Принципы построения городских телефонных сетей

Методические указания

Городские телефонные сети (ГТС) в ХХ веке строились с использованием технологии коммутации каналов (КК). При этом от исходящего оконечного устройства (ОУ), в рассматриваемом случае это телефонный аппарат (ТА), к входящему ТА устанавливается соединение на все время сеанса связи.

 Канал связи на время сеанса остается занятым, даже если сообщение по нему не передается. Между ТА организуется аналоговый, составной аналогово-цифровой или цифровой так называемый «прозрачный» канал связи.

Аналоговый канал с фиксированной полосой частот Df = 0,3 ¸3,4 кГц называется каналом тональной частоты (ТЧ).

Цифровой канал с фиксированной скоростью передачи v = 64 кбит/с называется основным цифровым каналом (ОЦ). Составной аналого-цифровой канал связи образуется путем последовательного соединения каналов ТЧ и ОЦ.

Основным достоинством технологии КК является возможность передачи сообщений в режиме реального времени без задержек.

Основные недостатки технологии КК:

  - ниже по сравнению с технологией коммутации пакетов (КП) пропускная способность каналов;

  - невозможность в течение одного сеанса связи динамически изменять ширину полосы частот или скорость передачи, что необходимо при передаче мультимедийных сообщений.

По структуре различают следующие типы ГТС:

        - нерайонированные;

        - районированные без узлов;

        - районированные с одним узлом в соединительном тракте (с узлом входящих сообщений - УВС);

        - районированные с двумя узлами в соединительном тракте (с узлами исходящих и входящих сообщений – с УИС и УВС).

  На ГТС средняя величина интенсивности суммарной исходящей и входящей нагрузки в час наибольшей нагрузки (ЧНН) по одной абонентской линии (АЛ) составляет 0,1¸0,15 Эрл, т.е. в течение часа наибольшей нагрузки одна АЛ занята по исходящей и входящей связи в среднем всего 6¸9 минут. Интенсивность нагрузки в 1 эрланг (Эрл) представляет собой непрерывную занятость одной линии в течение одного часа.

  Среднее использование соединительной линии (СЛ) обычно находится в пределах 0,6 – 0,8 Эрл. Для сохранения приемлемого качества обслуживания при случайных всплесках нагрузки среднее использование СЛ на действующей сети в ЧНН не должно превышать 0,8 Эрл. При росте интенсивности нагрузки в ЧНН для сохранения качества обслуживания число СЛ необходимо увеличивать.

Нерайонированные ГТС. В посёлке городского типа с компактной территорией может строиться всего одна АТС и ГТС называется нерайонированной (рис.1.1).

Для сокращения длины абонентских линий на ГТС применяются концентраторы (К), подстанции (ПС), учрежденческо-производственные АТС (УПАТС). Выход за пределы ГТС осуществляется через зоновый узел связи (ЗУС). Выход к специальным (экстренным) службам 101, 102, 103, 104 осуществляется через узел специальных служб (УСС).

 

 

Обозначения:

       АТС – автоматическая телефонная станция; ЗУС – зоновый узел связи;

УПАТС - учрежденческо-производственная АТС; ПС - подстанция;

УСС - узел специальных служб; К - концентратор; ТА - телефонный аппарат;

АЛ - абонентская линия; СЛ - соединительная линия; МГК - междугородный канал.

СЛМ - соединительная линия междугородная; ЗСЛ - заказно-соединительная линия;

 

Рис. 1.1. Схема нерайонированной ГТС

 

Районированные ГТС без узлов. В городах с ростом емкости АТС увеличивается средняя протяженность АЛ. При емкости ГТС более 7-8 тыс. номеров обычно применяется районирование, т.е. территория города делится на телефонные районы, в каждом из которых строится районная АТС. При этом сокращается средняя протяженность АЛ. Соединительные линии (СЛ) межстанционной связи имеют более высокое среднее использование (0,6 - 0,8 Эрл) по сравнению с АЛ (0,1- 0,15 Эрл).

Между собой АТС обычно связываются по полносвязной схеме («каждая с каждой»). Такие сети называются районированными без узлов (рис.1.2). Оценим среднее использование одной соединительной линии (СЛ) между АТС на такой ГТС. Пусть емкость проектируемой ГТС равна 80 тыс. номеров, емкость каждой АТС – 10 тыс. номеров, т.е. на ГТС всего 8 АТС.

