مقدمه‌ای بر شبکه‌های مخابراتی
1-1 تعریف شبکه‌های مخابراتی و بررسی یک شبکه تلفی ساده
شبکه‌های مخابراتی جهت انتقال سیگنالها از نقطه‌ای به نقطه دیگر بکار می‌روند. بهترین مثال یک شبکه مخابراتی، شبکه تلفن است و ساده‌ترین شبکه تلفن از یک تلفن به ازای هر مشترک تشکیل شده است. مسیر ارتباطی بین این دو تلفن را یک رابط (link) می‌گوییم.
شکل 1-1 ساده‌ترین شبکه تلفن
در صورتی که هر دو مشترک فوق بتوانند با یکدیگر ارتباط داشته باشند، آن را خط دوطرف می‌نامیم. هرگاه بخواهیم این شبکه را گسترش دهیم، برای هر مشترک جدید نیاز به یک رابط جدید داریم شکل 2 یک شبکه تلفن با چهار مشترک به همراه تجهیزات موردنیا آ ن را توصیف می‌کند.
شکل 2-1 یک شبکه تلفن با چهار مشترک
همانطور که مشاهده می‌کنیم، توسعه شبکه از دو مشترک به بالا باعث اضافه شدن وسیله‌ای دیگر به نام سوئیچ شده است که تعیین کننده مقصد مکالمه هر کدام از مشترکین میباشد. در صورتی که بخواهیم شبکه فوق را باز هم گسترش دهیم، تعداد رابطهها افزایش می‌یابد یا یک تقریب را می‌توان گفت هرگاه تعداد N مشترک تلفنی داشته باشیم، در این صورت تعداد رابطهها N2/2 خواهد شد. مثلاً اگر 10000 مشترک تلفنی در این شبکه موجود باشد، در این صورت تعداد رابطه‌های موجود 500000=2/2 10000 خواهد شد. پس با این روش امکان توسعه شبکه در مقیاس وسیع وجود ندارد.
2-1 مرکز تلفن
در شبکه‌های عملی مبنای تمرکز تمام سوئیچ‌ها در یک محل به نام مرکز سوئیچینگ و تخصیص دادن تنها یک رابط به ازای هر مشترک گذاشته شده است.
شکل 3-1 یک مرکز تلفن محلی برای تمرکز تمامی سوئیچ‌ها
هر سه کلمه مرکز سویئیچینگ و مرکز تلفن اشاره به یک مفهوم دارند. هر کدام از رابطهها که به مرکز متصل می‌گردد، تشکیل یک حلقه (LOOP) بین مرکز و مشترک ایجاد می‌کند. رابط‌های مشترکین از طریق کابل وارد مرکز تلفن می‌شود. جهت افزایش قابلیت انعطاف اتصال بین رابط‌ها در کابل و تجهیزات مرکز تلفن از وسیله‌ای به نام Main Distribution Frame (MDF) استفاده می‌شود. از طرفی MDF محلی مناسب برای تست نیز میباشد. در MDF تجهیزات حفاظتی ولتاژ و فیوز نیز بکار رفته است. هر مرکز تلفن تعداد رابط‌های محدودی را شامل می‌شود. مثلاً یک مرکز تلفن با ظرفیت 100 شماره تنها می‌تواند به 100 مشترک سرویس دهد. بنابراین با گسترش شبکه‌های تلفنی و بالا رفتن تعداد مشترکین بایستی بین مراکز تلفن نیز از طریق مراکز دیگر ارتباط برقرار کنیم. در این حال به مراکزی که به تعداد محدودی از مشترکین مثلاً 10000 تا سرویس می‌دهند، مراکز محلی (Local Exchange) و به مراکزی که بین مراکز محلی ارتباط برقرار می‌کند. مراکز اولیه (Primary center) و به مراکزی که بین مراکز محلی ارتباط برقرار می‌کنند، مراکز ثانویه (Secondary center) و نهایتاً به مراکزی که بین مراکز ثانویه ارتباط برقرار می‌کنند، مراکز بین‌المللی (International exchanges) می‌گویند.
