книги / Передача информации в распределенных информационно-управляющих системах
..pdfНа рис. 2.13. приведена структура синхронной МСПИ с выделенными (не коммутируемыми) временными каналами.
В системе имеются 3 источника и 3 получателя информации. Каждая пара «источник-получатель» жестко закреплена. За время цикла Тц опрашиваются все три источника. В первом цикле информацию передает только источник И1, во втором – только источник И2, в третьем и четвертом циклах информацию передают все три источника.
а
б
Рис. 2.13. Структура синхронной МСПИ с выделенными (не коммутируемыми) временными каналами: а – структурная схема МСПИ; б – временная диаграмма ее работы
fo 1 Пmax .
Tц
П Nfт ; fт N Пmax N Bкmax B ,
где B – скорость передачи по каналу связи; П – производительность источника; fт – тактовая частота генератора тактовых импульсов, определяющего частоту переключений мультиплексора, опрашивающего группу из N источников; fо – частота опроса каждого источника, равная максимальной производительности источ-
51
ника Пmax. Частота опроса каждого источника одинакова, поэтому не требуется буферного регистра на выходе источника.
Введем ряд показателей и их количественную оценку. Эффективность кода (ЭК) – отношение полезных битов n
к общей длине кода n,
n nпол nслуж,
где nслуж – служебные биты, вводимые мультиплексором в каждое кодовое слово. Для синхронных мультиплексоров ЭК = 1.
Загруженность канала (ЗК) на выходе мультиплексора
TSз ,
TS
где TSз – загруженные временные каналы (time slot); TS – общее
число TS на выходе MX, на анализируемом временном отрезке. Эффективность использования сети ЭС = ЭК·ЗК. Например, для рис. 2.13
ЭК = 100 %, ЗК = 8/12 · 100 % = 66 %,
ЭС = 66 %.
Для реализации двунаправленного обмена могут быть использованы все рассмотренные выше варианты каналов связи, а именно полудуплексный и полнодуплексные. Наиболее часто применяются дуплексные групповые каналы с пространственным разделением.
На рис. 2.14 приведена структура подсистемы сбора информации (ПСИ), реализующей одноступенный опрос 3 источников с использованием СВД. Информация с датчиков (Д) поступает в канал связи через мультиплексор (MX) в свои тайм-слоты. При этом производительность 2-го и 3-го датчиков вдвое меньше производительности 1-го датчика (источника) ПД1 . Временная диа-
грамма работы приведена на рис. 2.15.
52
Рис. 2.14 Структура подсистемы сбора информации, реализующей одноступенный опрос 3 источников
Рис. 2.15. Временная диаграмма работы ПСИ
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) формирует одинаковые тайм-слоты для передачи информации с каждого датчика. На временной диаграмме приведено 4 цикла работы ПСИ.
Предложенный вариант системы (ПСИ) неэффективен, хотя просто реализуется. Причина неэффективности – объединение в одну группу источников со значительно различающейся производительностью.
53
Для увеличения эффективности использования системы (каналов связи системы) необходимо сблизить расчетную (линейную) и фактическую пропускные способности канала за счет выравнивания производительности источников, объединяемых в одну группу. Желаемой цели можно достигнуть, используя двухступенный опрос источников.
На рис. 2.16. приведен вариант двухступенного опроса источников. Теперь источники Д2 и Д3 объединяются через мультиплексор MX1 и, таким образом, «делят» между собой бывший второй тайм-слот на второй и третий. Эффективность использования сети поднимается до 100 %.
Рис. 2.16. Пример двухступенного опроса источников
Рассмотренный вариант повышения эффективности системы основан на ориентации на источник с максимальной производительностью или выравнивание по максимальной производительности. Аналогично можно улучшить показатели системы, выравнивая поэтапно характеристики производительности источников, ориентируясь на источник(и) с наименьшей производительностью
(дробление потока импульсов на выходе источника с максималь-
ной производительностью). На рис. 2.17. приводится общий вид структуры МСПИ с коммутируемыми СВД (TMD).
