4. OSNOVNE STRUKTURE KOMUTACIONIH MREŽA

Коmutacija (switching) ima vrlo važnu ulogu u telekomunikacionim mrežama i ostvaruje se u komutacionim čvorovima, od kojih su najpoznatiji i najrasprostranjeniji telefonske centrale, realizovane po principu komutacije kanala (kola). Prva generacija telefonskih centrala, odnosno komutacionih sistema, koračnog tipa uvedena je petnaestak godina posle pojave Belovog telefona. Suštinski deo komutacionog sistema čine komutacione mreže, koje omogućuju ostvarivanje veze (konekcionog puta) između nekog ulaza i nekog izlaza. Ukrsne tačke su dugi period vremena realizovane elektromehanički, a komutacione mreže su bile, ili matrice (crossbar), jednostepene strukture sa kvadratnim porastom broja ukrsnih tačaka zavisno od broja ulaza, ili višestepene (najčešće dvostepene) strukture sa daleko manjim porastom broja ukrsnih tačaka i sa blokiranjem, koje se manifestuje u nekim stanjima zauzeća ulaza i izlaza tako što se, zbog nepostojanja dostupnih slobodnih međuveza, ne može povezati slobodni ulaz sa slobodnim izlazom.

Komutacione tehnologije su se razvijale, od elektromehaničkih, preko elektronskih, do aktuelnih fotonskih, odnosno optičkih. Tehnike komutiranja kanala kao sinhrone, takođe su menjane, od komutacije sa prostornom raspodelom, preko komutacije sa vremenskom raspodelom i višekanalne i višeprotočne komutacije, do komutacije talasnih dužina. U razvoju arhitektura komutacionih mreža težilo se strukturama optimiziranim po pitanju broja ukrsnih tačaka, ili drugih parametara, zavisno od tehnologije, i minimiziranog, ili striktno nepostojećeg blokiranja. Poslednjih tridesetak godina, paralelno sa principom komutacije kanala, razvijaju se i široko koriste principi komutacije poruka, paketa, ćelija, asinhrono u odnosu na konekciju.

Prošlo je više od pola veka od publikovanja fundamentalnog teorijskog rada Čarlsa Klosa (Charles Clos), koji tretira višestepene neblokirajuće komutacione mreže [1,2]. U to vreme komutacioni sistemi bili su elektromehanički, sa markerskim upravljanjem, krosbar i sličnim biračima, pri čemu je komutacija bila prostorna, sa dvostepenim i višestepenim blokirajućim komutacionim mrežama. Telekomunikaciona mreža se bazirala na principu

komutacije kanala, kod koga se zaseban put dodeljuje svakom pozivu, tokom celokupnog trajanja i za njegovo ekskluzivno korišćenje, a signal se između terminala prenosi u realnom vremenu. Dvostepene strukture su uvek blokirajuće, a za korišćenje višestepenih neblokirajućih struktura bili su potrebni kompleksniji upravljački uređaji, odnosno procesorska podrška.

U tehnolškoj evoluciji Klosove strukture su zauzele i igraju važnu ulogu u realizaciji komutatora velikih kapaciteta. Postojalo je mišljenje da će se uloga tih mreža smanjiti pojavom paketske komutacije i asinhronog prenosa (ATM) i komutacije. Međutim, danas su one oslonac pri realizaciji IP rutera visokih performansi i kapaciteta, kao i optičkih kroskonekt sistema, jer u domenu komutacije talasnih dužina obezbeđuju uslove za izbegavanje blokiranja i opimizacione efekte kod struktura sa velikim brojem portova.

4.1. KLASIFIKACIJA KOMUTACIONIH MREŽA

Sistemi komutacija su ordinarni, kada se povezivanje kanala vrši po ulazno izlaznim parovima, a mogu se razlikovati prema načinu biranja spojnog puta i prema tipu komutacionog procesa. Prema načinu, biranje na ulazu ili izlazu komutacionog sistema može biti:

slobodno, kada se u procesu komutacije može povezati bilo koji od raspoloživih kanala,

grupno, kada se povezuje bilo koji kanal iz grupe kanala i individualno, kada treba povezati određeni kanal.

Prema trenutku počinjanja, ili završavanja veze, tip komutacije može biti:

istovremeni, istovremeni po grupi i slučajan.

U telekomunikacionim komutacijama način biranja ulaza je u principu individualan, a tip komutacije za počinjanje i završetak veze slučajan, pa se prema načinu biranja izlaza razlikuju postupci:

slobodnog, grupnog i linijskog biranja.

Komutacione mreže mogu biti jednostepene, ili višestepene, kod kojih su jednostepene komutacione mreže iz uzastopnih stepeni povezane međuvezama i koje su sa unutrašnjim blokiranjem ili bez blokiranja. I jedne i druge mogu biti

sa potpunom dostupnošću, kada bilo koji ulaz može da se poveže sa bilo kojim od slobodnih izlaza, ili sa nepotpunom dostupnošću, kada pojedini ulazi mogu da se povežu samo sa određenim brojem njima dostupnih izlaza.

Prema načinu korišćenja polova (ulaznih i izlaznih kanala), mreže se mogu posmatrati kao jednosmerne (razdeljene, dvostrane), kod kojih se razlikuju ulazi od izlaza, i dvosmerne (nerazdeljene, jednostrane), kod kojih polovi, prema potrebi, mogu vršiti funkciju ulaza ili izlaza. Isto tako, postoje i delimično razdeljene komutacione mreže.

Sa aspekta telekomunikacione mreže za potrebe uskopojasnih servisa, od interesa su komutacione mreže za komutaciju analognih kanala, kada se koristi prostorna komutacija i za komutaciju sinhronih digitalnih kanala, kada se koristi, osim prostorne, i vremenska komutacija, pa ćemo najpre razmotriti njihove osnovne strukture.

4.2. STRUKTURE MREŽA ZA ANALOGNU KOMUTACIJU

Kod analognih komutacionih sistema vrši se prostorna komutacija tako što se kroz komutacionu mrežu uspostavlja spojni put koji omogućuje električni prenos signala govorne ili neke druge informacije, neprekidno, dok se veza ne raskine. Osnovni element na bazi koga se formiraju složenije komutacione mreže je (višeprovodni) komutacioni dvopolnik sa dva moguća stanja: zatvoreno i otvoreno (odnosno pozicije: razmaknuto i spojeno). Više dvopolnika, sa zajedničkim ulaznim polom, čine višepolnik (tipa 1 × M), tradicionalno zvani birač, kod koga, pri uslovu oridinarnosti, može biti spojen (otvoren) samo jedan kontakt, odnosno povezan jedan ulaz sa jednim izlazom. Višestruko povezivanje je takođe vremenom dobilo na značaju.

4.2.1. JEDNOSTEPENE MREŽE

Međusobnim povezivanjem pojedinih izlaznih polova iz više (N) birača dobija se jednostepena komutaciona mreža. Ako se povežu svi odgovarajući polovi posmatranih birača dobija se komutaciona matrica (komutator, switch) tipa N×M, koja predstavlja potpuno dostupnu jednostepenu mrežu, pošto bilo koji ulaz može da se poveže sa bilo kojim slobodnim izlazom (slika 4.1).

Ukoliko nije izvršeno sveobuhvatno povezivanje odgovarajućih izlaza, dobijena jednostepena mreža je sa nepotpunom dostupnošću, jer se sa nekog od N ulaza može uspostaviti veza samo sa delom (M) od L izlaza (slika 4.2).

Slika 4.1. Komutaciona matrica tipa N×M predstavljena matrično a),simbolički b) i blokovski c) i d)

Slika 4.2. Jednostepena komutaciona mreža sa nepotpunom dostupnošću(N ÷ L, d = M) predstavljena matrično a), simbolički b),

blokovski c), matričnom mrežom d)

Pri upoređivanju dveju prethodnih jednostepenih mreža treba naglasiti da za isti broj birača (N), odnosno komutacionih tačaka (N × M), koji su osnovni pokazatelji ekonomičnosti mreže, mreža sa nepotpunom dostupnošću, za N > M, ima veće saobraćajne mogućnosti. Međutim, saobraćajno iskorišćenje odlaznih kanala je manje nego kod odgovarajuće matrice, odnosno mreže sa potpunom dostupnošću, tipa N × L.

Pored jednosmernih matrica, kod kojih se ulazi razlikuju od izlaza, postoje i dvosmerne, kod kojih polovi mogu vršiti ulogu ulaza ili izlaza i koje imaju trouglasti oblik (slika 4.3a). Za broj polova N, broj komutacionih tačaka je N(N - 1)/2. Takođe je, po potrebi, moguće formirati razne kombinovane matrice (slika 4.3b).

Slika 4.3. Dvosmerna a) i kombinovana b) komutaciona matrica

4.2.2. DVOSTEPENE MREŽE

Kod kvadratne matrice N × N broj komutacionih tačaka jednak je kvadratu broja ulaza, a pri potpunom zauzimanju iskorišćeno ih je samo N. Zbog toga, pri većem N, postaje neracionalno koristiti jednostepene mreže, odnosno, postoje načini da se formira zadovoljavajuća mreža sa manjim brojem komutacionih tačaka. Najprostiji primer za to je dvostepena jednosmerna mreža (slika 4.4), kod koje je svaka od k1 matrica prvog stepena, tipa n1 × m1, preko jedne ili više međuveza povezana sa matricama drugog stepena, tipa n2 × m2, kojih ima k2. Prednost ovakve mreže, koja povezuje N ulaza sa M izlaza, je u

N

N

M

b)a)

tome što je broj komutacionih tačaka (k1 × n1 × m1 + k2 × n2 × m2) znatno manji nego kod odgovarajuće komutacione matrice (N × M). Tako, za N = M i n1 = m1 = k1 = n2 = m2 = k2 = n = N1/2, taj broj je 2n3 = 2N3/2, što je manje od N2 u slučajevima kada je n veće od 2.

Slika 4.4. Dvostepena jednosmerna komutaciona mreža

Nepogodnost dvostepene mreže, pored činjenice da se prosleđivanje jedne veze vrši kroz dve komutacione tačke, odnosno da se utiče na kvalitet prenosa i usložnjava upravljanje, je u tome što se javlja unutrašnje blokiranje. Tako, ako između neke matrice prvog stepena i neke matrice drugog stepena postoji jedna međuveza koja je već zauzeta povezivanjem para polova, ne može se uspostaviti veza između drugog para polova tih matrica, bez obzira što su oni slobodni. Na blokiranje se može uticati menjanjem parametara matrica, njihovog broja, kao i broja međuveza između dve matrice. Naravno, umesto matrica se, prema potrebi, mogu koristiti jednostepene mreže sa nepotpunom dostupnošću.

U slučaju k1 = k2 = 1 imamo granični, trivijalni primer dvostepene mreže. Ovakva mreža, sa N ulaza i izlaza ima, u odnosu na matricu tipa N × N manji broj komutacionih tačaka u slučajevima kada je broj međuveza manji od N/2. Poređenjem sa dvosmernom matricom (slika 4.3a) može se zaključiti da je broj međuveza manji od (N - 1)/4 uslov za manji broj komutacionih tačaka.

U principu je moguće kod dvostepenih mreža izbeći blokiranje uvođenjem petljastih ili obilaznih puteva. Petljasti putevi se formiraju preko neke dostupne matrice drugog stepena do matrice prvog stepena, iz koje ima slobodna međuveza ka željenoj matrici drugog stepena. Za princip obilaznih puteva

potrebne su dodatne matrice u drugom stepenu, preko kojih se ostvaruje veza do željene matrice. Jasno je da se u ovako zamišljenim mrežama dodatne veze ostvaruju preko više komutacionih tačaka, a potrebne su i matrice koje vrše komutaciju kroz dve tačke. Međutim, nije postojao interes za korišćenje ovakvih mreža u konkretnim realizacijama.