شکل 4-1 ارتباط بین مراکز کوچکتر با بزرگتر را در یک شبکه وسیع
3-1 تقسیم‌بندی شبکه‌های تلفنی و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر
می‌توان در یک طبقه‌بندی کلی شبکه‌ها را به دو دسته عمومی و خصوصی تقسیم کرد. شبکه‌های عمومی قابل استفاده توسط مردم میباشد، ولی شبکه‌های خصوصی به شرکت‌ها یا افراد جهت استفاده خصوصی آنها تخصیص داده می‌شود. شبکه‌های خصوصی را Private Branch Exchange (PBX) می‌نامند. گاهی اوقات به PABX, PBX نیز می‌گویند. شبکه‌های خصوصی تمام وظایف شبکه‌های عمومی را دارند. به رابط‌های بین یک شبکه خصوصی و عمومی یا دو شبکه خصوصی، ترانک (Trunk) به واسطه‌ای گفته می‌شود که ارتباط دهنده محیط درون و برون PBX است)، می‌گویند.
همانطور که از جمله فوق استنباط می‌شود، سه نوع ترانک وجود دارد:
1. ترانک شهری یا O.C ترانک که جهت ارتباط PBX با مراکز تلفن شهری است.
2. ترانک خصوصی به یا Tie Trunk (Tie به معنای گره زدن میباشد. خطوطی هستند که دو مرکز را به طور خصوصی به هم وصل می‌کنند) که جهت ارتباط بین مراکز خصوصی بدون واسطه قرار گرفتن C.O است.
3. ترانک متصل کننده دو C.O به یکدیگر که از لحاظ سخت‌افزاری با Tie Trunk تفاوتی نمی‌کنند. در این حالت از دیدگاه PABX مرکز تلفن محلی، یک مرکز تلفن شهری C.O (Central Office) است. PABX بر حسب نیاز می‌تواند یک یا چند ترانک متصل شونده به مرکز تلفن شهری را به خود اختصاص دهد.
شکل 5-1 مثال ارتباط یک PBX با مرکز تلفن شهری
شکل بالا که صرفاً یک مثال از PBX است، نشان می‌دهد که این مرکز خصوصی چهار خط C.O ترانک و مثلاً 100 مشترک داخلی دارد. مثال دیگری است که در طی آن سه مرکز PBX از طریق خطوط Tie Trunk به طور خصوصی به یکدیگر مرتبط می‌شوند و با مراکز شهری خود نیز توسط رابط‌های C.O ترانک در ارتباط‌اند.
شکل 6-1 ارتباط خصوصی سه مرکز تلفن
4-1 انواع ترانک
در تقسیم‌بندی دیگری ترانک‌ها می‌توانند به صورت یک جهته یا دو جهته عمل کنند. در ترانک دو جهته هم امکان برقراری تماس از سمت مرکز فرضی A به سمت مرکز فرضی B (خارج شونده Out Going) و هم امکان تماس از سمت مرکز B به سمت مرکز A (وارد شونده In Comming) است. در مثال زیر، ترانک‌های بکار رفته در دو مرکز A و B هر دو به صورت بیرون رونده (Out Going) و وارد شونده (In Coming) عمل می‌کند.
شکل 7-1 یک ترانک دوجهته
در ترانک یک جهته تنها امکان برقراری تماس از دست یکی از دو مرکز A و B میسر است.
شکل 8-1 امکان برقراری تماس در ترانک یک جهته از یک سمت
مثالی از ترانکی که می‌تواند به صورت دو طرفه عمل کند، CEPT و E&M است. این ترانک‌ها به صورت یک جهته یا دوجهته، و در حالت یک جهته به صورت In Coming و Out Going می‌توانند برنامه‌ریزی شوند. مثالی از حالت یک طرفه از ترانک دیگری به نام D.O.D Trunk هم می‌توان استفاده کرد. البته ترانک D.O.D به صورت دو طرفه هم استفاده می‌گردد، منتها در EC512 یک طرفه آن استفاده شده است. شکل زیر تا حدی مطلب را روشن می‌کند.
شکل 9-1
5-1 آنالیز یک مکالمه
برای معرفی سیستمهای سوئیچینگ در ابتدا لازم است که مراحل یک مکالمه تلفنی مورد بررسی قرار گیرد. به طور کلی یک مکالمه تلفنی از 10 مرحله تشکیل شده است. در شکل زیر یک مکالمه از دید مشترک و مرکز بررسی شده است.
مرکز تلفن * exchange *
حال توضیح مختصری راجع به مراحل می‌دهیم:
1. با برداشتن گوشی توسط مشترکین سیگنال Off Hook ساخته می‌شود. این سیگنال به مرکز اطلاع می‌دهد که باید آماده اداره کردن یک مکالمه تلفنی باشد.
