Systemy komutacji

Tradycyjna telekomunikacja oparta na komunikacji porozumiewawczej - obejmującej usługi telefoniczne, telegramowe i teleksowe - wymaga kanałów o niewielkiej przepływności, wykorzystujących prawie wyłącznie analogowe linie telefoniczne z podstawowym pasmem przenoszenia w zakresie 300-3400 Hz. Istotne zmiany w telekomunikacji stały się możliwe po opanowaniu cyfrowej techniki kodowania mowy, wprowadzeniu techniki zwielokrotnienia kanałów oraz światłowodów dla rozszerzenia pasma transmisji, a przede wszystkim włączeniu do sieci telekomunikacyjnej elementów komutacji (przełączania) pochodzących z technologii sieci komputerowych.

Komutacja połączeń telekomunikacyjnych

Spośród wielu technik telekomutacyjnych zawiadujących przesyłaniem informacji przez sieć należy wyróżnić następujące sposoby komutacji:

• komutację kanałów (połączeń, układów, linii), wymagającą przed przesłaniem informacji zestawienia dedykowanej trasy od źródła przekazu przez sieć do systemu użytkownika docelowego. Zawiera co najmniej trzy elementy: fazę ustanowienia połączenia, fazę transferu właściwego i fazę rozłączenia. Odmianą tej komutacji jest wielostrumieniowa komutacja kanałów;
• komutację pakietów (w tym również głosu w postaci pakietowej), uważaną za najbardziej elastyczną technikę komutacji, przydatną dla użytkowników nawiązujących wielokrotne połączenia z wieloma klientami, zwłaszcza o zmiennej ilości danych. Informacja dzielona na pakiety stałej długości (nagłówek plus dane) jest przesyłana przez sieć jedną z dwóch metod: bezpołączeniową (datagramy informacji — bez potwierdzania odbioru) i połączeniową — wymagającą zestawienia kanału logicznego przez sieć przed przesłaniem pakietów. Wirtualne połączenia logiczne mogą mieć charakter tymczasowy SVC (Switched Virtual Circuit) bądź trwały PVC (Permanent Virtual Circuit). Odmianą komutacji pakietowej tworzonej w łączach o dobrej jakości jest technika komutacji ramek, w której z uwagi na małe prawdopodobieństwo przekłamań zredukowano zakres kontroli przepływu i korekcji błędów w poszczególnych węzłach tranzytowych sieci, a ramki błędne bądź niekompletne są po prostu usuwane;
• komutację komórek, stanowiącą odmianę szybkiej komutacji pakietowej liczonej w Gb/s (np. ATM), z przeznaczeniem do przekazów przez łącza o bardzo wysokiej jakości, czyli światłowodowe. Dane pierwotne są porcjowane na komórki o małej długości (53 bajty), a transmisja dokonuje się zwykle w trybie połączeniowym, co umożliwia efektywny przekaz informacji w czasie rzeczywistym. Obsługą problemów związanych z pakietami zagubionymi, uszkodzonymi bądź przesłanymi w niewłaściwej kolejności zajmują się systemy użytkowników końcowych, a nie sieć transmisyjna (z komutacją komórek).

Ewolucja komutacji

W systemach telekomunikacyjnych do połowy lat siedemdziesiątych stosowano powszechnie technikę przesyłania sygnałów analogowych za pomocą kanałów telefonicznych w podstawowym pasmie przenoszenia lub poprzez kosztowne międzycentralowe urządzenia zwielokrotnienia częstotliwościowego o niewielkiej krotności kanałów rozmównych. Jako linie przesyłowe były wtedy stosowane wyłącznie pary kabli miedzianych o ograniczonej częstotliwości pracy, wymagające skomplikowanych filtrów, korektorów linii (pupinizacja, krarupizacja) i tłumików zakłóceń przy przesyłaniu sygnału o większych częstotliwościach.

Sytuacja radykalnie uległa zmianie wraz z wprowadzeniem przekształcenia sygnału mowy na postać cyfrową za pomocą techniki modulacji kodowo-impulsowej PCM (Pulse Code Modulation). Koncepcja tej techniki, która jest fundamentem telefonii cyfrowej, została opatentowana już w 1926 r. Jednak dopiero 1962 r. zastosowano ten wynalazek w telekomunikacji przy budowie 24-kanałowego traktu PCM o przepływności T(1,544 Mb/s), a następnie 96-kanałowego systemu o przepływności T2 (6,312 Mb/s), oddanego do eksploatacji w 1972 r. Technika ta umożliwia konwersję standardowego sygnału mowy w pasmie podstawowym około 4 kHz (niekiedy 7 kHz) na postać cyfrową przez ciągłe próbkowanie amplitudy z częstotliwością 8 kHz (co 125 µs) i kodowanie tych wartości w ciąg znaków 8-bitowych (256 różnych wartości), uzyskując podstawową przepływność binarną 64 kb/s. Kanał o tej przepływności jest podstawą do komutacji na wyższych poziomach multipleksowania (krotnice telefonii nośnej).

Multipleksowanie PCM

Znormalizowane cyfrowe kanały rozmówne o przepływności 64 kb/s stały się podstawą do tworzenia strumieni cyfrowych o dużej przepływności przez łączenie pojedynczych kanałów metodą zwielokrotnienia cyfrowego z podziałem czasowym TDM (Time Division Multiplexing). Sposób ten umożliwia wprowadzenie pojedynczych bajtów z kolejnych kanałów PCM do szczelin czasowych jednego strumienia zbiorczego, co odpowiada klasycznej komutacji kanałów w systemach cyfrowych, zwanej w telekomunikacji multipleksowaniem za pomocą krotnic telekomunikacyjnych.

Multipleksowanie kanałów PCM jest realizowane odmiennie na różnych kontynentach, przy czym wyróżnia się dwa przyjęte standardy multipleksowania kanałów o przepływności 64 kb/s: do/z strumienia zbiorczego o przepływności 1544 kb/s (24x64 kb/s) na kontynencie północnoamerykańskim i w Japonii oraz do/z strumienia o przepływności 2048 kb/s (30x64 kb/s) w Europie.

W europejskim systemie multipleksowania z podziałem czasowym TDM stosuje się ramkę o 32 szczelinach i czasie trwania 125 µs, w której dwie szczeliny są przeznaczone odpowiednio do synchronizacji F (Framing) i sygnalizacji S (Signaling), natomiast pozostałe, do przenoszenia bajtów informacyjnych z kolejnych 30 kanałów PCM, tworząc w ten sposób strumień zbiorczy E o przepływności 2048 kb/s, oznaczany zwykle 2 Mb/s.

Łącze telekomunikacyjne

Główne łącze telekomunikacyjne jest identyfikowane z każdym łączem typu telekomunikacyjnego, zakończonym u użytkownika urządzeniem końcowym, zwanym terminalem. W centrali końcowej łącze główne jest skojarzone z przyporządkowanym mu numerem abonenckim.

Istnieją dwa rodzaje zakończeń łączy telekomunikacyjnych: terminalem indywidualnym, zespołem terminali w zakończeniu grupowym. Typowymi zakończeniami terminali indywidualnych są: aparat telefoniczny, urządzenie faksujące, modem, komputer osobisty lub coraz częściej spotykane wideokonferencyjne i multimedialne aparaty abonenckie. Zakończeniem grupowym są najczęściej centrale abonenckie typu PABX, spełniające funkcje reduktorów łączy telekomunikacyjnych. W zależności od wielkości generowanego trafiku liczba łączy głównych przeznaczonych do obsługi PABX lub wyniesionych stacjonarnych modułów komutacji może być różna, jednak zawsze mniejsza (redukcja) od liczby przyłączonych do nich abonentów. W języku potocznym łącze główne jest zwykle niezbyt precyzyjnie identyfikowane z linią miejską systemu komutacji lub łączem abonenckim.

