, 30-300 МГц)) имеют существенно иные свойства и характе­ристики и требуют соответственно других методов и режимов передачи. Како­вы же особенности распространения KB и УКВ радиоволн.

Условия распространения радиоволн и замирания

В соответствии с соглашениями МККР (Международный консульта­тивный комитет по радиосвязи) на международной линии радиочастот для KB каналов отведена полоса частот от 3 до 30 МГц, а для УКВ каналов - от 30 до 300 МГц.

Электромагнитные волны, излучаемые антенной, частично распростра­няются вдоль земной поверхности (поверхностная волна), но могут достигать и места приема за счет преломления или отражения от слоев ионосферы или от­ражения от поверхности Земли (пространственные волны). Иными словами эти волны могут достигать места приема по одному или нескольким путям (лучам) различной длины, как показано на исунке.2.18.

Передатчик Приёмник Рис. 2.18.

Вследствие многолучевого распространения в месте приема может воз­никнуть интерференция волн вплоть до полного подавления принимаемого сиг­нала. Поскольку высота каждого из отражающих слоев ионосферы постоянно изменяется, то явление интерференции подвержено еще и временным флуктуациям.

Возникающие при интерференции замирания в месте приема прояв­ляются в более или менее сильных колебаниях уровня сигнала. Под длительно­стью замирания понимают время, в течение которого амплитуда принимаемо­го сигнала не превышает определенного значения, называемого уровнем зами­раний и задаваемого обычно по отношению к среднему уровню приема.

В зависимости от условий приема и распространения коротких волн за­мирания могут иметь различную длительность. Кратковременные замирания появляются гораздо чаще, чем длительные. Интервал времени между замира­ниями зависит от времени суток, интенсивности солнечного излучения, магнит­ных явлений и лежит в пределах от 4 до 20 секунд. Полоса частот, которая за­трагивается селективными замираниями, имеет ширину от 100 до 200 Гц. Раз­ность двух соседних частот, которые одновременно могут подвергаться этому виду замираний, как правило, более 300 Гц.

Поскольку электромагнитные волны вследствие многолучевого харак­тера их распространения попадают в место приема по разным путям, то время их распространения может колебаться (при большом удалении разница может быть от 3 до 5 мсек.). Следовательно, время, за которое изменение значения сигнала данных достигает приемника, может колебаться на величину этой раз­ницы. Для сигнала, передаваемого со скоростью 50 бод (знаков в секунду), т.е. имеющего единичный интервал 1/50=20 мсек. Это еще допустимо. Но при ско­ростях более 200 бод (интервал 5 мсек.) неопределенность времени распростра­нения уже препятствует передаче данных, т.к. его колебания становятся одного порядка с единичным интервалом передачи данных. Наряду с этим на радио­волны оказывают влияние посторонние источники: промышленные установки создают импульсные помехи, сигналы других станций и т.д.

Способы борьбы с замираниями

Действие помех, вызванных замираниями, при передаче данных можно ослабить если осуществлять прием одного и того же сообщения по двум или нескольким каналам, т.е. по нескольким ветвям разнесения. Этот способ назы­вают разнесенным приемом. Для этого на приеме можно установить, напри­мер, две удаленные (разнесенные) друг от друга антенны. При таком виде раз­несения используется тот факт, что помехи, обусловленные селективными за­мираниями, появляются на двух разнесенных друг от друга антеннах не одно­временно, так что по крайней мере одной из них будет принят нормальный без замирания сигнал. Это метод пространственного разнесения. Схемы этого ме­тода показаны на рисунке 2.19.

где ИД - источник данных;

ПД - приемник данных;

РПрд - радиопередатчик;

РПм - радиоприемник;

М - модулятор;

ДМ - демодулятор;

УР - устройства управления разнесенным приемом.

На схеме (1) используются два отдельных радиоприемника. Это про­странственное разнесение приемных устройств. На схеме (2) используется один радиоприемник - это пространственное разнесение антенн.

Аналогичным образом можно передавать одно и то же сообщение по двум каналам на разных частотах. Это метод разнесения по частоте. Схема метода показана на рисунке 2.20.

Рис.2.20.

