Материал: Цифровой концентратор

Цифровой концентратор

Введение

В хозяйственной, технической, научной, политической и культурной жизни общества возрастают потоки различных видов информации, которые необходимо передавать на большие расстояния с большой достоверностью. Важную роль в решении этих вопросов играет качественная электрическая связь. Преимущества цифровых сетей связи настолько очевидны, что замена аналоговых сетей цифровыми и создание интегральной цифровой сети осуществляется практически во всех странах мира.

Сегодня в Казахстане, наряду с повсеместной цифровизацией сети связи, идет активное внедрение новых технологий и нового оборудования, среди которых особое место занимают цифровые концентраторы.

Введение концентраторов позволяет:

·   достичь значительного сокращения длины абонентских линий;

·   сократить требуемое число соединительных линий, связывающих концентраторы с коммутационной станцией;

·   сократить общую длину распределительного кабеля на сети;

·   повысить использование АЦП/ЦАП оборудования и каналов связи.

Современные методы имитационного моделирования беспечивают возможность испытания, оценки и проведения экспериментов с предполагаемой системой без каких-либо непосредственных воздействий на нее. Они позволяют провести машинный эксперимент с моделью еще не созданной системы, оценить показатели ее надежности, измерить показатели качества функционирования реальной системы, разработать рекомендации по ее модернизации и т.д.

Настоящая дипломная работа посвящёна имитационному моделированию, разработке алгоритма и программы имитации работы цифрового концентратора в сети ISDN.

1. Анализ аппаратуры концентрации цифровых каналов

.1 Основные функции концентратора

Одним из способов повышения использования канала является применение концентраторов [1]. Концентратор - устройство, принимающее данные от нескольких абонентов и передающее их к ЭВМ или на узел по одному каналу с высоким быстродействием или производящее распределение полученной по этому каналу информации по абонентским линиям [2]. В отличие от устройств простого уплотнения (мультиплексоров), концентратор обеспечивает накопление и хранение информации, а иногда и некоторую ее обработку, например применение более сложных кодов для повышения помехозащищенности, изменение формата и т.п. Концентраторы стоят дороже систем уплотнения, но поскольку они позволяют лучше использовать каналы, то общая стоимость сети может быть сокращена.

При использовании мультиплексоров, каналы с низким быстродействием объединяются в один канал с высоким быстродействием. Когда канал с низким быстродействием не занят, по каналу с высоким быстродействием передаются сигналы пробела для поддержания синхронизации. Это соответствует тем периодам, когда пользователи, сидящие у своих пультов, не передают и не принимают данные. Пользователь, как правило, затрачивает значительную часть времени на обдумывание и подготовку своего следующего сообщения или, вообще, занят какой-либо другой деятельностью. Во многих случаях канал свободен большую часть времени. Поэтому было бы лучше, если бы мы могли занимать быстродействующий канал только в том случае, когда имеется что-либо для передачи. Рассмотрим некоторые возможности, которые дает концентратор. Во-первых, на абонентской стороне концентратора можно иметь быстродействующие устройства (например, экранные пульты), а не только абонентские пульты с низким быстродействием. Сообщения, передаваемые от таких оконечных устройств для ЭВМ, будут храниться, задерживаться в концентраторе до тех пор, пока не освободится канал.

Во-вторых, по быстродействующему каналу передается совокупность стартстопных сигналов. Это может оказаться неэффективным. Так, если оператор делает паузу в момент между нажатием клавиш на абонентском пульте, канал будет занят на протяжении всей этой паузы. Поэтому лучше иметь в концентраторе соответствующие буферные устройства, а по быстродействующему каналу использовать более эффективную синхронную передачу. В-третьих, по быстродействующему каналу можно посылать условные символы, которые сокращали бы передачу. Если концентратор сделать программно управляемым, то многие элементы информации, связанные, например, с ведением диалога человека с машиной, можно разместить в концентраторе, не передавая их вычислительной машине.

Функции удаленного концентратора можно подразделить на две категории: функции, зависящие от характера информации (генерирование ответов абонентскими пультами, обработка разговорных сообщений при диалоге человека с машиной, проверка контрольных сумм и т.д.), и функции, не зависящие от информации. Последняя категория функций, связанных исключительно с организацией (в виде определенных структур) передаваемых по каналам бит информации, может быть реализована с помощью логики устройства и использована для самых различных случаев.

Мы познакомимся с устройствами, работа которых не зависит от вида информации и от содержания данных в передаваемых сообщениях. Для того чтобы обеспечить выполнение функций, зависящих от характера информации, необходим концентратор с хранимой в памяти специальной программой, или могут быть применены специализированные устройства, приобретаемые дополнительно.

Укажем основные функции концентратора.

1.1.1 Применение буферной памяти

Различные сообщения, поступающие в концентратор из канала с низким быстродействием, должны храниться таким образом, чтобы с ними можно было производить необходимые манипуляции. Даже если информация не обрабатывается, то требуется ее запоминание в буферной памяти для каждой входящей линии, пока не поступит сообщение или, по меньшей мере, блок данных, включающий большое количество символов. Символы записываются в память концентратора и хранятся там до тех пор, пока не будет скомпоновано сообщение, которое для передачи считывается из памяти.