2. در مرحله دوم باید مشترک مربوطه در مرکز شناسایی شود. هر مشترک شماره خاصی دارد که در حافظه ذخیره شده و توسط آن شناخته می‌شود.
3. هنگامی که سیگنال تقاضای مکالمه توسط مرکز دریافت شد ، بایستی یک سری تجهیزات عمومی به این مشترک اختصاص داده شود. این تجهیزات به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف) تجهیزات دائمی
ب) تجهیزات موقتی
تجهیزات دائمی در تمام طول مکالمه موردنیاز می‌باشند. مثلاً تخصیص فضای حافظه که در طول مکالمه جزئیات را ذخیره می‌کند.
تجهیزات موقتی فقط در زمان شروع به کار کردن (Set up) مکالمه موردنیاز است. مثلاً محلی که برای ذخیره رقم‌های شماره تلفن که ضمن مشخص کردن مسیر مکالمه در شبکه، مقصد را نیز مشخص می‌کند. پس از آنکه تمام این فضاهای حافظه تخصیص داده شد. سیگنال بوق آزاد (Dial Tone) به سمت مشترک شماره گیرنده ارسال می‌شود تا مشخص کند که مرکز آماده دریافت شماره تلفن است. امکان غیرقابل دسترس بودن خط نیز در این مرحله صورت می‌گیرد.
4. مشترک شماره گیرنده بعد از دریافت بوق آزاد (Dial Tone) با شماره‌گیری، شماره‌ها را به سمت مرکز ارسال می‌کند. رقم‌ها به صورت سیگنال به مرکز فرستاده شده و در آنجا ذخیره می‌شود.
5. در این مرحله سیستم کنترلی می‌بایستی شماره‌های دریافتی را آنالیز کرده تا مسیر مکالمه مشخص شود.
6. در این مرحله ورودی و خروجی از دید مرکز مشخص میباشد. کار بعدی انتقال یک مسیر بین آنها از طریق سوئیچ‌‌های مرکزی میباشد. در داخل کنترل سیستم، الگوریتم‌های خاصی جهت انتخاب مسیر سوئیچ‌ها مهیا میباشد. هر سوئیچ در مسیر انتخاب شده باید چک شود که آیا در حال استفاده است یا نه؟ در صورتی که سوئیچ آزاد باشد، ربوده و Seize می‌شود.
7. برای ادامه کار باید سیگنالی به مرکز فرستاده شود. اگر این مشترک محلی باشد ارسال ولتاژ زنگ، تلفن مشترک مربوطه را فعال می‌کند، کافیست. در غیراینصورت باید سیگنالی به مرکز بعدی فرستاده شود تا آن را جهت کارهای مربوطه فعال کند. در این حال بوق برگشت زنگ به مشترک مبداء ارسال می‌شود.
8. در این مرحله مشترک مقصد با برداشتن گوشی خود سیگنال پاسخی را به مرکز تلفن ارسال می‌کند. به دنبال دریافت این سیگنال، مرکز سیگنال برگشت زنگ و ارسال ولتاژ زنگ را از دو مشترک مبدا و مقصد قطع می‌کند و پس از آن امکان مکالمه بین این دو برقرار می‌شود.
9. هنگامی که مکالمه در حال انجام است، عمل نظارت به صورت دائم انجام می‌گیرد تا هم هزینه‌ها محاسبه گردد و همچنین وضعیت سیگنال پاک کننده (Clear) بررسی شود.
10. در این مرحله با گذاشتن گوشی مبداء یا مقصد، فضاهای حافظه موجود آزاد شده و اتصالات مربوطه هم آزاد می‌گردند.
فصل دوم
اساس سیستمهای سوئیچینگ دیجیتال
1-2 تکنیک مالتی پلکسینگ
برای درک راحت سیستمهای سوئیچینگ دیجیتال ابتدا بایستی مفاهیم پایه شرح داده شود. از این توجه شما را معطوف به روش مالتی پلکس (Multiplex) می‌کنیم. فرض کنید که قصد داریم n سیگنال را از مبدا A به مقصد B برسانیم. ابتدایی‌ترین روشی که ممکن است به ذهن برسد، استفاده از n رابط میباشد.