Klasyfikacja central

Istnieje kilka sposobów klasyfikacji systemów komutacyjnych. Ze wzglądu na formę prezentacji przekazów głosowych rozróżnia się centrale:

• analogowe, z bezpośrednią komutacją sygnałów analogowych (pasmo 4 kHz);
• cyfrowe, z przetwarzaniem głosu na postać cyfrową PCM64 (64 kb/s);
• zintegrowane, w których oprócz cyfrowego przekazu głosu możliwa jest integracja wielu usług teledacyjnych (teleks, telefaks, poczta elektroniczna, poczta głosowa, usługi Internetu, usługi obrazowe, sieci komputerowe i inne).

Ze względu na realizowane funkcje istnieje bardziej szczegółowa specjalizacja uwzględniająca podział central na: abonenckie, miejskie, satelickie, wyniesione (oddalone), tandemowe, tranzytowe, międzymiastowe i międzynarodowe, jak też o mieszanym charakterze — łączące kilka podanych funkcji. Podział ten w miarę wzrostu integracji między siecią telekomunikacyjną i komputerową ulega stopniowemu zanikowi.

Centrale analogowe

Pierwsze systemy automatycznych central telefonicznych (analogowych) działały w systemie bezpośrednim opartym na impulsach wybierczych — nadawane tarczą numerową abonenta bez rejestracji numeru w centrali — wprost na wybieraki centrali komutującej. Poszczególne cyfry (serie impulsów wybierczych) powodowały bezpośrednio „krok po kroku” zestawianie trasy kolejnych odcinków, co prowadziło do usztywnienia funkcji trasowania całości połączenia. Zwiększenie elastyczności trasowania uzyskano w systemach rejestrowych, w których impulsy wybiercze są najpierw pamiętane w rejestrach, a po zakończeniu nadawania numeru służą do budowania w miarę bezkolizyjnej drogi połączeniowej. Największy postęp w automatyzacji central analogowych uzyskano przez wprowadzenie systemów elektronicznych do trasowania połączeń, wśród których wyróżnia się:

• quasi-elektroniczne — w których sterowanie jest elektroniczne, a wybieraki połączeń pozostają nadal elektromechaniczne (biegowe, podnosząco-obrotowe, krzyżowe);
• systemy całkowicie elektroniczne — o przestrzennym i czasowym rozdziale dróg rozmównych w polu komutacyjnym.
• Cechą charakterystyczną wszystkich central analogowych jest przekaz i komutacja sygnałów głosowych w postaci analogowej (bez cyfrowego przetwarzania głosu) w obrębie systemu komutacji.

Sieci tranzytowe

Początkowo telefoniczne sieci tranzytowe, działające między centrami komutacji, wykorzystywały telefonię nośną, zastępującą grube wiązki międzycentralowe z setkami par linii telefonicznych transmitujących przekazy głosowe w naturalnym pasmie kanału o szerokości 4 kHz (300-3400 kHz). W systemach telefonii nośnej następuje zwielokrotnienie częstotliwościowe kanałów rozmównych przez przesunięcie podstawowego pasma 4 kHz w odpowiednio wyższe zakresy częstotliwości, oddzielnie dla każdej rozmowy. Po stronie odbiorczej analogowa postać sygnałów mowy jest rozdzielana za pomocą filtrów pasmowych (4-8 kHz, 8—12 kHz, 12—16 kHz itp.) na pojedyncze kanały rozmówne. Kłopotliwy proces wzmacniania i filtracji kanałów analogowych telefonii wielokrotnej był jednym z głównych powodów niskiej jakości rozmów i przesłuchów, co doprowadziło do ewolucji tych łączy w kierunku tranzytowych sieci cyfrowych .