4.2.3. VIŠESTEPENE MREŽE

Dvostepene mreže našle su veliku primenu kod krosbar (crossbar) sistema sa markerskim upravljanjem, jer su upravljačke mogućnosti odgovarale tako organizovanim mrežama. Povećanjem broja stepeni ekonomiše se sa ukupnim brojem komutacionih tačaka. Moguće je smanjiti ili eliminisati blokiranje, s tim što se povećava broj komutacionih tačaka kroz koje se uspostavlja veza i usložnjava algoritam upravljanja mrežom.

Slika 4.5. Trostepena jednosmerna komutaciona mreža

Dodavanjem još jednog stepena dvostepenoj mreži dobija se trostepena mreža kod koje je broj spojnih puteva između parova polova uvećan, jer se veza može uspostavljati kroz razne matrice srednjeg stepena. Na slici 4.5 predstavljena je jednostruko, potpuno povezana, jednosmerna, trostepena mreža nedeljive strukture. Za simetričnu mrežu, sa uobičajenom oznakom C(n, m, k), kod koje je N = M, n1 =m3 = n i k1 = k3, m1 = n3 = m = k1, može se lako ilustrovati uslov (Teorema Klosa) da bude potpuno dostupna i bez blokiranja. Za posmatrani par ulaz/izlaz, u najnepovoljnijem slučaju, mogu biti zauzeti n - 1 ulaza odgovarajuće matrice prvog stepena, n - 1 izlaza odgovarajuće matrice trećeg stepena, a time

angažovano do 2(n - 1) matrica srednjeg stepena. Znači, za ostvarivanje veze između posmatranog para polova potrebna je bar još jedna matrica u srednjem stepenu, odnosno, da bi imali situaciju nepostojanja blokiranja, potrebno je ispuniti uslov k2 ≥ 2n - 1 (slika 4.6).

Slika 4.6. Ilustracija uslova nepostojanja blokiranja

U slučaju nesimetrične Klosove mreže uslov da nema blokiranja je da je broj matrica u srednjem stepenu k2 ≥ n1 + m3 - 1, preciznije k2 ≥ min{n1 + m3 - 1, n1k1, m3k3}. Pri određenim uslovima, sa porastom broja ulaza i izlaza, Klosova mreža postaje superiornija u pogledu broja ukrsnih tačaka u odnosu na jednostepenu komutacionu matricu. Za simetričnu mrežu, kada je n1 = m3 = n, pri olakšavajućem uslovu k = n i kada je k2 = 2n - 1, broj ukrsnih tačaka je 6N3/2 – 3N = 6n3 - 3n2, dok je kod kvadratne matrice N2. Po kriterijumu broja ukrsnih tačaka Klosova mreža je povoljnija već za n = 6 (N = 36). Odnos broja ukrsnih tačaka za n = 10 je 5700/10000, a za n = 20 taj odnos je 46800/160000.

Pored potpuno povezanih mreža, kod kojih je broj mogućih puteva između ulaza i izlaza jednak broju matrica u drugom stepenu, postoje i povezane mreže, kada je broj tih puteva manji, kao i lepezaste, kada između nekog ulaza i izlaza postoji samo jedan spojni put.

Višestepene mreže sa nedeljivom strukturom formiraju se prostim dodavanjem stepeni. Četvorostepena mreža je blokirajuća, a petostepena mreža može se formirati da bude bez blokiranja, tako što se kod trostepene mreže bez blokiranja matrice iz jednog, recimo srednjeg, stepena zamene odgovarajućim trostepenim Klosovim mrežama bez blokiranja (slika 4.7).

Slika 4.7. Formiranje petostepene Klosove mreže

Pored višestepenih mreža sa nedeljivom strukturom mogu se formirati i mreže sa blokovskom strukturom. Na slici 4.8 prikazana je jedna takva trostepena mreža kod koje su prvi i drugi stepen formirani od zasebnih blokova dvostepenih mreža, a treći stepen je formiram od blokova komutacionih matrica. Ovakvim organizovanjem parovi polova mogu da se povežu samo preko jednog spojnog puta, što je bilo prihvatljivo kod poluelektronskih komutacionih sistema gde je blokovski princip našao primenu.

Četvorostepena mreža sa blokovskom strukturom dobija se na sličan način, odgovarajućim povezivanjem blokova dvostepenih mreža, a osmostepena na bazi četvorostepenih blokova. Zbog ovakvog principa formiranja mreže se često nazivaju i iteracionim.

Slika 4.8. Trostepena jednosmerna blokovska komutaciona mreža

Što se tiče povezivanja uzastopnih stepeni mreže pomoću međuveza, uobičajen je redni način, kod koga se matrice prethodnog stepena, preko odgovarajućeg ulaza koji odgovara njihovom redosledu, povezuju sa matricama sledećeg stepena. Kod cikličnog povezivanja ciklički se pomera redni broj povezivanog ulaza naredne matrice sledećeg stepena, gledano iz neke matrice prethodnog stepena. Samo ispitivanje međuveza ili izlaza može biti redno, od fiksiranog polaznog položaja, ili redno iz slučajnog (poslednjeg) položaja, što omogućava ravnomernije zauzimanje.

4.2.4. USLOVNO NEBLOKIRAJUĆE MREŽE

Gubici kod komutacione matrice i višestepenih mreža bez blokiranja zavise od broja odlaznih kanala, intenziteta i karaktera ponuđenog saobraćaja. Kod višestepenih mreža sa blokiranjem na gubitke ima uticaj i niz strukturnih parametara, kao što je broj stepeni, veličina matrica, postojanje koncentracije ili ekspanzije, broj i način formiranja međuveza, blokovska struktura, režim biranja, način biranja međuveza i spojnog puta i slično.