1.1.2 Распределение памяти и управление очередями

Распределение памяти может превратиться в сложную проблему. В некоторый момент времени сообщения могут передаваться одновременно большим количеством абонентских пультов; в другой момент таких абонентских пультов может быть немного. Передаваемые сообщения могут значительно различаться по длине. Когда это получается случайно, то необходим некоторый порядок динамического распределения памяти и нельзя выйти из положения путем выделения фиксированной области памяти каждому абонентскому пульту. Очередь из сообщений возникает и тогда, когда они приходят по быстродействующему каналу связи. Образование подобных очередей особенно существенно, если при передаче имеют место случайные ошибки и необходимы запросы и повторные передачи в случае использования групповой (многопунктовой) быстродействующей линии, обслуживающей несколько концентраторов (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Использование групповой (многопунктовой) быстродействующей линии, обслуживающей несколько концентраторов

Периферийные концентраторы ПК подсоединены к групповой телефонной линии и дистанционно управляются из вычислительного центра ВЦ. Сообщения, приходящие от абонентских пультов, ставятся в очередь до тех пор, пока концентратору не будет предоставлено право не передачу. Тогда он передает всю имеющуюся информацию. И наоборот, он периодически принимает пакет сообщений, которые должны каким-то образом распределяться и поступать в линии с низким быстродействием. Необходимо иметь такое запоминающее устройство, чтобы его структура позволяла обрабатывать меняющееся количество посылаемых и принимаемых элементов информации. Хранящиеся в очереди элементы информации должны организовываться в виде цепочки, чтобы имелась возможность передавать их как поток данных, когда разрешена передача. Механизм распределения памяти для поступающих сообщений должен предусматривать различные средства, чтобы распознавать, какая часть памяти свободна и может быть предоставлена для того или другого сообщения. Когда сообщение передано и известно, что оно принято правильно, соответствующие части занимаемой им памяти будут возвращены в список нераспределенной и свободной памяти.

1.1.3 Прием сообщений по каналам связи с низким быстродействием

Концентратор имеет цепи, обеспечивающие непрерывный прием по каждому из каналов с низким быстродействием и хранением принятых сообщений (символов). При этом необходимо обеспечить возможность обработки входных сигналов от всех абонентских пультов одновременно. Некоторые концентраторы могут осуществлять одновременный прием данных и обработку от различных типов абонентских пультов работающих с различными кодами и разным быстродействием. Это усложняет логику приема, поскольку концентратор должен знать особенности работы каждого канала.

Обычно концентратор просматривает каналы с быстродействием, определяемым электронными компонентами, обеспечивая последовательную выборку. Если схема характеризуется временем цикла 20 мкс и может обрабатывать информацию, передаваемую по 50 линиям, то каждый канал будет просматриваться один раз в миллисекунду. Если при этом скорость передачи информации 150 Бод, то длительность одного бита составляет 6,67 мс, а, следовательно, выборка будет производиться шесть или семь раз за бит. Если значения, полученные при разных выборках одного бита отличаются, то оценка производится по большинству. Так как в большинстве случаев длительность шумовой помехи менее 3 мс, то такой прием позволяет уменьшить влияние помех. Это же обеспечивает высокую степень защиты от искажений, связанных с нарушением синхронизации.

1.1.4 Преобразование кодов

Код, используемый центральной ЭВМ, часто отличается от тех кодов, которые применяются при передаче сообщений от абонентских пультов. В некоторых случаях различны коды при передачах по каналам с высоким или низким быстродействием. Скажем, в каналах с высоким быстродействием может использоваться код ASCII, но в абонентских пультах его не применяют. С другой стороны, концентратор, в интересах простоты, может не производить перекодирования.

Концентратор преобразовывает стартстопные символы, идущие по каналам с низким быстродействием, в символы для быстрой синхронной передачи. При этом исключаются стартовые и стоповые биты и (если они имеются) биты для проверки на четность. Когда телеграфный сигнал вводится в концентратор, необходимо чтобы была предусмотрена возможность распознавать телеграфную последовательность символов, означающих "конец сообщения". Это может быть трех или четырех символьная последовательность, например NNNN. При синхронной передаче обычно предусматривают собственный индикатор окончания сообщения. Другие телеграфные последовательности могут быть также преобразованы или исключены, например "начало сообщения" ZCZC. Обратное преобразование производится на выходе.

1.1.5 Компоновка сообщений для быстрой передачи

Иногда после кодового преобразования принимаемые символы хранятся в памяти, из которой они позднее будут переданы в линию с высоким быстродействием. Вычислительная машина должна знать, с какого абонентского пульта поступает сообщение, поэтому адрес абонентского пульта следует хранить, разместив его перед символами данных. Если сообщение длинное и разделяется на части из-за трудностей, связанных с распределением памяти, необходимо, чтобы последующий символ показывал, каким является этот сегмент сообщения. Когда прием сообщения закончен, символ окончания сообщения будет храниться в памяти.