Funkcjonujące do tej pory pojęcie sieci tranzytowej opartej na centralach tranzytowych traci stopniowo na znaczeniu. Warstwowa struktura sieci transportowych PDH i SDH (także ATM) na najwyższych poziomach komutacji funkcjonuje obecnie za pomocą węzłów cyfrowych łączących poszczególne fragmenty sieci synchronicznych o różnych przepływnościach, poczynając od szybkości 155 Mb/s w górę. Instalacja krotnic synchronicznych DXC, SXC oraz różnorodnych typów multiplekserów ADM (Add Drop Multiplexer), działających bezpośrednio na torach optycznych ze zwielokrotnieniem falowym WDM, gwarantuje optymalne wykorzystanie przepustowości istniejących kanałów światłowodowych między systemami komutacji na różnych poziomach multipleksacji.

Centrale cyfrowe

Określenie systemów komutacji nie jest obecnie jednoznaczne. Tradycyjnie obowiązujący do tej pory podział na systemy komutacji (centrale telefoniczne powyżej 10 000 abonenckich numerów NN) i centrale lokalne (prywatne, zakładowe) przestaje funkcjonować, gdyż wiele abonenckich systemów cyfrowych PABX może już obsługiwać trafik powyżej 25 000 numerów NN przejmując większość funkcji komunikacyjnych z nadrzędnych systemów komutacji i umożliwiając trafik powyżej 10 000 erlangów. Zasadniczym przełomem w rozwoju central i systemów komutacji było wprowadzenie do telekomunikacji cyfryzacji sygnałów głosowych za pomocą modulacji kodowo—impulsowej PCM. Dotychczasowe linie abonentów analogowych mogą być dołączone do centrali cyfrowej (cyfrowego systemu komutacji) przez kodek PCM znajdujący się na obrzeżu systemu komutacji, natomiast cyfrowe linie abonenckie są przyłączone bezpośrednio do portów wyjściowych traktowanych jako łącze główne systemu komunikacji. Kodek brzegowy PCM zamienia dwukierunkowy sygnał analogowy symetrycznej linii abonenckiej na dwa jednokierunkowe tory cyfrowe, każdy o przepływności 64 kb/s. Sygnały cyfrowe PCM64 mogą być komutowane bezpośrednio z innymi abonentami tego samego systemu lub podlegają zwielokrotnieniu przed ich przesłaniem do innego systemu komutacji. Taka koncepcja pozwala na całkowicie cyfrowe komutowanie, przetwarzanie i przesyłanie informacji oraz sygnalizacji na wszystkich poziomach wielowarstwowej sieci telekomunikacyjnej.

Rewolucyjne zmiany w cyfrowych systemach komutacji nastąpiły w momencie, gdy okazało się, że tanie sieci pakietowe pierwotnie przeznaczone do transmisji danych nadają się do przekazów głosowych prowadzonych w czasie rzeczywistym. Stało się to możliwe, dzięki znacznemu postępowi w technikach konwersji głosu do postaci cyfrowej PCM 64 kb/s (G.711), a następnie jego kompresji do strumienia o przepływności kanałowej: początkowo 32 kb/s (G.723), 16 kb/s (G.728), 8 kb/s (G.729) i 6,3 kb/s (G.723.1), a obecnie 5,3 kb/s (G.723.1). Są one uzyskiwane z wykorzystaniem szybkich procesorów sygnałowych DSP (Digital Signal Processing), jeszcze nie w pełni powszechnie dostępnych w rozwiązaniach komercyjnych.

Pole komutacyjne

Integralną cechą nowoczesnego systemu komutacji jest cyfrowe pole komutacyjne, umożliwiające przestrzenno-czasowy rozdział szczelin czasowych TDM (Time Division Multiplexing) między wszystkimi współpracującymi modułami komunikacyjnymi centrali komutującej. Zapewnienie bezkonfliktowej komutacji wymaga zwykle stosowania światłowodowego medium transmisyjnego o gigabitowej przepływności bitowej, w którym znajduje się kilkadziesiąt tysięcy przyporządkowanych na stałe lub zmiennych w czasie szczelin. Swobodna alokacja szczelin czasowych w topologii sieci komutującej jest najnowszym rozwiązaniem komutatorów przestrzenno-szczelinowych. Topologie sieci komutującej mogą przyjmować różne formy: cyfrowej sieci pierścieniowej, kratowej lub mieszanej; stosowane najczęściej topologie mieszane stanowią indywidualną i chronioną cechę każdego systemu komutacji.