Klosov uslov važi za striktno neblokirajuće mreže, dok Beneš [2] uvodi pojam neblokirajućih mreža u širem smislu, kod kojih je uvek moguće uspostaviti put između ulaza i izlaza pogodnim izborom puteva za nove zahteve. Znači, blokirajuće stanje je moguće, ali se može izbeći primenom odgovarajućeg pravila izbora puta. Za simetričnu Klosovu mrežu potreban uslov je k2 = m ≥ 3n/2 , pri k1 = k = 2, uz pravilo da se ne zauzima slobodna matrica ukoliko je moguće uspostaviti put preko neke delimično zauzete (najopterećenije) matrice drugog stepena.

Ideja prepakivanja zahteva podrazumeva napuštanje blokirajućeg stanja, kada se ono dosegne, što je moguće ranije, pre nego što naiđe novi poziv, pa se ovakve mreže nazivaju i preventino preuredive ili semi-preuredive. Pri određenim vrednostima parametara postiže se ušteda u matricama srednjeg stepena. Za simetričnu Klosovu mrežu taj uslov je m ≥ 2n - n/(k - 1) , pri čemu se mrežom upravlja tako da je svako preopteretivo stanje mreže nepermanentno. Nepermanentno stanje komutacione mreže je stanje koje se, kada se ostvari, trenutno zamenjuje drugim stanjem. Preopteretivo stanje komutacione mreže je stanje kada postoji konekcioni put koji može biti raskinut i ponovo uspostavljen kroz opterećeniju matricu srednjeg stepena (kada imamo nepreopteretivo stanje).

Preuredive (prestrojive, rearanžirajuće) mreže imaju važno mesto u teoriji komutacionih mreža jer funkcionišu kao neblokirajuće, koristeći broj komponenti (ukrsnih tačaka) blizak teorijskom minimumu. Princip se zasniva na mogućnosti da se za poziv, kada se nađe u blokirajućem stanju, pronađe slobodan put kroz mrežu, ako se prethodno uspostavljeni putevi preurede po određenim pravilima, vodeći računa o potrebama blokiranog poziva. Preuredivost odražava u određenoj meri ograničenje efektivnosti korišćenja ukrsne tačke u komutacionim mrežama. Prepakivost i preuredivost uvode ponovno komutiranje postojećih konekcija, međutim, ta dva pojma se znatno razlikuju. Proces prepakiranja je namenjen da poboljša stanje mreže da bi se ona pripremila za novi poziv, dok proces preuređenja menja stanja mreže za blokirani i neblokirani poziv. Prepakiranje poziva menja stanja mreže globalno, preuređenje poziva je više lokalni čin, kod koga se menjaju samo stanja vezana za blokirani poziv.

Važna osobina preuredivih mreža je mogućnost opsluživanja predvidljivog saobraćaja, odnosno istovremenih, ili unapred poznatih

konekcionih zahteva, sa istim uslovom za blokiranje i određivanjem puteva unapred. Komutacione mreže koje operišu na taj način koriste se za paralelno povezivanje procesora, kod sistema “video-na-zahtev,” u satelitskim komunikacijama. Uslov za simetričnu dvostranu preuredivu Klosovu mrežu da je bez blokiranja je m = n i poznat je kao Slepian - Duguid teorema.

4.2.5. MREŽE BENEŠOVE TOPOLOGIJE

Poseban značaj imaju mreže Benešove topologije (Slika 4.9). To su simetrične mreže sa komutatorima tipa 2 × 2 (opštije d × d), kojih u svakom stepenu ima N/2. Narastanje od trostepene mreže se vrši dupliranjem broja ulaza/izlaza i ubacivanjem u srednji stepen dve Benešove mreže sa N/2 ulaza/izlaza. Mreže su bez blokiranja kao preuredive, broj stepeni zavisi od broja ulaza i iznosi 2ldN – 1, a broj komutacionih matrica NldN – N/2 i posebna odlika im je modularnost. Napomenimo da prva polovina Beneševe mreže, preciznije levi deo od ulaza do izlaza na stepenu ldN, predstavlja mrežu pod nazivom baseline, iz porodice banyan mreža, od interesa za asinhronu komutaciju. Benešove mreže mogu biti iskorišćene za konstruisanje paralelne Benešove mreže, koja se zove Kantorova mreža, a koja je striktno neblokirajuća za ld N paralelnih Benešovih mreža.

Slika 4.9. Mreža Benešove topologije

4.2.6. DVOSMERNE MREŽE

Za razliku od jednosmernih, kod dvosmernih mreža svi polovi su ravnopravni, mogu vršiti funkciju ulaza ili izlaza, odnosno mogu se povezivati bilo koja dva para. Dok jednosmerne mreže odražavaju proces uspostavljanja veza kroz komutacioni čvor ka drugim čvorovima, dvosmerne mreže su teorijski ili konkretan granični slučaj ostvarivanja veza odnosno odvijanja saobraćaja unutar čvora.

Slika 4.10. Dvosmerna komutaciona mreža sa trouglastim matricama(usečena mreža Klosa)

Iz jednosmerne simetrične trostepene mreže može se slikovito dobiti odgovarajuća dvosmerna, presecanjem mreže po vertikalnoj simetrali i zamenom presečenih srednjih matrica trouglastim matricama (slika 4.10). Matrice prvog stepena sada moraju imati mogućnost povezivanja svih parova sopstvenih polova i preko drugog stepena sa polovima drugih matrica (putevi prolaze unutar jedne ili kroz tri matrice).Ovakva mreža, poznata kao usečena mreža Klosa, potpuno je dostupna i bez blokiranja pri istom uslovu kao za jednosmernu simetričnu trostepenu mrežu, tj. pri m ≥ 2n - 1. Za m = 2n - 1 broj komutacionih tačaka u matrici prvog stepena je 2n2 - n, a ukupan broj komutacionih tačaka u mreži je N(2n - 1)(1 - 1/(2n) + N/(2n2)). U poređenju sa trouglastom matricom ova mreža ima manje komutacionih tačaka pri uslovu N ≥ n(4n2 - 3n + 1)/(n - 1)2. Međutim, zbog potrebe matrica prvog stepena da povezuje osim izlaza i ulazne polove među sobom, što zahteva dve ukrsne tačke, korektnije je radi komparacija koristiti kombinovanu matricu (slika 4.3b), koja bi imala n(n - 1)/2 + n(2n - 1) = (5n2 - 3n)/2 ukrsnih tačaka.

Slika 4.11. Dvosmerna petljasta komutaciona mreža

Slika 4.12. Dvosmerna reverzivna komutaciona mreža

Drugi tip dvosmernih mreža može se dobiti petljastim povezivanjem izlaza mreže sa odgovarajućim ulazima, fizički kod mehaničkih ukrsnih tačaka, a pridruživanjem izlaza odgovarajućim ulazima kod digitalne komutacije (slika 4.11). Za slučaj kada je dobijena iz jednosmerne trostepene simetrične mreže dovoljan uslov je n = m da bi bila bez blokiranja. Tada je broj komutacionih tačaka N(2n + N/n), što je više nego kod navedene usečene mreže Klosa.

Dvosmerne reverzivne mreže mogu se dobiti odgovarajućim povezivanjem izlaza kod jednosmernih mreža. Reverzivnoj mreži sa slike 4.12 ekvivalentna je četvorostepena simetrična petljasta mreža kod koje je parametar m upola manji.

Precizirajmo da za dvosmernu usečenu Klosovu mrežu uslov da nema blokiranja m ≥ 2n - 1, važi za k > 3, dok je m ≥ 3n/2 uslov za k = 3, a m ≥ n, za k = 2. Ako je preurediva, uslov je m ≥ 3n/2 , za k ≥ 3. Za petljastu mrežu već je naveden striktan uslov m ≥ n, koji bi za preuredivu petljastu bio m ≥ n/2 .

4.3. STRUKTURE MREŽA ZA DIGITALNU SINHRONU KOMUTACIJU

Jedna od osnovnih i bitnih razlika između analogne i digitalne komutacije je u tome što se u drugom slučaju, pored prostorne, može koristiti i vremenska dimenzija. Elektronski sistemi komutacije pokazali su određenu prednost već kod prostorne komutacije kanala amplitudno-impulsnih vremenskih multipleksa, zbog višestrukog korišćenja komutacionih komponenti. Značajni efekti u pogledu blokiranja i saobraćajne efikasnosti se postižu komutiranjem digitalnog vremenskog multipleksa, kada se, zahvaljujući mogućnosti realizacije memorisanja sadržine kanala koristi i princip vremenske transpozicije kanala.

Digitalna komutacija kanala može biti sinhrona, kada se unapred odrede prostorne i vremenske koordinate u komutacionom sistemu i prenos digitalne informacije vrši po njima. Kod asinhrone komutacije digitalni informacioni signal specificirane dužine, snabdeven adresnom informacijom (ćelija), sam pronalazi put kroz komutacionu mrežu. Za strukture sa sinhronom komutacijom lako se uspostavlja prostorna analogija.

Kod digitalnih sistema komutacija se vrši četvoroprovodno, za dva smera prenosa. Komutacioni sistemi mogu se formirati kao jednosmerni ili kao dvosmerni. Jednosmerni komutacioni sistem se realizuje preko dva identična

podsistema, koji se koriste za suprotne smerove prenosa informacija. Mada se veze po njima mogu ostvariti nezavisno, praktičnije je da spojni putevi budu identični, zbog prostijeg upravljanja. Kada se komutacioni sistem formira kao dvosmeran, usmeravanje poluputeva se, po specificiranim pravilima, vrši unutar njega. Komutacione mreže za sinhronu digitalnu komutaciju formiraju se od blokova prostorne, vremenske i vremensko - prostorne komutacije.

4.3.1. BLOK PROSTORNE KOMUTACIJE

Blok prostorne (S) komutacije (slika 4.13a) omogućuje prospajanje nekog kanala i od c kanala jednog od n ulaznih vremenskih multipleksa, do slobodnog kanala i (iste vremenske pozicije) jednog od m izlaznih vremenskih multipleksa. Zbog toga se naziva i blok sinfazne komutacije, a njegov prostorni ekvivalent čine c nezavisnih komutacionih matrica tipa n × m (slika 4.13b).

Slika 4.13. Blok prostorne (S) komutacije a) iekvivalentna prostorna mreža b)

Ovakav blok formira se na bazi integrisanih mikrošema logičkih elemenata, odnosno spregom više multipleksera ili demultipleksera. Za rednu predaju bita kodne kombinacije jednog kanala dovoljan je jedan blok, dok je u slučaju paralelne (jednovremene) predaje bita kodne kombinacije potrebno onoliko paralelnih blokova koliko ima bita po kanalu.

4.3.2. BLOK VREMENSKE KOMUTACIJE

Blok vremenske (T) ili asinfazne komutacije (slika 4.14a) omogućuje prospajanje nekog kanala i ulaznog vremenskog multipleksa od c1 kanala, do slobodnog kanala j izlaznog vremenskog multipleksa od c2 kanala. Njegov prostorni ekvivalent je komutaciona matrica tipa c1 × c2 (slika 4.14b).

Slika 4.14. Blok vremenske (T) komutacije a) iekvivalentna prostorna matrica b)

Informacioni sadržaj kanala (kodna kombinacija odmerka) ulaznog vremenskog multipleksa memoriše se za vreme t = tj – ti, koje je kraće od trajanja jednog multipleksnog okvira (rama).

4.3.3. BLOK VREMENSKO-PROSTORNE KOMUTACIJE

Slika 4.15. Blok vremensko-prostorne (Ts) komutacije a), njemu ekvivalentna prostorna matrica b) i realizacija bloka preko multipleksera,

vremenske komutacije i demultipleksera c)

Videli smo da blok prostorne komutacije čine onoliko nezavisnih komutacionih matrica koliko ima kanala u vremenskim multipleksima, pa se u takvoj strukturi javljaju gubici zbog nemogućnosti povezivanja kanala različitih vremenskih pozicija. Blok vremenske komutacije ponaša se kao matrica, uz činjenicu da povezuje dva multipleksa, odnosno dva fizička voda.

Blok vremensko-prostorne komutacije (Ts), koji omogućuje prospajanje nekog od c1 kanala iz bilo kog od n ulaznih multipleksa do slobodnog kanala od c2 kanala nekog od m izlaznih multipleksa, ima osobine potpuno-dostupne grupe (slika 4.15a). Ekvivalentan je komutacionoj matrici tipa nc1 × mc2 (slika 4.15b). Jedna od mogućih realizacija bloka prikazana je na slici 4.15c.

4.3.4. STRUKTURE SA DOMINANTNOM PROSTORNOM KOMUTACIJOM

U početnom periodu razvoja sistema digitalne komutacije, blokovi prostorne komutacije na bazi logičkih elemenata, po tehnologiji, odnosno ceni, bili su prihvatljiviji od blokova vremenske komutacije, koji se realizuju na bazi memorijskih elemenata. Zbog toga su korišćene komutacione mreže sa dominirajućom prostornom komutacijom, najpre čisto prostorne, tipa S, SS, da bi se njihove saobraćajne osobine poboljšavale dodavanjem blokova vremenske komutacije. Strukture tipa TS i ST bile su od manjeg značaja, zbog poznatih osobina njima ekvivalentnih dvostepenih mreža, dok je simetrična struktura tipa STS našla širu primenu (slika 4.16).

Slika 4.16. Struktura tipa STS

Sa prostornog ekvivalenta trostepene STS mreže (slika 4.17) vidi se, iz uslova nepostojanja blokiranja m ≥ 2n - 1, da je potreban broj blokova vremenske komutacije dvostruko veći od broja ulaza (multipleksa) koji dolaze na prostorni komutacioni blok.

Slika 4.17. Prostorni ekvivalent strukture STS

Ekonomisanje sa komutacionim tačkama, povećanje kapaciteta i propusnih mogućnosti struktura STS mogu se postići zamenom pojedinih blokova vremenske komutacije višestepenom strukturom, recimo tipa SS, ST, STS.

4.3.5. STRUKTURE SA DOMINANTNOM VREMENSKOM KOMUTACIJOM

Razvojem tehnologija menjaju se međusobne relacije, tako je i proizvodnja poluprovodničkih memorija i vremenskih komutacionih blokova postala ekonomičnija od proizvodnje odgovarajućih blokova prostorne komutacije sa logičkim elementima. To je nametnulo korišćenje komutacionih struktura sa dominantnom vremenskom komutacijom. Sprezanjem vremenskih komutacionih blokova moguće je formirati dvostepenu strukturu tipa TT. Veću praktičnu primenu našla je struktura tipa TST, prikazana na slici 4.18, čija je ekvivalentna prostorna mreža prikazana na slici 4.19.

Slika 4.18. Struktura tipa TST

Slika 4.19. Prostorni ekvivalent strukture TST

Da bi se izbeglo unutrašnje blokiranje kod ovakve strukture, pri uslovu razdeljenosti polova, potrebno je zadovoljiti uslov c1 ≥ 2c - 1, odnosno, broj kanala u izlaznim vremenskim multipleksima blokova prvog stepena treba da je dvostruko veći nego u ulaznim. Za ove strukture karakteristično je takozvano grupno biranje “od tačke do tačke”, jer je, u osnovnom slučaju, potrebno samo jedanput fiksirati slobodni izlazni kanal, pošto kanali za neki pravac pripadaju jednoj komutacionoj matrici, odnosno jednom vremenskom multipleksu na izlazu trećeg stepena.

Razvojem blokova vremensko-prostorne komutacije (Ts) omogućeno je formiranje struktura sličnih predhodnim, recimo STsS, TsSTs, ili TsSkTs, gde se prostorni deo komutacije sastoji od k stepeni.

Korišćenjem samo Ts blokova, može se formirati trostepena struktura, ili neka druga, koje se takođe mogu analizirati na osnovu prostornih ekvivalenata i bogatih iskustava sa mrežama za analognu komutaciju.

Posmatrani blokovi S, T i Ts komutacije imaju razdeljene ulazne i izlazne polove. Za neke komutacione sisteme formirani su i kombinovani blokovi sa mogućnošću povezivanja ulaznih polova sa izlaznim, ali i međusobno. Kod blokova sa prilagodljivom strukturom može se menjati broj ulaza, izlaza, nerazdeljenih veza. Kada se ovi blokovi koriste u višestepenoj mreži struktura je nejednorodna, jer je broj stepeni kroz koje prolazi spojni put promenljiv, prema mogućnosti najkraći, što zavisi od uzajamnog položaja polova u strukturi.

Kao elementi Klosove mreže koriste se i Ts blokovi (DSMs – digital switching matrices), bazirani na integrisanim tehnologijama (VLSI), kod kojih prostorni ekvivalent poseduje više kanala po međuvezi i više međuveza između uzastopnih matrica, pa je određivanje uslova neblokiranja kompleksnije.

Na slici 4.20 prikazana je jedna takva realizacija, kod koje je uslov da nema blokiranja m ≥ 2(nifi - 1)/vf0 + 1, a gde su: ni - broj ulaznih (izlaznih) multipleksa po ulaznom (izlaznom) bloku, kapaciteta fi, f0 - kapacitet multipleksa između stepeni, v - broj multipleksa koji povezuju dva bloka.

