CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH
2.1.1. Tổng đài chuyển mạch số
Vào khoảng thập niên 60 của thế kỷ 20, xuất hiện thế hệ tổng đài điện tử số là sự kết hợp giữa công nghệ điện tử với kỹ thuật máy tính. Tổng đài điện tử số đầu tiên điều khiển theo chương trình ghi sẵn được giới thiệu tại Mỹ vào năm 1965. Sau đó, hàng loạt các tổng đài điện tử số thương mại ra đời. Các thế hệ tổng đài đầu tiên sử dụng hệ thống chuyển mạch số, song các mạch giao tiếp thuê bao vẫn là Analog. Sau đó hầu hết các hệ thống chuyển mạch số đều đưa ra các cấu hình hỗ trợ cho các dịch vụ mới như ISDN, dịch vụ cho mạng thông minh, và các tính năng mới tương thích với sự phát triển của mạng lưới.
Ngày nay, sự bùng nổ của mạng Internet đã tác động mạnh mẽ đến công nghiệp viễn thông và xu hướng hội tụ các mạng máy tính và truyền thông đã trở thành một bài toán mang tính thời sự. Một mạng có thể cho phép truyền thông băng rộng với các loại hình dịch vụ thoại và phi thoại.
Tốc độ cao và đảm bảo chất lượng phục vụ (QoS) đã trở thành những vấn đề cấp thiết cần phải giải quyết. Các hệ thống chuyển mạch điện tử số cũng phải dần thay đổi theo hướng này cùng với các chỉ tiêu kỹ thuật và giao thức mới.
2.1.1.1. Phân cấp các hệ thống tổng đài
Thông thường các hệ thống chuyển mạch được phân cấp trong mạng. ITU-T khuyến nghị 3- 5 cấp cho một quốc gia, tuy nhiên hiện nay đang có xu hướng giảm số cấp mạng để ổn định hơn về mặt đồng bộ. Sau đây là một ví dụ về phân cấp các hệ thống tổng đài:
- Tổng đài nội hạt (lớp 5). Nó có giao diện trực tiếp với các thuê bao và đấu nối tới tổng đài liên tỉnh (Toll) qua các đường trung kế. Các tổng đài này có chức năng ghi thông tin cước thuê bao.
- Tổng đài quá giang và liên đài, liên tỉnh (lớp 4). Hầu hết tất cả các tổng đài lớp 5 đều đấu nối tới tổng đài liên tỉnh. Các tổng đài quá giang chuyển mạch các lưu lượng trung kế tới tổng đài
- Tổng đài liên tỉnh (lớp 3). Tổng đài liên tỉnh sơ cấp có thể trực tiếp phục vụ các tổng đài lớp 4 và lớp 5 phụ thuộc vào triển khai các đường trung kế. Nói cách khác, nếu trong điều kiện bình thường các đường trung kế bị hết, thì lưu lượng từ các lớp tổng đài thấp hơn có thể đến thẳng lớp 3. Các tổng đài lớp 3 có khả năng lưu trữ, sửa đổi, tiền biên dịch, biên dịch hoặc biến đổi mã các con số nhận được cũng như là tìm tuyến hiệu quả nhất tới các tổng đài cấp cao hơn.
- Tổng đài liên vùng (lớp 2). Có chức năng như một trung tâm chuyển mạch liên tỉnh và có thể nằm trong số các tổng đài lớp 1.
- Tổng đài cửa quốc tế (lớp 1). Các tổng đài này truy nhập trực tiếp tới các tổng đài cửa của các nước khác. Nó cũng cung cấp trợ giúp điều hành quốc tế.
Ưu điểm của mạng phân cấp là nó cung cấp một cơ chế tìm tuyến đường hiệu quả qua mạng. Nhược điểm là nếu các tổng đài liên tỉnh hay liên vùng có sự cố thì một vùng rộng lớn sẽ bị cách ly. Có thể dự phòng một vài hướng thay thế nhưng chúng cũng không thể tải đủ dịch vụ.
2.1.1.2. Cấu trúc chức năngcủa tổng đài kỹ thuật số
Chức năng chính của hệ thống tổng đài là chuyển mạch. Trường chuyển mạch của tổng đài kĩ thuật số SPC được cấu tạo từ nhiều phần tử chuyển mạch và được điều khiển bởi phần mềm theo chương trình ghi sẵn. Các ma trận chuyển mạch được sắp xếp như thế nào là do thiết kế của nhà sản xuất, nhưng đều dựa trên các phần tử chuyển mạch cơ bản là đơn vị chuyển mạch theo thời gian (T) hay chuyển mạch không gian (S). Mô hình đơn giản nhất của một trường chuyển mạch chỉ ra trên hình 2.1.