Zarządzanie TMN

Sposób zarządzania siecią telekomunikacyjną określa architektura funkcjonalna zwana TMN (Telecommunication Management Network). Definiuje ona funkcje związane ze sterowaniem, monitorowaniem i rejestrowaniem zasobów sieci w celu zapewnienia efektywnego jej wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem. Funkcje zarządzania telekomunikacją TMN obejmują następujące obszary działań:

• administrowanie — zmierzające do wspomagania świadczenia usług telekomunikacyjnych;
• sterowanie — ujmujące zbiór działań technicznych do realizacji funkcji i adaptacji do zachodzących zmian w otoczeniu telekomunikacji;
• utrzymanie — obejmujące technikę zapewniającą sprawne funkcjonowanie sieci;
• zabezpieczanie — ma na celu planowanie i przygotowanie do wdrożeń nowych cech usług sieci telekomunikacyjnej w przyszłości.

Zasadnicze funkcje TMN są zgrupowane w dwóch kategoriach:

• ogólnej — wspólna dla wszystkich systemów komutacyjnych (przesyłanie, przechowywanie, wyszukiwanie, przetwarzanie i ochrona informacji);
• aplikacyjnej — obejmująca podstawowy zbiór funkcji zarządzania aplikacjami (zarządzanie konfiguracją, uszkodzeniami, jakością, bezpieczeństwem i taryfikacją).
• Elastyczna realizacja zarządzania TMN ma konfigurowalne styki Q3, umożliwiające śledzenie, nadzór i monitorowanie stanu użytkowników sieci oraz prowadzenie dialogu za pomocą sekwencji ekranów wejściowych, a także generowanie sygnałów wyjściowych do sterowania siecią telekomunikacyjną w celu jej naprawy lub optymalizacji.

Systemy komutacji w Polsce

W Polsce działa wiele typów sieci telekomunikacyjnych o charakterze publicznym:

• komutowane sieci telefoniczne PSTN (Public Switched Telephone Network);
• teledacyjne sieci z komutacją kanałów CSPDN (Circuit Switched Public Data Network);
• teledacyjne sieci z komutacją pakietów PSPDN (Public Switched Packet Data Network);
• sieci telegraficzne (Telex);
• radiotelefoniczne sieci komórkowe MT (Mobile Telephony), a także wiele sieci wydzielonych o charakterze lokalnym lub prywatnym (PABX, LAN, dyspozytorskie, specjalne).

W krajowej sieci telefonicznej PSTN funkcjonują jeszcze następujące systemy komutacji (analogowej i cyfrowej):

• system Strowgera (w zaniku) na poziomie central okręgowych,
• system krzyżowy (Pentaconta 1000C, K66, LNI) na poziomie central okręgowych, międzymiastowych, także zespolonych,
• system elektroniczny (E-10A) na poziomie central okręgowych,
• nowoczesne systemy komutacji cyfrowej (Alcatel 1000 S12, Lucent Technologies 5ESS-2000, 5ESS/7R/E, Siemens EWSD, krajowe DGT 3450) działające w najwyższych i środkowych warstwach sieci telekomunikacyjnej na poziomie łączy międzynarodowych, central międzymiastowych i niektórych central okręgowych i zespolonych.

Klasyczne usługi sieci

Początek usług telekomunikacyjnych datuje się od zastosowania aparatu telegraficznego w połowie ubiegłego stulecia. Przez ponad 100 lat standardową ofertą sieci była stacjonarna usługa POTS (Plain Old Telephone Service) nawiązująca do transmisji głosu przez komutowane łącza telefoniczne. Dopiero od niedawna usługi realizowane przez sieci telekomunikacyjne analogowe i cyfrowe rozwinęły się w kilka dziedzin: usługi głosowe, dźwiękowe, tekstowe, graficzne, obrazowe i transmisji danych, zarówno dla abonentów stacjonarnych, jak i znajdujących się w ruchu. Rozwój środków telekomunikacji satelitarnej i naziemnej (przewodowej, światłowodowej i radiowej) dał podstawy do zastąpienia klasycznej stacjonarnej usługi telefonicznej POTS usługą audiowizualną z dystrybucją dźwięku wysokiej jakości, zapewniając komunikację typu „każdy z każdym” — niezależnie od miejsca pobytu abonentów.