شکل 1-2 ابتدایی‌ترین روش ممکنه جهت انتقال سیگنال از A به B
استفاده از روش فوق هنگامی که تعداد سیگنالها افزایش می‌یابد، مناسب نیست، چرا که تعداد رابط‌ها افزایش می‌یابد و به دنبال آن هزینه‌ها و فضای اختصاصی جهت انجام این کار بیشتر می‌شود. استفاده از سیستم مالتی پلکس این مشکل را حل می‌کند. با استفاده از این روش انتقال یک گروه از سیگنالها روی یک مسیر واحد تحقق می‌پذیرد. یک سیستم مالتی پلکس شامل این سیگنال ورودی است که با یکدیگر ترکیب شده و یک سیگنال مالتی‌پلکس را می‌سازد. این سیگنال روی مسیر انتقال منتقل شده و سپس n سیگنال در انتهای مسیر از یکدیگر تفکیک می‌شوند. یه عمل تفکیک کردن سیگنالها از یکدیگر دی مالتی پلکس (De Multiplex) گویند.
شکل 2-2 یک سیستم مالتی پلکس
برای سادگی، شکل فوق یک مسیر یک طرفه (Half Duplex) را نشان می‌دهد. در صورتی که تجهیزات لازم در مبداء و مقصد هر کدام شامل یک Multiplexer و De Multiplex می‌باشند. این کار جهت برقراری ارتباط دوطرفه (Full Duplex) میباشد. روش‌های مختلفی برای مالتی پلکس کردن موجود است که مهمترین آنها Frequency Division Multiplexing (FDM) و Time Division Multiplexing (TDM) میباشد.
2-2 معرفی باس استاندارد
در روش فوق اطلاعات مربوط به هر n سیگنال در فاصله زمانی که به آن یک کانال می‌گویند، روی مسیر انتقال می‌گردند. زمان اشغال شده توسط هر کانال را یک شکاف زمانی (Time Slot) می‌گویند. در هر لحظه نیز اطلاعات مربوط به یک سیگنال از طریق کانال آن سیگنا، بین مبداء و مقصد منتقل می‌گردد. تعداد کانال‌های مالتی پلکس شده جهت سیگنالهای صوتی عموماً 24 (استاندارد آمریکایی) یا 32 (استاندارد اروپایی)تایی است. بنابراین سیگنال مالتی پلکس شده حاوی 24 کانال یا 32 کانال است که به آن یک Setial Telecom –Bus (ST-BUS) می‌گویند. به دلایلی که در ادامه بحث خواهیم داشت، مدت زمان هر ST-BUS در هر دو روش امریکایی (T1) و اروپایی (E1)، معادل 125MSe است.
شکل 3-2 ST-BUS به روش اروپایی
بنابراین یک سیستم بر مبنای روش TDM شامل یک مسیر مشترک است که توسط کانال‌های مختلف اشغال می‌گردد. جهت استفاده از تکنیک MUX سیگنالهای ورودی باید به رشته‌ای (Stream) از نمونه‌ها تبدیل شده و هر یک در Time Slot مربوط به خود روی مسی مشترک قرار می‌گیرد.
3-2 پروسه نمونه‌برداری
پروسه نمونه‌برداری مطابق شکل زیر است:
شکل 4-2 یک سیستم مالتی پلکس به همراه نمونه‌بردار
در واقع نمونههای موردنظر از سیگنال ورودی با استفاده از یک قطار پریودیک از پالس‌‌های زمانی که سیستم نمونه‌بردار ر ا On و Off می‌کنند، تشکیل شده است. نمونه‌ها به شکل پالس‌هایی هستند که دامنه آن مساوی مقدار دامنه سیگنال موردنظر در زمان نمونه‌برداری است.
شکل 5-2 نحوه نمونه‌برداری از یک سیگنال ورودی
یک عامل اساسی در بحث مالتی پلکسینگ تبدیل سیگنال صحبت به صورت دیجیتال است. امرور مهمترین روش دیجیتال کردن سیگنال صحبت، روش Pulse Code Modulation (PCM) میباشد.
4-2 استفاده از تکنولوژی دیجیتال
معمول‌ترین رویه تبدیل سیگنالهای آنالوگ به دیجیتال PCM میباشد. در این مرحله به هر نمونه، عددی باینری متناسب با دامنه و جهت آن نسبت داده می‌شود. این تبدیل که نسبت به سیستمهای مالتی پلکس کامل‌تر میباشد، شامل سه مرحله است:
1. نمونه‌برداری
2. کوانتیزه کردن
3. کدگذاری (En Coding)
در شکل زیر پروسه یک PCM در مورد یک کانال ترسیم شده است.