Теперь подсистема сбора информации разносит биты информации от текущего источника по нескольким тайм-слотам в зависимости от производительности источника, а подсистема распре-
54
деления информации объединяет информацию этих тайм-слотов и передает соответствующему получателю информации.
а
б
в
Рис. 2.17. Общий вид структуры МСПИ с коммутируемыми СВД (TMD):
а– общий вид структуры; б – размещение информации в тайм-слотах; в – формальное представление составного или скоммутированного
канала связи
Для рассмотренных сетей с коммутацией каналов (в частности, частотных и временных каналов связи) характерно наличие трех фаз в сеансе связи:
Ф1 – установлениесоединениясрезервированием навесьсеанс; Ф2 – обмен данными; Ф3 – разрыв соединения.
В TDM-системах всегда предполагается, что длительность первой и третьей фаз значительно меньше длительности фазы обмена данными. Это необходимое условие эффективности этого класса систем. TDM-системы (как СВУ, так и АВУ) на сегодняшний день являются основной технологией цифровых и смешанных сетей связи.
55
Достоинством систем с коммутацией каналов является высокое качество (QoS) предоставления услуг абонентам, благодаря
▪гарантированной пропускной способности каждого канала связи на весь сеанс связи;
▪изохронной задержке (отсутствие очередей и влияние приоритетных трафиков);
▪отсутствию адресной информации в фазе «обмена данными». Один из основных недостатков СКК – низкая эффективность
использования ресурсов сети.
Пример применения СВД в системах связи. Сети и МСПИ с синхронным временным уплотнением коммутируемых каналов широко применяются не только в РИУС, но и в цифровых сетях связи общего пользования (ССОП), в частности, телефонных сетях общего пользования (ТфОП). При этом в ССОП различают сеть доступа (совокупность аппаратуры и абонентских линий (АЛ), связывающих абонентов и сопряженные с ними узлы коммутации) и магистральную сеть из соединительных линий (СЛ), соединяющих между собой узлы коммутации (АТС), в которой используются высокоскоростные каналы с плезиохронной (PDHПЦИ) и синхронной (SDH-СЦИ) иерархией скоростей.
Рассмотрим пример расчета временных характеристик МСПИ с синхронным временным разделением 32 временных каналов связи для передачи аудиоинформации в цифровой телефонной сети общего пользования, использующей формат E1 плезиохронной цифровой иерархии скоростей (ПЦИ-PDH). Пусть в сети:
– число аналоговых источников аудиоинформации N’ = 30, для обслуживания которых необходимо N = 32 TS (временных каналов);
– полоса частот, занимаемая каждым источником, 0,3– 3,3 Кгц (Fк = 3 кГц);
– число уровней квантования отсчетов Ny= 256, т.е. m =
=log2Ny = 8 бит/отсчет;
–побайтовая коммутация сигналов на выходе источников.
56
Следует определить необходимую частоту коммутации источников или коммутации (переключения) циклов fц; частоту коммутации временных каналов fTS = fв.к (частоту переключений мультиплексора, опрашивающего группу из N источников) или частоту генератора тактовых импульсов (fт); полосу частот каждого цифрового канала и канальную скорость передачи информации Вк; суммарную полосу частот группового канала FΣ и суммарную скорость передачи данных BΣ.
Временная диаграмма дискретизации во времени и квантования по уровню сигналов на выходе 30 аналоговых источников представлена на рис. 2.18.
Рис. 2.18. Временная диаграмма дискретизации во времени и квантования по уровню сигналов
Согласно теореме Котельникова, теоретический шаг дискретизации во времени
Tд' t' 2F1m ,
где Fm = 3 кГц, практический шаг дискретизации выбирают из соображений
57
|
T |
t |
Tд |
, |
4 |
1,33 |
|
|
|
||||||
|
д |
|
|
1 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
и он равен T |
1 |
|
125 мкс. |
|
|
||
2 4 кГц |
|
|
|||||
ц |
|
|
|
|
|
При этом частота дискретизации, определяющая производительность источника,
fд 1 8 кГц.