Рис.1.2. Схема районированной ГТС без узлов

 

Нумерация абонентских линий в этом случае пятизначная х₁х₂х₃х₄х₅;

х₁ ¹ 1, 0. Первая цифра номера (за исключением цифр 1 и 0) – код АТС. Между аналоговыми АТС обычно организуются линии одностороннего занятия. Между цифровыми АТС при использовании сигнализации по общему каналу (ОКС-№7) используются СЛ двустороннего занятия, т.е. по одной соединительной линии передаётся исходящая и входящая нагрузки.

Пусть средняя исходящая от одного абонента АТС нагрузка в ЧНН равна а_исх = 0,05 Эрл. Тогда от всех абонентов одной АТС интенсивность исходящей нагрузки составит А_исх = 0,05 ×10 000 = 500 Эрл. Для простоты рассуждений будем считать, что эта нагрузка распределяется равномерно между всеми АТС. Тогда интенсивность нагрузки на пучок исходящих межстанционных СЛ от АТС_i к АТС_j составит У_ij = А_исх / 8 = 500/8»60 Эрл (внутристанционная нагрузка обычно больше межстанционной).

При допустимой величине потерь сообщений на пучке СЛ между АТС Р_ij=1% число СЛ по таблицам первой формулы Эрланга v _ПД = 75, а среднее использование одной СЛ в полнодоступном пучке с односторонним занятием линий составит:

 

                    Эрл.    

                                                

В пучке с двусторонним занятием линий интенсивность нагрузки на пучок удваивается У_дз = У_ij + У_ji = 120 Эрл. Число СЛ u_дз = 138, среднее использование СЛ Эрл.

Во избежание перегрузки СЛ при случайных колебаниях интенсивности нагрузки предельное среднее использование СЛ в пучке в соответствии с рекомендацией Q.543 Международного союза электросвязи (МЭС-Т) при проектировании не должно превышать значения Эрл. Поэтому в рассматриваемом случае число СЛ в пучке двустороннего занятия должно рассчитываться путем деления интенсивности нагрузки, обслуженной пучком линий двустороннего занятия , на величину предельно допустимого использования одной линии Эрл

       .

Как видно из этой оценки, среднее использование СЛ в 6 – 7 раз выше среднего использования АЛ (двухпроводная АЛ является линией двустороннего занятия).

  Емкость цифровых АТСЭ может достигать нескольких десятков тысяч номеров. При прочих равных условиях с ростом емкости АТС растет интенсивность нагрузки, поступающей на пучки СЛ межстанционной связи. Поэтому полносвязная схема в цифровых ГТС с коммутацией каналов может быть экономически оправданной при емкости ГТС в несколько сот тысяч номеров.

    Районированные ГТС с одним узлом в соединительном тракте. Пусть емкость проектируемой ГТС равна 800 тыс. номеров, а емкость АТС – 10 тыс. Тогда число АТС на сети составит 80.

В предположении равномерного распределения нагрузки между всеми АТС интенсивность нагрузки, поступающей на пучок СЛ одностороннего занятия при полносвязной схеме связи всех АТС, составит

В полнодоступном пучке двустороннего занятия при Y_об =12 Эрл число линий V_дв = 20,  

                            Эрл.

Относительно низкое среднее использование СЛ для ГТС такой емкости делает экономически не оправданным применение полносвязной схемы связи всех АТС сети.

В ГТС емкостью свыше 80 тыс. номеров применяется узлообразование. На сети образуются узловые районы емкостью по нумерации 100 тыс. номеров. АТС, расположенные на территории одного узлового района, обычно связываются по полносвязной схеме, а связь к АТС других узловых районов организуется через узлы входящих сообщений (УВС) (рис. 1.3). На этой схеме узел входящих сообщений показан только в узловом районе УР-2, т.е. рассматривается связь от АТС УР-3 к АТС УР-2. В обратном направлении читателю предлагается схему дорисовать самому.

Обозначения:

   УВС – узел входящих сообщений; УР – узловой район;

  УВСМ – узел входящих сообщений междугородный; ЗСЛ – заказно-соединительные линии;

  УЗСЛ – узел заказно-соединительных линий; УСС – узел специальных служб;

  СЛМ – соединительные линии междугородные.

Рис. 1.3. Схема районированной ГТС с УВС

 

Легко рассчитать, что в предположении равномерного распределения нагрузки от АТС к восьми узловым районам интенсивность нагрузки на направлении АТС – УВС составит порядка 60 Эрл и среднее использование СЛ приближается к максимально допустимому. Пучок СЛ от АТС к УВС обслуживает сообщения от 10 тыс. абонентов к 100 тыс. На ГТС емкостью от 80 тыс. номеров и до 800 тыс. номеров используется шестизначная нумерация абонентских линий: х₁х₂х₃х₄х₅х₆; (в перспективе х₁ ¹ 1, 0).       

По первой цифре абонентского номера выбирается группа абонентов по нумерации емкостью 100 тысяч номеров. Код УВС – однозначный. По второй цифре выбирается абонентская группа емкостью 10 тыс. номеров. Код АТС – двузначный.

Районированные ГТС с двумя узлами в соединительном тракте. В общем случае при цифровизации телефонных сетей могут использоваться стратегии замещения, цифровых островов и наложения. В условиях нашей страны принята стратегия наложения. При использовании этой стратегии цифровая составляющая сети может строиться по принципам, отличным от принципов построения сетей с коммутацией каналов.

При проектировании и построении межстанционных связей ГТС с двумя узлами в соединительном тракте необходимо придерживаться следующих принципов:

 1.  Ёмкости АТС по нумерации должны быть кратны 10 тыс. номеров.

 2.  Ёмкости узловых районов должны быть кратны 100 тыс. номеров.

3.  Цифровые АТС должны образовывать цифровые узловые районы.

 4.  Между цифровыми АТС соединительный тракт должен быть цифровым;

5.  В цифровые АТСЭ и узлы должны включаться цифровые СЛ.

Как и выше, пусть емкость каждой АТС равны 10 тыс. номеров, емкость каждого узлового района – 100 тыс. номеров. Пусть на сети действует семизначная нумерация и ёмкость ГТС равна 8 млн. номеров. На такой сети будет 80 узловых районов. В этом случае структура ГТС с одним узлом в соединительном тракте экономически не оправдана, т.к. от АТС к УВС интенсивность нагрузки не превышала бы 6 Эрл. Для повышения среднего использования СЛ сеть строится с двумя узлами в соединительном тракте (рис.1.4).

В цифровом узловом районе с коммутацией каналов вместо УИС и УВС устанавливается опорно-транзитная станция (ОПТС), выполняющая функции опорной АТС и узлов исходящих и входящих сообщений. Узел исходящих сообщений объединяет потоки сообщений от всех АТС «своего» узлового района и распределяет их по направлениям к узлам входящих сообщений других узловых районов.  Пучок соединительных линий между узловыми районами обслуживает сообщения от группы абонентов емкостью 100 тысяч к группе абонентов емкостью 100 тысяч, что обеспечивает среднее использование одной межузловой СЛ 0,7 – 0,8 Эрл.

При установлении соединения по первой цифре абонентского номера выбирается миллионная группа абонентов. Оборудование АТС по первой цифре номера выбирает пучок СЛ к ОПТС, выполняющей функции узла исходящих сообщений. Пучок СЛ между АТС и ОПТС в этом случае обслуживает исходящее сообщение от 10 тыс. абонентов АТСЭ к одному миллиону абонентов.

Оборудование ОПТС по второй цифре номера выбирает пучок СЛ к УВС (ОПТС) другого узлового района, или к шлюзу TGW, обслуживающему входящие сообщения от 100 тыс. абонентов узлового района, в котором расположена исходящая ОПТС, к 100 тыс. абонентов узлового района, в котором расположен УВС (ОПТС или TGW). Узел входящих сообщений собирает сообщения от абонентов всей сети, кроме абонентов своего узлового района. По третьей цифре номера выбирается направление связи от УВС к АТСЭ входящего УР. Код УВС в такой сети – двузначный, а код АТС – трехзначный.

Число СЛ на направлении от УВС к АТСЭ при полнодоступном их включении обычно рассчитывается путем деления интенсивности поступающей нагрузки на предельное среднее использование СЛ – 0,7 Эрл.