شکل 6-2 پروسه PCM در مورد یک کانال
اولین مرحله، نمونه‌برداری از سیگنال ورودی صحبت میباشد. در نتیجه Sequenای از نمونههای آنالوگ که به آنها Pulse Amplitude Modulation (PAM) می‌گوییم، تولید می‌شود. در مرحله بعدی دامنه‌ها به فواصل محدودی تقسیم می‌شوند. به نمونه‌هایی که دامنه آنها در یک فاصله مشخص قرار گرفته‌اند، یک مقدار تعلق می‌گیرد. به این مرحله کوانتیزه کردن می‌گویند. در مرحله کدگذاری مقادیر نمونههای کوانتیزه شده به کدهای باینری تبدیل می‌شود. پس پروسه PCM، یک Stream از رقم‌های باینری تولید می‌کند که بیانگر شکل موج صحبت است. این رقم‌های باینری روی خط انتقال منتقل می‌شود. در انتهای مسیر کد باینری به یک سری نمونههای PAM تبدیل و سرانجام با استفاده از یک فیلتر پایین‌گذر شکل موج ورودی از نمونههای PAM ساخته می‌شود.
شکل 7-2 دو نمونه یکی نزدیک آستانه بالا و دیگری نزدیک آستانه پایین
همانطور که در شکل پیداست، روش کوانتیزه کردن مقداری خطا روی هر دو نمونه ایجاد می‌کند که نتیجه آن اعوجاجی است که روی شکل موج حاصل می‌گردد. این اعوجاج به اعوجاج کوانتیزه کردن معروف است.
بر اساس تئوری نایکوئیست نرخ نمونه‌برداری باید بزرگتر یا مساوی دو برابر بزرگترین فرکانس موجود در شکل موج باشد. پس اگر ماکزیمم فرکانس موجود در شکل موجود موردنظر fh باشد، نرخ نمونه‌برداری یا fs بایستی به صورت زیر باشد:
fs > 2fh
از آنجا که پهنای باند سیگنال آنالوگ صوتی در تلفن 3.5KHz است، لذا با ضریب اطمینان مناسبی می‌توان fs را معادل 8KHz انتخاب کرد. پریود این فرکانس 125MSe میباشد که قبلاً در ST-BUS به آن اشاره شد. لازم به ذکر است که انتخاب فرکانس نمونه‌برداری بیش از 8KHz باعث اتلاف بی‌جهت پهنای باند و انتخاب فرکانس کمتر از 8KHz باعث تداخل می‌شود.
در شکل زیر چگونگی مالتی پلکس کردن سه کانال روی یک مسیر مشخص شده است. هر شکل موج با فرکانسی بیشتر یا مساوی فرکانس نایکوئیست نمونه‌برداری شده است. ولی چون نمونه‌برداری سیگنالها در زمان‌های مختلف صورت گرفته، امکان فرستادن اطلاعات هر سه کانال روی یک مسیر واحد مهیا شده است.
5-2 روش‌های کنترل
همانطور که قبلاً توضیح دادیم به نمونه‌هایی که دامنه آنها در یک فاصله مشخص قرار می‌گیرند، همگی یک مقدار متعلق می‌گیرد که به آن کوانتیزه کردن می‌گویند. اگر فواصل نمونه مساوی باشد، اعوجاج کوانتیزه کردن برای سیگنالهای کوچک بدتر از سیگنالهای بزرگ است. این مشکل با لگاریتمی کردن فواصل کوانتومی کاهش می‌یابد، در نتیجه برای سیگنالها با دامنه بزرگتر، خطا بیشتر و برای سیگنالهای با دامنه کوچک خطا کمتر می‌شود. با این روش محدوده وسیع‌تری از دامنه‌های پایین‌تر با تعداد محدود مقدار کوانتومی، En Code می‌شوند.
از آنجا که با این روش دامنه‌های بالاتر در سطوح کوانتومی کمتری Compress (فشرده) می‌شوند، به این روش کوانتیزه کردن لگاریتمی، کامپندینگ Companding (فشردن و نافشردن) نیز گفته می‌شود. به علاوه این روش مقرون به صرفه هم هست، چرا که با این روش به سطوح کوانتومی کمتری برای عمل کوانتیزه کردن نیاز است. عموماً دو روش Companding استاندارد شده است که به نام‌های A law و MU Law معروفند که تفاوت این دو تنها در مشخصه لگاریتمی آنها میباشد. در روش A Law از 13 قسمت (Segment) و در روش MU Law از 15 قسمت استفاده شده است.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 57 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله بررسی مکانیزم‌های سویچینگ در سیستمهای مخابرات