Slika 4.20. Realizacija trostepene mreže sa kompleksnijim Ts blokovima

Napomenimo da je razvojem integrisanih tehnologija omogućeno da se za potrebe komutacije standardnih kanala (telefonskih) realizuju komutacioni sistemi velikih kapaciteta na bazi jednostepenih komutacionih struktura tipa Ts.

4. 3. 6. VIŠEPROTOČNE KLOSOVE MREŽE

Uvođenjem mreža sa integrisanim servisima i paketske komutacione tehnologije nastaje potreba za pročavanjem komutacionih mreža koje podržavaju konekcije sa različitim zahtevanim opsegom za potrebe govora, podataka, videa i multimedijalnog saobraćaja. Višeprotočna komutacija kanala i konekciono orijentisana paketska komutacija su razmatrane kao potencijalne tehnologije za širokopojasne mreže, ali je ova druga, u formi tehnologije asinhronog transver moda (ATM), postala perspektivnije tehničko rešenje.

Kod simetrične trostepene Klosove mreže, gde svaki od linkova ima r posebnih vremenskih slotova osnovne brzine (recimo 64 kb/s) i ako postoji ograničenje za korišćenje ne više od B vremenskih slotova, uslov koji obezbeđuje da nema blokiranja je m > 2(nr - B)/(r – B + 1) .

Slika 4.21. Višeprotočna Klosova mreža

ATM komutacija je prostija forma paketske komutacije, koja operiše sa kratkim paketima fiksirane dužine od 53 bajta (okteta), označenim sa virtuelnim identifikatorom kanala (VCI), kao što je već objašnjeno. Šema multipleksiranja labela omogućuje fleksibilnije transmisione brzine nego što su kod sinhrone komutacije. Ne postoji fiksirana minimalna brzina, niti njeni multipli, a često su ATM komutatori dizajnirani sa internim putevima koji operišu sa višim brzinama nego kod spoljnih linkova. Odnos interne i spoljne brzine predstavlja brzinsku prednost ili ubrzanje (speedup) sistema.

U slučaju Klosove trostepene simetrične mreže, sa oznakom C(n, m, k), kada ne postoji donja granica brzine individualnih kola, uslov da nema blokiranja je m > 2(n - B)/(S - B) - 1 , gde je S ubrzanje internih linkova, a B predstavlja maksimalnu brzinu virtuelnog kola, izraženu kao deo opsega spoljnih linkova. Ako postoji donja granica virtuelne brzine kola b, i ako je b > S - B, uslov nepostojanja blokiranja je m > 2 (n - b)/b .

Uslov da nema blokiranja kod preuredive strukture je S ≥ B + (n - B)/m, odnosno m ≥ (n - B)/(S - B) , pri čemu je poučno uporediti ovaj uslov sa striktnim uslovom.

4.3.7. VIŠEDIFUZNE KLOSOVE MREŽE

Klos je razmatrao samo jednostruke (unicast) mreže, kod kojih se veza uspostavlja između jednog ulaza i jednog izlaza, a njegovi rezultati su prošireni na multikonekcione mreže, kod kojih se istovremeno koristi više ulaza i izlaza. Specijalni slučajevi multikonekcionih mreža su širokodifuzna (emisiona) mreža, kod koje se jedan ulaz povezuje sa svim izlazima i višedifuzna (višestruka, multicast) mreža, kod koje se jedan ulaz povezuje sa delom (podskupom) izlaza (fan-out). Rute formiraju stabla koja se granaju od ulaza na kojim nastaju. Kod klasičnih interkonekcionih mreža ta stabla su oštro razgraničena, dok kod višeprotočne komutacije imaju pridruženu težinu koja reprezentuje opseg i dozvoljavaju dodelu linka sve dok suma težina ne prevaziđe njegov kapacitet.

Uslov da ne dođe do blokiranja, za simetričnu trostepenu višedifuzionu jednoprotočnu Klosovu mrežu, je m > (fmax + 1)(n - 1), gde je fmax maksimalan broj posebnih komutatora trećeg stepena sa izlazima u istoj višedifuznoj konekciji, koji može imati vrednosti do k. U slučaju višeprotočnih mreža uslov postaje m > F(n - B)/(S - B) - 1 + (n - B)/(S - B) - 1 , gde je F = min{fmax, m}.

Proučavane su razne varijante, sa višedifuzijom (fan-out) po raznim stepenima, a navedimo kao interesantan i dovoljno prost rezultat za preuredivu trostepenu simetričnu Klosovu mrežu, sa f - difuzijom u srednjem stepenu, da nema blokiranja, m ≥ 2n - n/f .

4.4. MREŽE ZA ŠIROKOPOJASNU KOMUTACIJU

Klasične komutacione mreže našle su primenu kod komutacije uskopojasnih kanala, u fizičkom opsegu ili iz osnovnog vremenskog multipleksa. Paketska komutacija je vremenska i softverski je orijentisana. Za paketske multiplekse velikih brzina prihvatljiva je i decentralizovana komutacija, koja se svodi na pogodan pristup magistrali ili prstenu. Kod širokopojasnih mreža aktuelna je asinhrona komutacija i korišćenje centralizovanih komutacionih struktura, koje imaju niz specifičnosti u odnosu na klasične mreže za digitalnu komutaciju.

Najprostije strukture su jednostepene, bazirane na krozbar principu, kao što je "nokaut" (knockout) mreža, sa filterima i "baferima" (buffer) u izlaznim kontrolorima, jer se pokazalo da je tada komutacija najefektnija. Jednostepene komutacione mreže su za veće kapacitete neekonomične, a najznačajnije

višestepene su sa samorutiranjem. Samorutiranje (sortiranje) podrazumeva postojanje adrese koja se generiše u zaglavlju svake ćelije. Za slučaj kada nema samorutiranja, komutacionoj strukturi je potrebna informacija za komutiranje svake ćelije unutar odgovarajuće virtuelne veze [32].