Tд
Частота цикловых переключений или частота опроса источников
fц 1 8 кГц.
Tц
Если сигнал в канале связи использует цифровую АИМ (ЦАИМ) с числом уровней квантования значений амплитуды Ny = 256 и на каждый канал отводится полоса частот Fk = 8 КГц, то необходимая полоса частот на выходе системы с суммарным ЦАИМсигналом от 32 источников, обслуживаемых за Tц = 125 мкс,
Fк2.св 8 32 256 кГц.
Таким образом, частота переключений временных каналов на выходе группового мультиплексора (тактовая частота группового МХ)
FTS Fц N 8 кГц 32 256 кГц.
При этом суммарная скорость передачи данных (информации) в Ny 256-ичном канале
Bик FкlogNy 2048 Кбит/с.
При переходе к двоичному ИКМ-сигналу (двоичному каналу) (см. рис. 2.18) ширина полосы частот канала увеличивается:
58
Fк.св Fк2.св m 2048 кГц,
где m = logNy = 8 (число двоичных битов на отсчет), при этом скорость передачи информации на выходе системы остается прежней,
Bи 2048 Кбитс.
Тактовая частота ГТИ в составе мультиплексора, опрашивающего группу из N источников,
fт fTS 9 fц N 8 256 8 8 32 8 2048 кГц.
Определим скорость передачи данных в каждом канале:
Bк |
B |
2048 |
Кбит/с 64 Кбит/с. |
|
|||
и |
32 |
|
32 |
|
|
||
Или по-другому: |
|
|
Bк F logN |
y |
8 |
8 |
64 Кбит/с. = 8 Котсч/с · 8 бит/отсч. |
|
и |
к |
|
|
|
2.5. МСПИ с асинхронным (статистическим) (АВУ) разделением каналов
Взрывная порода трафика, свойственная сетям передачи данных, привела к разработке более гибкого метода мультиплексирования – статического. В этом методе тайм-слоты не фиксируются жестко за определенными каналами и могут более свободно распределяться под приходящие по разным каналам данные. Последовательность, в которой данные от разных каналов размещаются в тайм-слоты, зависит от времени прибытия данных, а не от номера низкоскоростных каналов. Каждый раз, когда тайм-слот испускается в мультиплексную линию, мультиплексор добавляет к нему специальный идентификатор, по которому демультиплексор на другом конце определяет, в какой выходной канал переправить содержимое данного тайм-слота. Если на вход мультиплексора данные не поступают, то он передает пустые тайм-слоты с пусты-
59
ми полями идентификаторов. Асинхронность выражается не в асинхронном испускании тайм-слотов – они следуют строго регулярно, а в допустимости асинхронного размещения приходящих данных в тайм-слоты.
При анализе работы статистического мультиплексора мы не выделяем циклы последовательного, упорядоченного опроса входных каналов, а рассматриваем поток синхронных TS. Но порядок заполнения TS определяется активностью источников, т.е. статистикой (частотой) поступления сообщений от источника на вход МХ.
Например, если активен 2-й вход, а на 1, 3 и 4-м входах MX отсутствует информация, то на весь период активности 2-го источника все подряд идущие TS будут заполнены информацией второго входа (источника).
Таким образом, статистический TDM-мультиплексор предоставляет приложению такую полосу (пропускную способность – V(bit)/T или ресурсы канала связи), которую оно запрашивает, если, конечно, эта величина не превосходит свободной емкости мультиплексной линии.
Суммарная величина полос пропускания низкоскоростных каналов, входящих в мультиплексор, может превосходить полосу пропускания скоростного канала. Игра идет на том, что не все низкоскоростные приложения осуществляют одновременно пере-
дачу (рис. 2.19).
Рис. 2.19. Схема работы статистического мультиплексора
60