Nowe funkcje w sieci inteligentnej

Sieć inteligentna IN (Intelligent Network) stanowi pojęciowy model fizycznej sieci telekomunikacyjnej, identyfikowany jako środek zwiększający atrakcyjność istniejących usług przez ofertę nowych, dodatkowych usług telekomunikacyjnych. W większości usługi sieci inteligentnej IN są oparte na istniejącej sieci cyfrowej i wykorzystują specjalizowane rozwiązania producenta lub operatora sieci telekomunikacyjnej, wśród których dominuje zestaw podstawowy (CS1), wszechstronnie już sprawdzony w eksploatacji. Należą do niego następujące usługi rozszerzone, już realizowane przez sieć inteligentną:

• bezpłatne połączenia telefoniczne FPH (Freephone),
• interaktywna odpowiedź głosowa IVR (Interactive Voice Response),
• wydzielona sieć wirtualna VPN (Virtual Private Network),
• połączenia z opłatą prowizyjną (PRS),
• teległosowanie TVS (TeleVoting Service),
• usługa sieciowego Centrexu (AWC),
• połączenia rozliczane kartą VCC (Virtual Card Calling),
• uniwersalna łączność osobista UPT (Universal Personal Telecommunication),
• poczta głosowa VMS (Voice Message Service),
• wybieranie numeru głosem VAD (Voice Activated Dialing).

Realizacja większości tych usług jest już w ofercie operatorów telekomunikacyjnych stosujących nowoczesne systemy komutacji CM i PABX, wyposażone dodatkowo w inteligentne węzły komunikacyjne (systemy komputerowe o dużej mocy obliczeniowej typu RISC, procesory sygnałowe DSP, pamięci dyskowe o pojemności rzędu kilku gigabajtów). Pierwsze cztery usługi sieci inteligentnej IN w krajowej sieci telekomunikacyjnej TP SA uruchomiła w lutym 1999 r. Należą do nich następujące usługi:

• linia bezpłatna 800 (0-800) stanowiąca unowocześnioną wersję dotychczasowej usługi Infolinii 0-800 — świadczonej przez TP SA już od 1995 r. Korzystanie z numeru z prefiksem 800 jest bezpłatne dla klienta niezależnie od miejsca wywoływania połączenia, a pełny koszt usługi ponosi wyłącznie abonent tej usługi (agencja badań rynkowych, media, firma zainteresowana bezpośrednim informowaniem o swoich promocjach, produktach i usługach);
• linia ulgowa 80x z umownym podziałem opłaty taryfikacyjnej między abonenta wywołującego i właściciela usługi. Abonenci tej usługi mają trzy warianty podziału kosztów połączenia: opłata tylko za jeden impuls niezależnie od czasu trwania połączenia, impuls za każde rozpoczęte trzy minuty rozmowy bądź zaliczanie impulsu za każdą minutę. Za odpowiednią opłatą można ubiegać się o numery „srebrne”, „złote” lub zaproponowane przez klienta;
• linia firmowa 804 umożliwiającą automatyczne łączenie klienta z terytorialnie najbliższym mu oddziałem firmy, sklepu, usługi, policji czy straży. Oferta jednego numeru na terenie całego kraju (zapowiedzi, informacje miejscowe, połączenia z lokalnym oddziałem firmy) ułatwia kontakt użytkownikowi, a firmie zmniejsza koszty prowadzonych usług;
• teległosowanie 707 (televoting) — usługa zezwalająca na rejestrację — w celu późniejszego użytkowania — nawet do miliona połączeń (tak, nie, inne) przychodzących w ciągu jednej godziny.