4.4.1. MREŽE BAZIRANE NA SORTIRANJU

Najpogodniji komutacioni elementi za sortirajuće mreže su binarne matrice. Mreže formirane na osnovu njih mogu biti sa jedinstvenim putem ili sa više puteva. Najpoznatija mreža sa jedinstvenim putem je tipa banyan, a njena neregularna varijanta, sa komutacionim elementima raznih tipova, je delta. Osim njih, u ovu grupu mreža sa log2N stepeni (N broj ulaza, odnosno izlaza), spadaju i mreže sa nazivima baseline, shuffle (omega), flip (inverzna shuffle), koje se razlikuju po načinu uvođenja međuveza između stepeni (slika 4.18.).

Slika 4.18. Primeri sortirajućih mreža sa jedinstvenim putem

4.5. KOMUTACIONE STRUKTURE U OPTIČKIM MREŽAMA

U cilju obezbeđivanja opsega neophodnog za zadovoljenje stalno rastućih saobraćajnih potreba, poboljšavane su mreže bazirane na bakarnim provodnicima, da bi se danas u sve većoj meri zamenjivale optičkim mrežama. Pojavom zadovoljavajućih optičkih pojačavača (EDFA) omogućen je razvoj gustog multipleksa sa raspodelom po talasnim dužinama (DWDM), čime je značajno porastao opseg dostupan po jednom optičkom vlaknu. Ovakvi visokokapacitivni linkovi su najpre razvijani kao konekcije “od tačke do tačke”, dok je danas moguće realno optičko umrežavanje, uz korišćenje optičkih komutatora. Optičke mreže u eksploataciji su sa komutacijom kanala, kod kojih optički kroskonekti (OXCs) povezuju talasne dužine od ulaza do izlaza, formirajući svetlosni put. Glavni nedostatak ovih mreža je da nisu u mogućnosti da adekvatno opsluže visokovarijabilan saobraćaj. Koncept komutacije paketa, kod koga se opseg efektivno koristi samo pri slanju podataka, omogućuje efikasnije opsluživanje saobraćaja koji jako varira, kao što je slučaj kod dominirajućeg Internet saobraćaja.

Poslednjih godina vrše se istraživanja mreža sa optičkom paketskom komutacijom (OPS). Optičke paketske mreže mogu funkcionisati u dva moda, sinhronom i asinhronom. U sinhronom modu paket može startovati u izvesnom diskretnom trenutku vremena, odnosno, u svakom vremenskom slotu se vrši poravnavanje. Kod asinhronog moda paket dolazi u proizvoljnom momentu i nema vremenskog poravnanja.

Arhitekture OPS čvorova treba da su po ceni konkurentne drugim rešenjima i skalabilne. Rešenja Klosa su i ovde inspirativna, zbog reduciranja komutacione kompleksnosti, odnosno cene, i prevazilaženja tehnoloških ograničenja. Vršena su temeljna istraživanja fotonskih višestepenih komutatora za dimenzije prostora, vremena i talasne dužine, kako za mreže sa komutacijom kanala, tako i za komutaciju paketa.

Tehnološki, višestepeni pristup se demonstrira u raznim domenima. Mikro-elektromehanički sistemi (MEMS) koriste minijaturna ogledala veličine nekoliko desetina mikrona i više rešenja za Klosovu arhitekturu. Pokazuju slabiju pouzdanost, posebno u poređenju sa elektronskim komutatorima, ali će to verovatno biti poboljšano tehnološkim razvojem, do kada se problem može ublažiti dodavanjem redundanse. Takođe, Klosova rešenja mogu biti važan faktor u smanjenju optičkih gubitaka.

Za komutaciju u talasnom domenu vrlo je pogodan FBG (Fiber Bragg Grating) zbog selektivnih refleksivnih osobina, a spregom u red i paralelu više njih, formira se komutator. Na bazi ovakvih blokova u Klosovoj mreži grade se veliki OXC. Ograničavajući faktor veličine su fizička pogoršanja, poput dodatnih gubitaka i preslušavanja.

Komutatori na bazi litijum-niobata poseduju veliku brzinu rada, pa se smatraju pogodnim za OPS. Pokazuju dobre osobine, posebno gledajući broj ukrsnih tačaka i unesenih gubitaka. U OPS konceptu obavezujuće je veoma brzo komutaciono vreme, reda nanosekunda, koje postižu dva izdvojena koncepta, AWG (Arrayed waveguide grating), koji koristi TWC (Tunable wavelength converter), a drugi je B&S (Broadcast-and-select) koncept, koji koristi SOA tehnologiju. AWG pristup se proučava u Evropskom istraživačkom projektu STOLAS. B&S pristup se razvija u skorašnjem istraživačkom projektu DAVID. Ovde je najvažnije poboljšanje višedifuzna sposobnost, a preimućstvo AWG arhitekture je da se oslanja na pasivne komponente i da nema problema sa unetim slabljenjem kao B&S. Kod oba prethodna pristupa prisutan je problem skalabilnosti, koji se rešava korišćenjem višestepene arhitekture, poput Klosove. Za princip komutacije kanala jasan je uslov da nema blokiranja. Kod sinhrone OPS imamo koncept komutacije paketa, gde je komutator prilagođen modu operacija sa slotovima, odnosno, za svaki slot paketi na ulazima zajedno ispituju i povezuju se sa odgovarajućim izlazima. U sledećem slotu svi paketi su predati i komutacija se rekonfiguriše. Jasno je da se ovde radi o slučaju preuredivosti i da je uslov za nepostojanje blokiranja upola manji nego kod komutacije kanala, ili asinhrone OPS.