На приеме, при обработке сигналов, поступившим по разным ветвям разнесения, обычно производится сравнение уровней приема в этих ветвях. Ес­ли амплитуды сигналов различаются не очень существенно, например не более 7 дБ, то полученные после демодуляции напряжения суммируются. Такое сум­мирование позволяет повысить отношение сигнал/шум, т.к. полезные состав­ляющие, содержащиеся в сигналах отдельных ветвей между собой коррелиро­ванны, а наложенный на них шум, некоррелирован. При различии уровней в ветвях более 7 дБ, ветвь с самым слабым сигналом не используется, поскольку снимаемый с нее сигнал не улучшил бы отношение сигнал/шум. Эти функции реализуются схемой УР на рисунке 2.20.

Эффективность рассмотренных способов борьбы с замираниями может быть весьма низкой если ощущается сильное воздействие других типов помех (промышленные и т.д.). В этом случае для повышения верности приема данных наряду с методами разнесения применяются методы помехоустойчивого коди­рования, которые мы с вами уже рассмотрели ранее.

Обобщенная структурная схема системы коротковолновой связи

Структуру системы связи KB можно представить как показано на рисунке 2.21.

При построении систем связи KB, УКВ особое значение имеет стабиль­ность несущей частоты и характеристики автоматической регулировки уровня. В современных системах легко обеспечивается стабильность частоты до 10~⁸, при этом все необходимые комбинации частоты, дополнительные несущие и т.п. получают от одного высококачественного генератора (синтезатора). Повы­шение стабильности частоты позволяет, например, при передаче данных с по­мощью частотной модуляции, не меняя скорость передачи перейти к более уз­ким полосам частот и тем самым увеличить пропускную способность каналов связи, а также увеличить отношение сигнал/шум и улучшить качество передачи данных.

Согласно классификации, принятой в между народно й связи, режимы работы KB систем связи подразделяют на два типа F и А, которые различают по методу модуляции и способу передачи.

В режимах работы F модулирующий сигнал непосредственно воздейст­вует на высокочастотное несущее колебание, поэтому спектр сигнала симмет­ричен относительно несущей. Например, режим Fj - одноканальный с частот­ной модуляцией, режим F₆ - двухканальный (дуплексный) с частотной модуля­цией. Это режимы с центральной несущей частотой. Режим работы А: в радио­передатчике полоса канала НЧ переносится в область высоких частот, передача осуществляется с одной боковой полосой, несущая может сохраняться или пол­ностью или частично подавляться. Этот режим особенно выгоден, когда необ­ходимо передавать одновременно несколько сообщений или для увеличения верности передачи одно и то же сообщение многократно.

Структура коротковолновых каналов связи в общем случае зависит от используемой радиоаппаратуры. Различают дуплексные, симплексные и каналы односторонней связи. В дуплексных каналах передача и прием ведутся одно­временно и поэтому всегда необходимы две разные несущие частоты. Так как в обоих направлениях одновременно могут передаваться независимые сообще­ния, то на радиостанции должны быть приняты специальные меры по разделе­нию трактов приема и передачи. Обычно удается решить эту задачу за счет раз­несения несущих частот. Организация таких каналов требует значительных за­трат.

Во многих случаях нет необходимости предавать данные одновременно в обоих направлениях. Достаточно попеременной передачи в том и в другом направлениях. Такие каналы называют симплексными. В этом случае нет необ­ходимости в специальных мерах по развязке передатчика и приемника. Прием­ная и передающая антенны могут быть расположены достаточно близко.

В со­временных системах радиосвязи, содержащих приемную и передающую части и в которых частоты приема и передачи формируются совместно, можно вести

передачу и прием на одной и той же частоте и на одну и ту же антенну. Такие устройства называют радиотрансиверами. Такие симплексные каналы позволя­ют лучше использовать плотно заполненный KB диапазон и получили особо широкое применение для связи с подвижными объектами (автомобилями, ко­раблями и т.д.).

По каналам односторонней связи данные передаются только в одном направлении, т.е. приемная станция не может вести передачу. Эти каналы ис­пользуют для радиовещания, это межконтинентальная система телеграфной связи.

Поиск по сайту: