Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования

Техника частотного мультиплексирования каналов (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей. Итак, поставленная задача - каждый абонентский канал должен быть каким-то образом выделен. Самый простой выход - выделить каждой из линий свою частоту передачи данных. Рассмотрим особенности коммутации каналов на основе частотного мультиплексирования на примере телефонной сети. Еще из прошлых уроков, посвященных методам передачи дискретных данных на физическом уровне, нам известно, что речевые сигналы имеют спектр шириной примерно в 10 000 Гц. Основные гармоники тонального канала укладываются в диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для качественной передачи речи достаточно образовать между двумя собеседниками канал с полосой пропускания в 3100 Гц, который и используется в телефонных сетях для соединения двух абонентов. В то же время полоса пропускания кабельных систем с промежуточными усилителями, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц. Непосредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкополосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот.

В случае одновременной передачи сигналы разных абонентов будут смешиваться между собой так, что разделить их будет невозможно. Для разделения абонентских каналов используется техника модуляции. Мы с вами знакомы с методом аналоговой модуляции, когда исходный дискретный сигнал можно представить несколькими синусоидами различной частоты, амплитуды или фазы (см. рисунок 21.2). Для разделения абонентских каналов используется модуляция несущего синусоидального сигнала высокой частоты (высокочастотным) речевым сигналом низкой частоты (низкочастотным).

Рисунок 21.2 – Модуляция сигнала несущего синусоидального сигнала

В этом случае используется техника, подобна технике аналоговой модуляции, только вместо дискретного исходного сигнала используются непрерывные сигналы, порождаемые звуковыми колебаниями. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты. Ширина этого спектра приблизительно совпадает с шириной модулирующего сигнала. Если сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов. Коммутатор, который осуществляет коммутацию каналов на основе частотного мультиплексирования, называют FDM-коммутатором. Итак, предположим, что на входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети.

Коммутатор с помощью частотного мультиплексирования выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Высокочастотный диапазон сразу делится на отдельные полосы, для передачи данных каждого из абонентских каналов отводится отдельная своя полоса. Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно будут передаваться сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них займет свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным (см. рисунок 21.3).

Рисунок 21.3 – Модуляция сигнала несущего синусоидального сигнала

Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты. Затем он передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон. В сетях на основе FDM-коммутации принято несколько уровней иерархии уплотненных каналов. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу, которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц.

Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. В качестве запроса на соединение здесь выступает номер вызываемого абонента. Один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям. Так происходит коммутация FDM в телефонных сетях. На самом деле, принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида. Только меняются границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также количество допустимое значение низкоскоростных каналов в результирующем высокоскоростном уплотненном канале.

С самого начала коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. О недостатках и сложностях передачи аналоговых сигналов вы уже слышали, основной из них - практически полное отсутствие помехоустойчивости. Этот вопрос особенно очень остро "волновал" разработчиков сетевых технологий. Очень скоро нашлось очень эффективное решение - возможность представлять "голос" для передачи по линиям связи в цифровой форме. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана и новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных.