4

4. OSNOVNE STRUKTURE KOMUTACIONIH MREA

mutacija (switching) ima vrlo vanu ulogu u telekomunikacionim mreama i ostvaruje se u komutacionim vorovima, od kojih su najpoznatiji i najrasprostranjeniji telefonske centrale realizovane po principu komutacije kanala (kola). Prva generacija telefonskih centrala, odnosno komutacionih sistema, koranog tipa uvedena je petnaestak godina posle pojave Belovog telefona. Sutinski deo komutacionog sistema ine komutacione mree, koje omoguuju ostvarivanje veze (konekcionog puta) izmeu nekog ulaza i nekog izlaza. Ukrsne take su dugi period vremena realizovane elektromehaniki, a komutacione mree su bile ili matrice (crossbar), jednostepene strukture sa kvadratnim porastom broja ukrsnih taaka zavisno od broja ulaza, ili viestepene (najee dvostepene) strukture sa daleko manjim porastom broja ukrsnih taaka i sa blokiranjem, koje se manifestuje u nekim stanjima zauzea ulaza i izlaza tako to se, zbog nepostojanja dostupnih slobodnih meuveza, ne moe povezati slobodni ulaz sa slobodnim izlazom.Komutacione tehnologije su se razvijale od elektromehanikih, preko elektronskih do aktuelnih fotonskih, odnosno optikih. Tehnike komutiranja kanala kao sinhrone, takoe su menjane, od komutacije sa prostornom raspodelom, preko komutacije sa vremenskom raspodelom i viekanalne i vieprotone komutacije, do komutacije talasnih duina. U razvoju arhitektura komutacionih mrea teilo se strukturama optimiziranim po pitanju broja ukrsnih taaka, ili drugih parametara zavisno od tehnologije, i minimiziranog ili striktno nepostojeeg blokiranja. Poslednjih tridesetak godina, paralelno sa principom komutacije kanala, razvijaju se i iroko koriste principi komutacije poruka, paketa, elija, asinhrono u odnosu na konekciju.

Prolo je pola veka od publikovanja fundamentalnog teorijskog rada arlsa Klosa (Charles Clos), koji tretira viestepene neblokirajue komutacione mree [1,2]. U to vreme komutacioni sistemi bili su elektromehaniki, sa markerskim upravljanjem, krosbar i slinim biraima, pri emu je komutacija bila prostorna, sa dvostepenim i viestepenim blokirajuim komutacionim mreama. Telekomunikaciona mrea se bazirala na principu komutacije kanala, kod koga se zaseban put dodeljuje svakom pozivu tokom celokupnog trajanja i za njegovo ekskluzivno korienje, a signal se izmeu terminala prenosi u realnom vremenu. Dvostepene strukture su uvek blokirajue, a za korienje viestepenih neblokirajuih struktura bili su potrebni kompleksniji upravljaki ureaji, odnosno procesorska podrka.

U tehnolkoj evoluciji Klosove strukture su zauzele i igraju vanu ulogu u realizaciji komutatora velikih kapaciteta. Postojalo je miljenje da e se uloga tih mrea smanjiti pojavom paketske komutacije i asinhronog prenosa (ATM) i komutacije. Meutim, danas su one oslonac pri realizaciji IP rutera visokih performansi i kapaciteta, kao i optikih kroskonekt sistema, jer u domenu komutacije talasnih duina obezbeuju uslove za izbegavanje blokiranja i opimizacione efekte kod struktura sa velikim brojem portova.

4.1. KLASIFIKACIJA KOMUTACIONIH MREA

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

slobodno, kada se u procesu komutacije moe povezati bilo koji od raspoloivih kanala,

grupno, kada se povezuje bilo koji kanal iz grupe kanala i individualno, kada treba povezati odreeni kanal.Prema trenutku poinjanja, ili zavravanja veze, tip komutacije moe biti: istovremeni,

istovremeni po grupi i sluajan.

U telekomunikacionim komutacijama nain biranja ulaza je u principu individualan, a tip komutacije za poinjanje i zavretak veze sluajan, pa se prema nainu biranja izlaza razlikuju postupci: slobodnog,

grupnog i

linijskog biranja.Komutacione mree mogu biti jednostepene, ili viestepene, kod kojih su jednostepene komutacione mree iz uzastopnih stepeni povezane meuvezama i koje su sa unutranjim blokiranjem ili bez blokiranja. I jedne i druge mogu biti sa potpunom dostupnou, kada bilo koji ulaz moe da se povee sa bilo kojim od slobodnih izlaza, ili sa nepotpunom dostupnou, kada pojedini ulazi mogu da se poveu samo sa odreenim brojem njima dostupnih izlaza.Prema nainu korienja polova (ulaznih i izlaznih kanala), mree se mogu posmatrati kao jednosmerne (razdeljene, dvostrane), kod kojih se razlikuju ulazi od izlaza, i dvosmerne (nerazdeljene, jednostrane), kod kojih polovi, prema potrebi, mogu vriti funkciju ulaza ili izlaza. Isto tako, postoje i delimino razdeljene komutacione mree.Sa aspekta telekomunikacione mree za potrebe uskopojasnih servisa, od interesa su komutacione mree za komutaciju analognih kanala, kada se koristi prostorna komutacija i za komutaciju sinhronih digitalnih kanala, kada se koristi, osim prostorne, i vremenska komutacija, pa emo najpre razmotriti njihove osnovne strukture.

4.2. STRUKTURE MREA ZA ANALOGNU KOMUTACIJU

Kod analognih komutacionih sistema vri se prostorna komutacija tako to se kroz komutacionu mreu uspostavlja spojni put koji omoguuje elektrini prenos signala govorne ili neke druge informacije, neprekidno, dok se veza ne raskine. Osnovni element na bazi koga se formiraju sloenije komutacione mree je (vieprovodni) komutacioni dvopolnik sa dva mogua stanja: zatvoreno i otvoreno (odnosno pozicije: razmaknuto i spojeno). Vie dvopolnika, sa zajednikim ulaznim polom, ine viepolnik (tipa 1 M), tradicionalno zvani bira, kod koga, pri uslovu oridinarnosti, moe biti spojen (otvoren) samo jedan kontakt, odnosno povezan jedan ulaz sa jednim izlazom. Viestruko povezivanje je takoe vremenom dobilo na znaaju.4.2.1. JEDNOSTEPENE MREE

Meusobnim povezivanjem pojedinih izlaznih polova iz vie (N) biraa dobija se jednostepena komutaciona mrea. Ako se poveu svi odgovarajui polovi posmatranih biraa dobija se komutaciona matrica (komutator, switch) tipa NM, koja predstavlja potpuno dostupnu jednostepenu mreu, poto bilo koji ulaz moe da se povee sa bilo kojim slobodnim izlazom (slika 4.1). Ukoliko nije izvreno sveobuhvatno povezivanje odgovarajuih izlaza, dobijena jednostepena mrea je sa nepotpunom dostupnou, jer se sa nekog od N ulaza moe uspostaviti veza samo sa delom (M) od L izlaza (slika 4.2).

Slika 4.1. Komutaciona matrica tipa NM predstavljena matrino a),simboliki b) i blokovski c) i d)

Slika 4.2. Jednostepena komutaciona mrea sa nepotpunom dostupnou(N L, d = M) predstavljena matrino a), simboliki b),blokovski c), matrinom mreom d)Pri uporeivanju dveju prethodnih jednostepenih mrea treba naglasiti da za isti broj biraa (N), odnosno komutacionih taaka (N M), koji su osnovni pokazatelji ekonominosti mree, mrea sa nepotpunom dostupnou, za N > M, ima vee saobraajne mogunosti. Meutim, saobraajno iskorienje odlaznih kanala je manje nego kod odgovarajue matrice, odnosno mree sa potpunom dostupnou, tipa N L.Pored jednosmernih matrica, kod kojih se ulazi razlikuju od izlaza, postoje i dvosmerne, kod kojih polovi mogu vriti ulogu ulaza ili izlaza i koje imaju trouglasti oblik (slika 4.3a). Za broj polova N, broj komutacionih taaka je N(N - 1)/2. Takoe je, po potrebi, mogue formirati razne kombinovane matrice (slika 4.3b).

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

4.2.2. DVOSTEPENE MREE

Kod kvadratne matrice N N broj komutacionih taaka jednak je kvadratu broja ulaza, a pri potpunom zauzimanju iskorieno ih je samo N. Zbog toga, pri veem N, postaje neracionalno koristiti jednostepene mree, odnosno, postoje naini da se formira zadovoljavajua mrea sa manjim brojem komutacionih taaka. Najprostiji primer za to je dvostepena jednosmerna mrea (slika 4.4), kod koje je svaka od k1 matrica prvog stepena, tipa n1 m1, preko jedne ili vie meuveza povezana sa matricama drugog stepena, tipa n2 m2, kojih ima k2. Prednost ovakve mree, koja povezuje N ulaza sa M izlaza, je u tome to je broj komutacionih taaka (k1 n1 m1 + k2 n2 m2) znatno manji nego kod odgovarajue komutacione matrice (N M). Tako, za N = M i n1 = m1 = k1 = n2 = m2 = k2 = n = N1/2, taj broj je 2n3 = 2N3/2, to je manje od N2 u sluajevima kada je n vee od 2.

Slika 4.4. Dvostepena jednosmerna komutaciona mreaNepogodnost dvostepene mree, pored injenice da se prosleivanje jedne veze vri kroz dve komutacione take, odnosno da se utie na kvalitet prenosa i uslonjava upravljanje, je u tome to se javlja unutranje blokiranje. Tako, ako izmeu neke matrice prvog stepena i neke matrice drugog stepena postoji jedna meuveza koja je ve zauzeta povezivanjem para polova, ne moe se uspostaviti veza izmeu drugog para polova tih matrica, bez obzira to su oni slobodni. Na blokiranje se moe uticati menjanjem parametara matrica, njihovog broja, kao i broja meuveza izmeu dve matrice. Naravno, umesto matrica se, prema potrebi, mogu koristiti jednostepene mree sa nepotpunom dostupnou.U sluaju k1 = k2 = 1 imamo granini, trivijalni primer dvostepene mree. Ovakva mrea, sa N ulaza i izlaza ima, u odnosu na matricu tipa N N manji broj komutacionih taaka u sluajevima kada je broj meuveza manji od N/2. Poreenjem sa dvosmernom matricom (slika 4.3a) moe se zakljuiti da je broj meuveza manji od (N - 1)/4 uslov za manji broj komutacionih taaka.U principu je mogue kod dvostepenih mrea izbei blokiranje uvoenjem petljastih ili obilaznih puteva. Petljasti putevi se formiraju preko neke dostupne matrice drugog stepena do matrice prvog stepena, iz koje ima slobodna meuveza ka eljenoj matrici drugog stepena. Za princip obilaznih puteva potrebne su dodatne matrice u drugom stepenu, preko kojih se ostvaruje veza do eljene matrice. Jasno je da se u ovako zamiljenim mreama dodatne veze ostvaruju preko vie komutacionih taaka, a potrebne su i matrice koje vre komutaciju kroz dve take. Meutim, nije postojao interes za korienje ovakvih mrea u konkretnim realizacijama.

4.2.3. VIESTEPENE MREE

Dvostepene mree nale su veliku primenu kod krosbar (crossbar) sistema sa markerskim upravljanjem, jer su upravljake mogunosti odgovarale tako organizovanim mreama. Poveanjem broja stepeni ekonomie se sa ukupnim brojem komutacionih taaka. Mogue je smanjiti ili eliminisati blokiranje, s tim to se poveava broj komutacionih taaka kroz koje se uspostavlja veza i uslonjava algoritam upravljanja mreom.

Slika 4.5. Trostepena jednosmerna komutaciona mrea

Dodavanjem jo jednog stepena dvostepenoj mrei dobija se trostepena mrea kod koje je broj spojnih puteva izmeu parova polova uvean, jer se veza moe uspostavljati kroz razne matrice srednjeg stepena. Na slici 4.5 predstavljena je jednostruko, potpuno povezana, jednosmerna, trostepena mrea nedeljive strukture. Za simetrinu mreu, sa uobiajenom oznakom C(n, m, k), kod koje je N = M, n1 =m3 = n i k1 = k3, m1 = n3 = m = k1, moe se lako ilustrovati uslov (Teorema Klosa) da bude potpuno dostupna i bez blokiranja. Za posmatrani par ulaz/izlaz, u najnepovoljnijem sluaju, mogu biti zauzeti n - 1 ulaza odgovarajue matrice prvog stepena, n - 1 izlaza odgovarajue matrice treeg stepena, a time angaovano do 2(n - 1) matrica srednjeg stepena. Znai, za ostvarivanje veze izmeu posmatranog para polova potrebna je bar jo 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 blokiranjaU sluaju nesimetrine Klosove mree 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 odreenim uslovima, sa porastom broja ulaza i izlaza, Klosova mrea postaje superiornija u pogledu broja ukrsnih taaka u odnosu na jednostepenu komutacionu matricu. Za simetrinu mreu, kada je n1 = m3 = n, pri olakavajuem uslovu k = n i kada je k2 = 2n - 1, broj ukrsnih taaka je 6N3/2 3N = 6n3 - 3n2, dok je kod kvadratne matrice N2. Po kriterijumu broja ukrsnih taaka Klosova mrea je povoljnija ve za n = 6 (N = 36). Odnos broja ukrsnih taaka za n = 10 je 5700/10000, a za n = 20 taj odnos je 46800/160000.

Pored potpuno povezanih mrea, kod kojih je broj moguih puteva izmeu ulaza i izlaza jednak broju matrica u drugom stepenu, postoje i povezane mree, kada je broj tih puteva manji, kao i lepezaste, kada izmeu nekog ulaza i izlaza postoji samo jedan spojni put.Viestepene mree sa nedeljivom strukturom formiraju se prostim dodavanjem stepeni. etvorostepena mrea je blokirajua, a petostepena mrea moe se formirati da bude bez blokiranja, tako to se kod trostepene mree bez blokiranja matrice iz jednog, recimo srednjeg, stepena zamene odgovarajuim trostepenim Klosovim mreama bez blokiranja (slika 4.7).

Slika 4.7. Formiranje petostepene Klosove mreePored viestepenih mrea sa nedeljivom strukturom mogu se formirati i mree sa blokovskom strukturom. Na slici 4.8 prikazana je jedna takva trostepena mrea kod koje su prvi i drugi stepen formirani od zasebnih blokova dvostepenih mrea, a trei stepen je formiram od blokova komutacionih matrica. Ovakvim organizovanjem parovi polova mogu da se poveu samo preko jednog spojnog puta, to je bilo prihvatljivo kod poluelektronskih komutacionih sistema gde je blokovski princip naao primenu. etvorostepena mrea sa blokovskom strukturom dobija se na slian nain, odgovarajuim povezivanjem blokova dvostepenih mrea, a osmostepena na bazi etvorostepenih blokova. Zbog ovakvog principa formiranja ove mree se esto nazivaju i iteracionim.

Slika 4.8. Trostepena jednosmerna blokovska komutaciona mreato se tie povezivanja uzastopnih stepeni mree pomou meuveza, uobiajen je redni nain, kod koga se matrice prethodnog stepena, preko odgovarajueg ulaza koji odgovara njihovom redosledu, povezuju sa matricama sledeeg stepena. Kod ciklinog povezivanja cikliki se pomera redni broj povezivanog ulaza naredne matrice sledeeg stepena, gledano iz neke matrice prethodnog stepena. Samo ispitivanje meuveza ili izlaza moe biti redno, od fiksiranog polaznog poloaja, ili redno iz sluajnog (poslednjeg) poloaja, to omoguava ravnomernije zauzimanje.4.2.4. USLOVNO NEBLOKIRAJUE MREE

Gubici kod komutacione matrice i viestepenih mrea bez blokiranja zavise od broja odlaznih kanala, intenziteta i karaktera ponuenog saobraaja. Kod viestepenih mrea sa blokiranjem na gubitke ima uticaj i niz strukturnih parametara, kao to je broj stepeni, veliina matrica, postojanje koncentracije ili ekspanzije, broj i nain formiranja meuveza, blokovska struktura, reim biranja, nain biranja meuveza i spojnog puta i slino.Klosov uslov vai za striktno neblokirajue mree, dok Bene [2] uvodi pojam neblokirajuih mrea u irem smislu, kod kojih je uvek mogue uspostaviti put izmeu ulaza i izlaza pogodnim izborom puteva za nove zahteve. Znai, blokirajue stanje je mogue, ali se moe izbei primenom odgovarajueg pravila izbora puta. Za simetrinu Klosovu mreu potreban uslov je k2 = m (3n/2( , pri k1 = k = 2, uz pravilo da se ne zauzima slobodna matrica ukoliko je mogue uspostaviti put preko neke delimino zauzete (najoptereenije) matrice drugog stepena.

Ideja prepakivanja zahteva podrazumeva naputanje blokirajueg stanja, kada se ono dosegne, to je mogue ranije, pre nego to naie novi poziv, pa se ovakve mree nazivaju i preventino preuredive ili semi-preuredive. Pri odreenim vrednostima parametara postie se uteda u matricama srednjeg stepena. Za simetrinu Klosovu mreu taj uslov je m 2n - (n/(k - 1)( , pri emu se mreom upravlja tako da je svako preopteretivo stanje mree nepermanentno. Nepermanentno stanje komutacione mree je stanje koje se, kada se ostvari, trenutno zamenjuje drugim stanjem. Preopteretivo stanje komutacione mree je stanje kada postoji konekcioni put koji moe biti raskinut i ponovo uspostavljen kroz optereeniju matricu srednjeg stepena (kada imamo nepreopteretivo stanje mree).

Preuredive (prestrojive, rearanirajue) mree imaju vano mesto u teoriji komutacionih mrea jer funkcioniu kao neblokirajue, koristei broj komponenti (ukrsnih taaka) blizak teorijskom minimumu. Princip se zasniva na mogunosti da se za poziv, kada se nae u blokirajuem stanju, pronae slobodan put kroz mreu, ako se prethodno uspostavljeni putevi preurede po odreenim pravilima, vodei rauna o potrebama blokiranog poziva. Preuredivost odraava u odreenoj meri ogranienje efektivnosti korienja ukrsne take u komutacionim mreama. Prepakivost i preuredivost uvode ponovno komutiranje postojeih konekcija, meutim, ta dva pojma se znatno razlikuju. Proces prepakiranja je namenjen da pobolja stanje mree da bi se ona pripremila za novi poziv, dok proces preureenja menja stanja mree za blokirani i neblokirani poziv. Prepakiranje poziva menja stanja mree globalno, preureenje poziva je vie lokalni in, kod koga se menjaju samo stanja vezana za blokirani poziv.

Vana osobina preuredivih mrea je mogunost opsluivanja predvidljivog saobraaja, odnosno istovremenih, ili unapred poznatih konekcionih zahteva, sa istim uslovom za blokiranje i odreivanjem puteva unapred. Komutacione mree koje operiu na taj nain koriste se za paralelno povezivanje procesora, kod sistema video-na-zahtev, u satelitskim komunikacijama. Uslov za simetrinu dvostranu preuredivu Klosovu mreu da je bez blokiranja je m = n i poznat je kao Slepian - Duguid teorema.4.2.5. MREE BENEOVE TOPOLOGIJEPoseban znaaj imaju mree Beneove topologije (Slika 4.9). To su simetrine Klosove mree koje koriste komutatore tipa 2 2 (optije d d) i kojih u svakom stepenu ima N/2. Narastanje od trostepene mree se vri ubacivanjem u srednji stepen dve Beneove mree sa N/2 ulaza/izlaza. Mree 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 Beneeve mree, preciznije levi deo od ulaza do izlaza na stepenu ldN, predstavlja mreu pod nazivom baseline, iz porodice banyan mrea, od interesa za asinhronu komutaciju. Beneove mree mogu biti iskoriene za konstruisanje paralelne Beneove mree, koja se zove Kantorova mrea, a koja je striktno neblokirajua za ld N paralelnih Beneovih mrea.

Slika 4.9. Mrea Beneove topologije4.2.6. DVOSMERNE MREEZa razliku od jednosmernih, kod dvosmernih mrea svi polovi su ravnopravni, mogu vriti funkciju ulaza ili izlaza, odnosno mogu se povezivati bilo koja dva para. Dok jednosmerne mree odraavaju proces uspostavljanja veza kroz komutacioni vor ka drugim vorovima, dvosmerne mree su teorijski ili konkretan granini sluaj ostvarivanja veza odnosno odvijanja saobraaja unutar vora.

Slika 4.10. Dvosmerna komutaciona mrea sa trouglastim matricama(useena mrea Klosa)Iz jednosmerne simetrine trostepene mree moe se slikovito dobiti odgovarajua dvosmerna, presecanjem mree po vertikalnoj simetrali i zamenom preseenih srednjih matrica trouglastim matricama (slika 4.10). Matrice prvog stepena sada moraju imati mogunost povezivanja svih parova sopstvenih polova i preko drugog stepena sa polovima drugih matrica (putevi prolaze unutar jedne ili kroz tri matrice).Ovakva mrea, poznata kao useena mrea Klosa, potpuno je dostupna i bez blokiranja pri istom uslovu kao za jednosmernu simetrinu trostepenu mreu, tj. pri m 2n - 1. Za m = 2n - 1 broj komutacionih taaka u matrici prvog stepena je 2n2 - n, a ukupan broj komutacionih taaka u mrei je N(2n - 1)(1 - 1/(2n) + N/(2n2)). U poreenju sa trouglastom matricom ova mrea ima manje komutacionih taaka pri uslovu N n(4n2 - 3n + 1)/(n - 1)2. Meutim, zbog potrebe matrica prvog stepena da povezuje osim izlaza i ulazne polove meu sobom, to zahteva dve ukrsne take, korektnije je radi komparacija koristiti kombinovanu matricu (slika 4.3b), koja bi imala n(n - 1)/2 + n(2n - 1) = (5n2 - 3n)/2 ukrsnih taaka.

Slika 4.11. Dvosmerna petljasta komutaciona mrea

Slika 4.12. Dvosmerna reverzivna komutaciona mreaDrugi tip dvosmernih mrea moe se dobiti petljastim povezivanjem izlaza mree sa odgovarajuim ulazima, fiziki kod mehanikih ukrsnih taaka, a pridruivanjem izlaza odgovarajuim ulazima kod digitalne komutacije (slika 4.11). Za sluaj kada je dobijena iz jednosmerne trostepene simetrine mree dovoljan uslov je n = m da bi bila bez blokiranja. Tada je broj komutacionih taaka N(2n + N/n), to je vie nego kod navedene useene mree Klosa.Dvosmerne reverzivne mree mogu se dobiti odgovarajuim povezivanjem izlaza kod jednosmernih mrea. Reverzivnoj mrei sa slike 4.12 ekvivalentna je etvorostepena simetrina petljasta mrea kod koje je parametar m upola manji.

Precizirajmo da za dvosmernu useenu Klosovu mreu uslov da nema blokiranja m 2n - 1, vai 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 mreu ve je naveden striktan uslov m n, koji bi za preuredivu petljastu bio m (n/2( .4.3. STRUKTURE MREA ZA DIGITALNU SINHRONU KOMUTACIJU

Jedna od osnovnih i bitnih razlika izmeu analogne i digitalne komutacije je u tome to se u drugom sluaju, pored prostorne, moe koristiti i vremenska dimenzija. Elektronski sistemi komutacije pokazali su odreenu prednost ve kod prostorne komutacije kanala amplitudno-impulsnih vremenskih multipleksa, zbog viestrukog korienja komutacionih komponenti. Znaajni efekti u pogledu blokiranja i saobraajne efikasnosti se postiu komutiranjem digitalnog vremenskog multipleksa, kada se, zahvaljujui mogunosti realizacije memorisanja sadrine kanala koristi i princip vremenske transpozicije kanala.Digitalna komutacija kanala moe biti sinhrona, kada se unapred odrede prostorne i vremenske koordinate u komutacionom sistemu i prenos digitalne informacije vri po njima. Kod asinhrone komutacije digitalni informacioni signal specificirane duine, snabdeven adresnom informacijom (elija), sam pronalazi put kroz komutacionu mreu. Za strukture sa sinhronom komutacijom lako se uspostavlja prostorna analogija.Kod digitalnih sistema komutacija se vri etvoroprovodno, za dva smera prenosa. Komutacioni sistemi mogu se formirati kao jednosmerni ili kao dvosmerni. Jednosmerni komutacioni sistem se realizuje preko dva identina podsistema, koji se koriste za suprotne smerove prenosa informacija. Mada se veze po njima mogu ostvariti nezavisno, praktinije je da spojni putevi budu identini, zbog prostijeg upravljanja. Kada se komutacioni sistem formira kao dvosmeran, usmeravanje poluputeva se, po specificiranim pravilima, vri unutar njega. Komutacione mree 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) omoguuje 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 ine c nezavisnih komutacionih matrica tipa n m (slika 4.13b).

Slika 4.13. Blok prostorne (S) komutacije a) iekvivalentna prostorna mrea b)Ovakav blok formira se na bazi integrisanih mikroema logikih elemenata, odnosno spregom vie multipleksera ili demultipleksera. Za rednu predaju bita kodne kombinacije jednog kanala dovoljan je jedan blok, dok je u sluaju paralelne (jednovremene) predaje bita kodne kombinacije potrebno onoliko paralelnih blokova koliko ima bita po kanalu.

4.3.2. BLOK VREMENSKE KOMUTACIJEBlok vremenske (T) ili asinfazne komutacije (slika 4.14a) omoguuje 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 sadraj kanala (kodna kombinacija odmerka) ulaznog vremenskog multipleksa memorie se za vreme t = tj ti, koje je krae 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 ine onoliko nezavisnih komutacionih matrica koliko ima kanala u vremenskim multipleksima, pa se u takvoj strukturi javljaju gubici zbog nemogunosti povezivanja kanala razliitih vremenskih pozicija. Blok vremenske komutacije ponaa se kao matrica, uz injenicu da povezuje dva multipleksa, odnosno dva fizika voda.Blok vremensko-prostorne komutacije (Ts), koji omoguuje 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 moguih realizacija bloka prikazana je na slici 4.15c.

4.3.4. STRUKTURE SA DOMINANTNOM PROSTORNOM KOMUTACIJOMU poetnom periodu razvoja sistema digitalne komutacije, blokovi prostorne komutacije na bazi logikih elemenata, po tehnologiji, odnosno ceni, bili su prihvatljiviji od blokova vremenske komutacije, koji se realizuju na bazi memorijskih elemenata. Zbog toga su koriene komutacione mree sa dominirajuom prostornom komutacijom, najpre isto prostorne, tipa S, SS, da bi se njihove saobraajne osobine poboljavale dodavanjem blokova vremenske komutacije. Strukture tipa TS i ST bile su od manjeg znaaja, zbog poznatih osobina njima ekvivalentnih dvostepenih mrea, dok je simetrina struktura tipa STS nala iru primenu (slika 4.16).

Slika 4.16. Struktura tipa STSSa prostornog ekvivalenta trostepene STS mree (slika 4.17) vidi se, iz uslova nepostojanja blokiranja m 2n - 1, da je potreban broj blokova vremenske komutacije dvostruko vei od broja ulaza (multipleksa) koji dolaze na prostorni komutacioni blok.

Slika 4.17. Prostorni ekvivalent strukture STSEkonomisanje sa komutacionim takama, poveanje kapaciteta i propusnih mogunosti struktura STS mogu se postii zamenom pojedinih blokova vremenske komutacije viestepenom strukturom, recimo tipa SS, ST, STS.

4.3.5. STRUKTURE SA DOMINANTNOM VREMENSKOM KOMUTACIJOMRazvojem tehnologija menjaju se meusobne relacije, tako je i proizvodnja poluprovodnikih memorija i vremenskih komutacionih blokova postala ekonominija od proizvodnje odgovarajuih blokova prostorne komutacije sa logikim elementima. To je nametnulo korienje komutacionih struktura sa dominantnom vremenskom komutacijom. Sprezanjem vremenskih komutacionih blokova mogue je formirati dvostepenu strukturu tipa TT. Veu praktinu primenu nala je struktura tipa TST, prikazana na slici 4.18, ija je ekvivalentna prostorna mrea prikazana na slici 4.19.

Slika 4.18. Struktura tipa TST

Slika 4.19. Prostorni ekvivalent strukture TSTDa bi se izbeglo unutranje 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 vei nego u ulaznim. Za ove strukture karakteristino je takozvano grupno biranje od take do take, jer je, u osnovnom sluaju, potrebno samo jedanput fiksirati slobodni izlazni kanal, poto kanali za neki pravac pripadaju jednoj komutacionoj matrici, odnosno jednom vremenskom multipleksu na izlazu treeg stepena.Razvojem blokova vremensko-prostorne komutacije (Ts) omogueno je formiranje struktura slinih predhodnim, recimo STsS, TsSTs, ili TsSkTs, gde se prostorni deo komutacije sastoji od k stepeni.Korienjem samo Ts blokova, moe se formirati trostepena struktura, ili neka druga, koje se takoe mogu analizirati na osnovu prostornih ekvivalenata i bogatih iskustava sa mreama 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 mogunou povezivanja ulaznih polova sa izlaznim, ali i meusobno. Kod blokova sa prilagodljivom strukturom moe se menjati broj ulaza, izlaza, nerazdeljenih veza. Kada se ovi blokovi koriste u viestepenoj mrei struktura je nejednorodna, jer je broj stepeni kroz koje prolazi spojni put promenljiv, prema mogunosti najkrai, to zavisi od uzajamnog poloaja polova u strukturi.

Kao elementi Klosove mree koriste se i Ts blokovi (DSMs digital switching matrices), bazirani na integrisanim tehnologijama (VLSI), kod kojih prostorni ekvivalent poseduje vie kanala po meuvezi i vie meuveza izmeu uzastopnih matrica, pa je odreivanje 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 izmeu stepeni, v - broj multipleksa koji povezuju dva bloka.

Slika 4.20. Realizacija trostepene mree sa kompleksnijim Ts blokovimaNapomenimo da je razvojem integrisanih tehnologija omogueno da se za potrebe komutacije standardnih kanala (telefonskih) realizuju komutacioni sistemi velikih kapaciteta na bazi jednostepenih komutacionih struktura tipa Ts.4. 3. 6. VIEPROTONE KLOSOVE MREE

Uvoenjem mrea sa integrisanim servisima i paketske komutacione tehnologije nastaje potreba za proavanjem komutacionih mrea koje podravaju konekcije sa razliitim zahtevanim opsegom za potrebe govora, podataka, videa i multimedijalnog saobraaja. Vieprotona komutacija kanala i konekciono orijentisana paketska komutacija su razmatrane kao potencijalne tehnologije za irokopojasne mree, ali je ova druga, u formi tehnologije asinhronog transver moda (ATM), postala perspektivnije tehniko reenje.

Kod simetrine trostepene Klosove mree, gde svaki od linkova ima r posebnih vremenskih slotova osnovne brzine (recimo 64 kb/s) i ako postoji ogranienje za korienje ne vie od B vremenskih slotova, uslov koji obezbeuje da nema blokiranja je m > 2((nr - B)/(r B + 1)( . Slika 4.21. Vieprotona Klosova mrea

ATM komutacija je prostija forma paketske komutacije, koja operie sa kratkim paketima fiksirane duine od 53 bajta (okteta), oznaenim sa virtuelnim identifikatorom kanala (VCI), kao to je ve objanjeno. ema multipleksiranja labela omoguuje fleksibilnije transmisione brzine nego to su kod sinhrone komutacije. Ne postoji fiksirana minimalna brzina, niti njeni multipli, a esto su ATM komutatori dizajnirani sa internim putevima koji operiu sa viim brzinama nego kod spoljnih linkova. Odnos interne i spoljne brzine predstavlja brzinsku prednost ili ubrzanje (speedup) sistema.

U sluaju Klosove trostepene simetrine mree, 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, izraenu 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 emu je pouno uporediti ovaj uslov sa striktnim uslovom.

4.3.7. VIEDIFUZNE KLOSOVE MREEKlos je razmatrao samo jednostruke (unicast) mree, kod kojih se veza uspostavlja izmeu jednog ulaza i jednog izlaza, a njegovi rezultati su proireni na multikonekcione mree, kod kojih se istovremeno koristi vie ulaza i izlaza. Specijalni sluajevi multikonekcionih mrea su irokodifuzna (emisiona) mrea, kod koje se jedan ulaz povezuje sa svim izlazima i viedifuzna (viestruka, multicast) mrea, kod koje se jedan ulaz povezuje sa delom (podskupom) izlaza (fan-out). Rute formiraju stabla koja se granaju od ulaza na kojim nastaju. Kod klasinih interkonekcionih mrea ta stabla su otro razgraniena, dok kod vieprotone komutacije imaju pridruenu teinu koja reprezentuje opseg i dozvoljavaju dodelu linka sve dok suma teina ne prevazie njegov kapacitet.

Uslov da ne doe do blokiranja, za simetrinu trostepenu viedifuzionu jednoprotonu Klosovu mreu, je m > (fmax + 1)(n - 1), gde je fmax maksimalan broj posebnih komutatora treeg stepena sa izlazima u istoj viedifuznoj konekciji, koji moe imati vrednosti do k. U sluaju vieprotonih mrea uslov postaje m > (F(n - B)/(S - B) - 1( + ((n - B)/(S - B) - 1( , gde je F = min{fmax, m}.

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

4.4. MREE ZA IROKOPOJASNU KOMUTACIJU

Klasine komutacione mree nale su primenu kod komutacije uskopojasnih kanala, u fizikom 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 irokopojasnih mrea aktuelna je asinhrona komutacija i korienje centralizovanih komutacionih struktura, koje imaju niz specifinosti u odnosu na klasine mree za digitalnu komutaciju.Najprostije strukture su jednostepene, bazirane na krozbar principu, kao to je "nokaut" (knockout) mrea, sa filterima i "baferima" (buffer) u izlaznim kontrolorima, jer se pokazalo da je tada komutacija najefektnija. Jednostepene komutacione mree su za vee kapacitete neekonomine, a najznaajnije viestepene su sa samorutiranjem. Samorutiranje (sortiranje) podrazumeva postojanje adrese koja se generie u zaglavlju svake elije. Za sluaj kada nema samorutiranja, komutacionoj strukturi je potrebna informacija za komutiranje svake elije unutar odgovarajue virtuelne veze [32].4.4.1. MREE BAZIRANE NA SORTIRANJU

Najpogodniji komutacioni elementi za sortirajue mree su binarne matrice. Mree formirane na osnovu njih mogu biti sa jedinstvenim putem ili sa vie puteva. Najpoznatija mrea sa jedinstvenim putem je tipa banyan, a njena neregularna varijanta, sa komutacionim elementima raznih tipova, je delta. Osim njih, u ovu grupu mrea sa log2N stepeni (N broj ulaza, odnosno izlaza), spadaju i mree sa nazivima baseline, shuffle (omega), flip (inverzna shuffle), koje se razlikuju po nainu uvoenja meuveza izmeu stepeni (slika 4.18.).

Slika 4.18. Primeri sortirajuih mrea sa jedinstvenim putem

4.5. KOMUTACIONE STRUKTURE U OPTIKIM MREAMA

U cilju obezbeivanja opsega neophodnog za zadovoljenje stalno rastuih saobraajnih potreba, poboljavane su mree bazirane na bakarnim provodnicima, da bi se danas u sve veoj meri zamenjivale optikim mreama. Pojavom zadovoljavajuih optikih pojaavaa (EDFA) omoguen je razvoj gustog multipleksa sa raspodelom po talasnim duinama (DWDM), ime je znaajno porastao opseg dostupan po jednom optikom vlaknu. Ovakvi visokokapacitivni linkovi su najpre razvijani kao konekcije od take do take, dok je danas mogue realno optiko umreavanje, uz korienje optikih komutatora. Optike mree u eksploataciji su sa komutacijom kanala, kod kojih optiki kroskonekti (OXCs) povezuju talasne duine od ulaza do izlaza, formirajui svetlosni put. Glavni nedostatak ovih mrea je da nisu u mogunosti da adekvatno opslue visokovarijabilan saobraaj. Koncept komutacije paketa, kod koga se opseg efektivno koristi samo pri slanju podataka, omoguuje efikasnije opsluivanje saobraaja koji jako varira, kao to je sluaj kod dominirajueg Internet saobraaja.

Poslednjih godina vre se istraivanja mrea sa optikom paketskom komutacijom (OPS). Optike paketske mree mogu funkcionisati u dva moda, sinhronom i asinhronom. U sinhronom modu paket moe startovati u izvesnom diskretnom trenutku vremena, odnosno, u svakom vremenskom slotu se vri poravnavanje. Kod asinhronog moda paket dolazi u proizvoljnom momentu i nema vremenskog poravnanja. Arhitekture OPS vorova treba da su po ceni konkurentne drugim reenjima i skalabilne. Reenja Klosa su i ovde inspirativna, zbog reduciranja komutacione kompleksnosti, odnosno cene, i prevazilaenja tehnolokih ogranienja. Vrena su temeljna istraivanja fotonskih viestepenih komutatora za dimenzije prostora, vremena i talasne duine, kako za mree sa komutacijom kanala, tako i za komutaciju paketa.

Tehnoloki, viestepeni pristup se demonstrira u raznim domenima. Mikro-elektromehaniki sistemi (MEMS) koriste minijaturna ogledala veliine nekoliko desetina mikrona i vie reenja za Klosovu arhitekturu. Pokazuju slabiju pouzdanost, posebno u poreenju sa elektronskim komutatorima, ali e to verovatno biti poboljano tehnolokim razvojem, do kada se problem moe ublaiti dodavanjem redundanse. Takoe, Klosova reenja mogu biti vaan faktor u smanjenju optikih gubitaka.

Za komutaciju u talasnom domenu vrlo je pogodan FBG (Fiber Bragg Grating) zbog selektivnih refleksivnih osobina, a spregom u red i paralelu vie njih, formira se komutator. Na bazi ovakvih blokova u Klosovoj mrei grade se veliki OXC. Ograniavajui faktor veliine su fizika pogoranja, poput dodatnih gubitaka i presluavanja.

Komutatori na bazi litijum-niobata poseduju veliku brzinu rada, pa se smatraju pogodnim za OPS. Pokazuju dobre osobine, posebno gledajui broj ukrsnih taaka i unesenih gubitaka. U OPS konceptu obavezujue je veoma brzo komutaciono vreme, reda nanosekunda, koje postiu 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 prouava u Evropskom istraivakom projektu STOLAS. B&S pristup se razvija u skoranjem istraivakom projektu DAVID. Ovde je najvanije poboljanje viedifuzna sposobnost, a preimustvo 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 reava korienjem viestepene arhitekture, poput Klosove. Za princip komutacije kanala jasan je uslov da nema blokiranja. Kod sinhrone OPS imamo koncept komutacije paketa, gde je komutator prilagoen modu operacija sa slotovima, odnosno, za svaki slot paketi na ulazima zajedno ispituju i povezuju se sa odgovarajuim izlazima. U sledeem slotu svi paketi su predati i komutacija se rekonfigurie. Jasno je da se ovde radi o sluaju preuredivosti i da je uslov za nepostojanje blokiranja upola manji nego kod komutacije kanala, ili asinhrone OPS.

a)

b)

M

N

N