Tr−êng chuyÓn m¹ch
Bé xö lý trung t©m C¸c bé ®/k
Lèi vµo Lèi ra
Hình 2.1. Mô hình hệ thống chuyển mạch đơn giản
Nhiệm vụ quan trọng nhất của trường chuyển mạch là thực hiện quá trình đấu nối cho một đầu vào tới một đầu ra (tuyến số liệu, khe thời gian, …) dưới sự điều khiển của bộ xử lý trung tâm. Về mặt vật lý, trường chuyển mạch có thể có các cấu trúc ghép hợp TS, ST, STS,TST, TSSST, TTT. Tuy nhiên, cấu trúc ghép TST đang sử dụng phổ biến nhất vì hiệu quả kinh tế, các chỉ tiêu kỹ thuật, dung lượng và một số ưu điểm khác. Tại trường chuyển mạch, các ma trận chuyển mạch tầng S được cấu tạo từ các phần từ logic AND hoặc phần tử 3 trạng thái dưới sự điều khiển của các bộ vi xử lý cục bộ, còn các chuyển mạch tầng T là các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) và cũng được điều khiển bởi các bộ vi xử lý cục bộ.
Trên hình 2.1 chỉ thể hiện một cách đơn giản vấn đề điều khiển trường chuyển mạch. Trên thực tế tại các tổng đài quá trình điều khiển thường phân cấp thành nhiều mức, thể hiện cơ cấu điều khiển phân tán tại các bộ xử lý bên trong. Một số hệ thống chuyển mạch dung lượng nhỏ
thường sử dụng cơ cấu điều khiển tập trung, có thể hiểu là toàn bộ hoạt động điều hành hệ thống nằm trong một nhóm bộ xử lý duy nhất. Các bộ xử lý cấp thấp được điều khiển bởi các bộ xử lý cấp cao và thông thường có một bộ hoặc nhóm bộ xử lý lập thành trung tâm xử lý, có trách nhiệm quản lý và điều hành toàn bộ hệ thống chuyển mạch số.
Có thể mở rộng khái niệm về hệ thống chuyển mạch số bằng việc xét thêm các khối chức năng theo hướng phục vụ cho thuê bao và các đường dây trung kế (hình 2.2). Các module trung kế (TM) và thuê bao (LM) là những khối hợp nhất của hệ thống chuyển mạch. Chúng đại diện cho các đường dây thuê bao hoặc nhóm trung kế giống nhau trên một lô mạch điện, gọi là thiết bị đường dây hoặc thiết bị trung kế, và được đấu nối tới trường chuyển mạch qua giao diện điều khiển.
Tr−êng chuyÓn m¹ch
Bé xö lý trung t©m C¸c bé ®/k
Module ®−êng d©y
Module trung kÕ
Module ®−êng d©y
Module trung kÕ
Lèi vµo Lèi ra
Hình 2.2 Mô hình hệ thống chuyển mạch có các module đường dây và trung kế
Các hệ thống chuyển mạch số sử dụng nhiều cách khác nhau để kết nối các đường dây thuê bao trong module đường dây. Một vài hệ thống chuyển mạch số cho phép kết cuối không chỉ một đường dây trên một module đường dây mà còn cho phép nhóm nhiều đường kết cuối tới một module đường dây. Các kiểu kết nối này đều có ưu điểm và cả nhược điểm. Nếu một module đường dây nhiều đường có chất lượng kém, nó có thể ảnh hưởng tới một số đường dây trong module đó. Tuy nhiên, trong trường hợp một thiết bị đường dây hỏng, thì có thể dễ dàng cài đặt lại sang thiết bị đường dây mới nếu module đó gồm nhiều đường dây thuê bao. Tương tự đối với việc sử dụng các trung kế trên module trung kế. Trong các hệ thống chuyển mạch hiện đại có thể thêm vào các phần tử module đường dây hay trung kế mà không phải lắp mới hệ thống. Điều này cho phép dễ dàng phát triển và cung cấp các dịch vụ mới. Tác dụng của ý tưởng thiết kế này là đảm bảo cho hệ thống độ tin cậy nhất định khi hệ thống hoàn toàn hoạt động tự động.
Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào phần điều khiển hệ thống. Tại đây phát triển các khái niệm xử lý phân tán trong môi trường hệ thống chuyển mạch số (hình 2.3). Trên hình vẽ có thể thấy rằng bộ điều khiển tập trung đã được thay thế bằng các bộ xử lý điều khiển phân tán, thêm vào đó là bộ xử lý điều khiển module đường dây và trung kế.