1.1.6 Передача сообщений по быстродействующему каналу

Сообщения передаются из памяти концентратора для ЭВМ в виде синхронных блоков; этот порядок сохраняется и в случае передач из любого другого буферного синхронного устройства. Концентратор посылает первым блок синхронизации или символ начала сообщения, а затем символ, задающий адрес концентратора (если в линии используется не один, а несколько концентраторов); после этого следует сообщение или блок сообщений, каждое из которых имеет собственную метку окончания сообщения. Если несколько сообщений посылается непрерывным потоком, то за ними должен последовать символ окончания передачи. В процессе передачи составляется символ проверки по всей длине или группа символов, которые добавляется в конец сообщения.

1.1.7 Контроль за ошибками

Символы, передаваемые по линиям с высоким быстродействием, далеко не всегда подвергаются проверке на четность. Передаваемое синхронно сообщение или блок сообщений обычно содержит блоки или символы для проверки ошибок по всей длине. Когда концентратор производит передачу, он составляет символ контроля ошибки или группу таких символов. Они ставятся в конец сообщения с последующей проверкой их вычислительной машиной. Обычно желательно иметь средства для повторения передач, если ошибка найдена, хотя в некоторых системах предусматривается просто сигнальная индикация на абонентском пульте, когда обнаруживается ошибка.

В линиях с низким быстродействием обычно применяют стартстопную передачу, так что единственно возможным видом контроля является в большинстве случаев проверка на четность посимвольно.

1.1.8 Вызов по быстродействующим каналам

Часто целесообразно иметь несколько концентраторов в быстродействующем канале, как показано на рис. 1.1. В этом случае функция вызова должна быть реализована в логике концентратора. Необходимо, чтобы концентратор мог распознавать собственный адрес в сообщениях, посланных по линии, и отвечать соответствующим образом на адресуемые ему вызовы и управляющие сигналы.

1.1.9 Вызов в каналах с низким быстродействием

В больших сетях может оказаться экономичным иметь в распоряжении групповые (многопунктные) линии на абонентской стороне концентратора. В некоторых пунктах с оборудованием, работающим в реальном времени или в режиме разделения времени, сосредоточено большое количество абонентских пультов. Концентраторы в этих местах размещаются таким образом, чтобы минимизировать стоимость линии с низким быстродействием.

Если к линии с концентратором и низким быстродействием подключено большое количество абонентских пультов, необходимо предусмотреть некоторый способ управления ими. Обычно они должны управляться с соблюдением некоторой дисциплины вызовов. Это означает, что теперь мы различаем два уровня вызовов - вызов концентраторов в быстродействующих линиях и вызов абонентских пультов в линиях с низким быстродействием. В случае линий с низким быстродействием вызов может производиться либо с главной ЭВМ, либо с концентратора. Если вызов делается вычислительной машиной, то идущие по быстродействующим линиям сообщения должны содержать введенные в них адреса линий с низким быстродействием. Это существенно увеличивает сложность управления линиями.

Можно использовать такой концентратор, который сам производил бы вызов. Однако это приводит к значительному усложнению логики в концентраторе. Необходимо, чтобы концентратор имел список адресов, а предусматриваемая логика позволяла вызывать абонентские пульты по этому списку в некоторой последовательности, запрашивать их о том, имеют ли они что-либо для передачи, и интерпретировать их ответы. Список адресов должен быть легко обновляемым, аналогично хранимой в памяти ЭВМ программе, поскольку подсоединяемые в каждом конкретном случае абонентские пульты могут непрерывно меняться. Нужно, чтобы концентратор мог "справляться" с ошибками в линии, правильно реагировал на связанные с абонентскими пультами неполадки, такие, как, скажем, отсутствие бумаги для печатающего устройства и возникновение неисправностей.

1.1.10 Требования к времени реакции

Концентратор может передавать сообщения по одному, а может послать все сообщения, которые он содержит, совместно. В некоторых устройствах так и делается. Если, например, концентратор должен передать 10 сообщений для ЭВМ, то для этого требуется 10 запросов и 20 ответных сообщений, чтобы установить синхронизацию. Если же все 10 сообщений передать в виде одного блока, то потребуется только один запрос и два ответа.

Однако при этом увеличивается время реакции, а в некоторых системах (например, таких как резервирование мест на самолеты) считается очень важным иметь малое время реакции. В контрактах на проектирование подобных систем прямо указывается, что в 90% случаев время реакции не должно превышать трех секунд; в некоторых же случаях требуемое среднее время реакции составляет менее двух секунд (здесь время реакции оценивается тем временем, которое проходит от момента окончания передачи оператором абонентского пульта до момента поступления первого символа ответа от ЭВМ, когда он печатается или высвечивается на экране абонентского пульта).