 

Обозначения:

ОПТСЭ – опорно-транзитная цифровая станция. Выполняет функции узла исходящих и

              входящих сообщений и опорной АТС с коммутацией каналов;

 ЗУСЭ – зоновый узел связи цифровой с коммутацией каналов;                                    

ЗСЛ – заказно-соединительные линии; МГК – междугородные каналы;

УССЭ – узел специальных служб цифровой с коммутацией каналов; УР – узловой район;

  ПРТС – подвижная радиотелефонная связь; СЛ – соединительные линии;

   СЛМ – соединительные линии междугородной связи; ТА – телефонный аппарат; 

TGW – Trunking gateway– транкинговый шлюз, совмещает функции информационного и  

           сигнального шлюзов; AS – Application Server – сервер приложений;      

  MSC – Mobile Switching Center – центр коммутации мобильной связи;

   IMS – IP Multimedia Subsystem – подсистема мультимедийной связи на базе протокола IP;

    LAN – Local Area Network – локальная вычислительная сеть; SW – Switch – коммутатор.

MSAN – Multiservice Access Node – мультисервисный узел доступа.

 

Рис. 1.4. Фрагмент районированной ГТС с двумя узлами в соединительном тракте

 

В настоящее время на ГТС аналоговое коммутационное оборудование заменяется на оборудование с коммутацией пакетов. На сетях с УИС и УВС замену рекомендуется производить узловыми районами. Вместо аналоговых АТС устанавливаются мультисервисные узлы доступа – MSAN (Multi-Service Access Node) (рис.1.5) [1]. В состав MSAN входят резидентные (абонентские) шлюзы доступа для подключения аналоговых абонентских линий, шлюзы доступа для подключения первичных цифровых потоков Е1, пакетный коммутатор Ethernet для непосредственного подключения источников, работающих по пакетным технологиям (мультимедийные терминалы на базе протокола SIP, локальные вычислительные сети).    

 

Обозначения:

AN – Access Network – сеть доступа;

BRI – Basic Rate Interface – интерфейс доступа на базовой скорости;

PRI – Primary Rate Interface – интерфейс доступа на первичной скорости;

LAN – Local Area Network – локальная вычислительная сеть;

MSAN – Multiservice Access Node – мультисервисный узел доступа;

SIP – Session Initiation Protocol – протокол инициирования сеансов связи.

 

Рис. 1.5. Структура узла доступа MSAN

 

Для связи с оборудованием с коммутацией каналов устанавливаются транкинговые шлюзы TGW, в которые включаются потоки Е1. В узловом районе на транспортном уровне устанавливаются коммутаторы SW (Switch – переключатель).

Управление оборудованием с коммутацией пакетов осуществляется мультимедийной подсистемой на базе протокола IP – IMS (IP Multimedia Subsystem).

На ГТС большой ёмкости на транспортном уровне используется технология IP/MPLS. Коммутаторы в узловом районе выполняют функции агрегации трафика, а в ядре транспортной сети устанавливаются маршрутизаторы.

Задание.

1. Используя исходные данные в табл. 1.1, изобразить структурную схему фрагмента ГТС. На схеме показать два узловых района, в каждом - по две АТС (MSAN). Станции, расположенные в одном узловом районе (УР), соединить прямыми пучками линий. В цифровом УР с коммутацией каналов установить ОПТСЭ. Каждую АТСЭ связать с цифровым зоновым узлом связи (ЗУСЭ) и с узлом специальных служб (УССЭ). В каждую АТСЭ (MSAN) включить по одному телефонному аппарату (ТА).

2. Записать нумерацию всех ТА проектируемой сети по миллионным группам нумерации. На приведенной схеме присвоить номера телефонным аппаратам, коды всем АТСЭ (MSAN) и УР. Для любого участка соединительного тракта уметь рассчитать емкости исходящей и входящей абонентских групп, вызовы между которыми обслуживаются пучком СЛ на рассматриваемом участке.

   3. На схеме показать допустимую величину потерь сообщений на всех участках сети при связи трех ТА между собой. Рассчитать суммарную величину потерь сообщений между телефонными аппаратами, изображенными на схеме. На рис. 1.6 приведены допустимые нормы потерь сообщений от абонента до абонента для вновь проектируемых сетей.

4. На схеме ГТС измерить протяженность всех линий между двумя ТА в сантиметрах и перевести в километры, принимая масштаб 1 см = 1км.

Для всех приведенных на схеме абонентских линий выбрать такой тип городского кабеля, чтобы выполнялось условие

                               ,                                                (1)                                   

где -  протяженность АЛ на участке  в километрах;

6 дБ - допустимая норма затухания АЛ;

 - километрическое затухание k-го кабеля в дБ/км (таблица 1.2).

Распределение норм затухания на ГТС в децибелах (дБ) приведено на рис. 1.7.

Как видно из рис. 1.7, при включении АЛ в цифровые АТСЭ (MSAN) собственное затухание АЛ на частоте 1000 Гц не должно превышать 6 дБ.

   Километрическое затухание городских телефонных кабелей типа ТПП приведено в таблице 1.2.

 

Таблица 1.1. Исходные данные для выполнения задания

 

№№ пп	Емкость ГТС, млн. номеров	Коды MSAN	Коды АТСЭ
1	1	221, 222	451, 455
2	1,1	241, 243	411, 412
3	1,2	232, 235	311, 315
4	1,3	271, 275	421, 425
5	1,4	253, 251	321, 322
6	1,5	211, 212	521, 523
7	1,6	231, 232	341, 345
8	1,7	311, 318	431, 435
9	1,8	481, 483	631, 633
10	1,9	385, 383	511, 512
11	2,0	214, 213	331, 335
12	2,1	321, 325	941, 942
13	2,2	433, 431	723, 725
14	2,3	331, 335	618, 613
15	2,4	452, 451	525, 527
16	2,5	441, 442	251, 255
17	2,6	221, 223	431, 435
18	2,7	472, 475	621, 623
19	2,8	412, 415	421, 425
20	2,9	491, 492	632, 635
21	3,0	411, 413	331, 335
22	3,1	433, 431	617, 619
23	3,2	453, 451	634, 635
24	3,3	233, 231	445, 447
25	3,4	362, 368	531, 535
26	3,5	431, 432	651, 655
27	3,6	441, 443	661, 664
28	3,7	511, 513	671, 673
29	3,8	421, 426	683, 685
30	3,9	215, 213	691, 694

 

Примечание: принять емкость по нумерации каждой АТСЭ и MSAN – 10 тыс. номеров, каждого УР – 100 тыс. номеров.

 

Таблица 1.2. Километрическое затухание телефонных кабелей типа ТПП

 

№ п/п	Диаметр жил кабеля типа ТПП, мм	Километрическое затухание,   дБ/км, на f =1000 Гц
1.	0,4	1,54
2.	0,5	1,23
3.	0,7	0,72

 

Контрольные вопросы

1. Назовите полосу частот канала тональной частоты (ТЧ) и скорость передачи основного цифрового канала (ОЦК).

2. Назовите основные достоинства и недостатки технологии коммутации каналов и технологии коммутации пакетов.

3. С какой целью применяется на ГТС районирование?

4. Назовите предельное допустимое среднее использование СЛ.

5. С какой целью применяется на ГТС узлообразование?

6. Назовите основные принципы проектирования и построения сети межстанционных связей цифровых ГТС с двумя узлами в соединительном тракте.

7. Попытайтесь обосновать каждый из принципов проектирования и построения цифровых ГТС.

8. Поясните, с какой целью на ГТС применяются концентраторы, подстанции, учрежденческо-производственные АТС?

9. Поясните последовательность передачи цифр абонентского номера и способы их кодирования при передаче на различных участках соединительного тракта цифровой ГТС.

10. Перечислите и обоснуйте основные принципы цифровизации местных телефонных сетей связи при использовании стратегии наложения.

Литература

  1. Расчёт объёма оборудования мультисервисных сетей связи. Учебное  

     пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2017. – 90 с.

2. Нормы технологического проектирования. Городские и сельские    

телефонные сети. НТП – 112 – 2000. М.: Минсвязи России. 2000.

3. Цифровые системы коммутации для ГТС. – М.: Эко-Трендз, 2008.– 352 с.

4. Росляков А.В. Мультисервисные платформы сетей следующего   

поколения NGN. – Самара: ПГУТИ, ООО «Издательство АС Гард», 2012.   

Т.1. Отечественны системы. – 312 с.                                                             5. Пшеничников А.П. Теория телетрафика. Учебник для вузов. – М.:    

Горячая линия – Телеком, 2017. – 212  

6. Сети следующего поколения NGN/ по.ред. А.В. Рослякова. – М.: Эко- 

Трендз, 2009. – 424.

 

Рис. 1.6. Допустимые нормы потерь сообщений на ГТС

             

 

Рис. 1.7. Распределение норм затухания на ГТС, дБ

                                                   

Занятие №2