Tr−êng chuyÓn m¹ch
Bé xö lý trung t©m C¸c bé ®/k
Module ®−êng d©y
Module trung kÕ
Module ®−êng d©y
Module trung kÕ
Lèi vµo Lèi ra
I C
I C
C¸c bé ®/k
Hình 2.3 Mô hình hệ thống chuyển mạch có các bộ điều khiển cục bộ
Nhiệm vụ điều khiển hệ thống chuyển mạch được phân bổ cho hàng loạt các bộ xử lý để điều khiển các khối chuyển mạch cũng như là các nhóm module thuê bao và trung kế. Bộ xử lý trung tâm điều khiển hoạt động của các bộ điều khiển này. Kiểu kiến trúc này rất mềm dẻo và cho phép xây dựng các tổng đài có dung lượng khác nhau nhờ quá trình tăng số lượng bộ xử lý điều khiển mạng. Ví dụ, một tổng đài nhỏ có thể cấu hình chỉ một bộ xử lý điều khiển toàn bộ, trong khi cấu hình của tổng đài lớn hơn có thể có vài bộ xử lý điều khiển cục bộ. Khả năng xử lý của bộ vi xử lý điều khiển trung tâm, các bộ vi xử lý điều khiển mạng và kích thước mạng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dung lượng tối đa của hệ thống.
Để trường chuyển mạch của tổng đài hoạt động có hiệu quả, các kênh tín hiệu số thường được ghép lại để có luồng tốc độ cao nhất và đồng nhất cho tất cả các lối vào có tốc độ khác nhau.
Thuật ngữ chỉ luồng tốc độ cao là Highway (HW). Tốc độ HW cụ thể bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc vào từng tổng đài cụ thể. Chính vì vậy, trước khi đi vào trường chuyển mạch chính, thông thường hệ thống tổng đài có các mạch giao tiếp IC với các chức năng ghép kênh, ghép luồng, tập trung lưu lượng hoặc tương tự như vậy.
Để hoàn tất các khái niệm cơ bản về một tổng đài điện tử số, ta xem xét thêm các khối chức năng dịch vụ hệ thống, trong đó quan trọng nhất là khối chức năng báo hiệu. Sơ đồ hệ thống tổng đài với các khối chức năng dịch vụ thể hiện trên hình 2.4. Mục đích của các mạch điều khiển dịch vụ là cung cấp âm mời quay số, chuông, và các chức năng liên quan khác. Trong hệ thống chuyển mạch số hiện đại mỗi một module đường dây hoặc trung kế hoặc nhóm module có thể đấu nối tới một mạch điều khiển phục vụ. Các mạch phục vụ tạo ra các tín hiệu cơ bản để kết nối các hệ thống tổng đài trong mạng cũng như thực hiện chức năng điều hành trong mạng nói chung.
Tr−êng chuyÓn m¹ch
Bé xö lý trung t©m C¸c bé ®/k
Module ®−êng d©y
Module trung kÕ
Module ®−êng d©y
Module trung kÕ
Lèi vµo Lèi ra
I C
I C
C¸c bé ®/k
SC SC
Hình 2.4: Mô hình hệ thống chuyển mạch điển hình
Chức năng các khối trong mô hình hệ thống tổng đài trên hình 2.4 cụ thể như sau.
Khối chức năng chuyển mạch
Gồm các trường chuyển mạch không gian và thời gian, thực hiện nhiệm vụ chuyển thông tin từ một tuyến đầu vào tới một tuyến đầu ra.
Khối chức năng điều khiển trung tâm
Gồm các bộ vi xử lý thực hiện các nhiệm vụ điều khiển phục vụ cho đấu nối số liệu qua trường chuyển mạch, vận hành và bảo dưỡng hệ thống tổng đài điện tử số.
Khối chức năng các bộ điều khiển
Là các bộ vi xử lý thực hiện xử lý mức thấp hơn bộ xử lý trung tâm (được gọi là xử lý thứ cấp), hỗ trợ các chức năng xử lý tới các khối thiết bị theo lệnh điều khiển từ bộ xử lý trung tâm.
Khối giao tiếp IC
Làm nhiệm vụ giao diện giữa tốc độ thấp và tốc độ cao, chuẩn hoá các luồng số liệu trước khi đưa vào trường chuyển mạch. Ngoài ra, IC còn đảm nhiệm việc truyền số liệu điều khiển tới các khối thiết bị khác.
Khối module đường dây và trung kế
Đảm nhiệm vai trò giao diện với mạng thoại bên ngoài và thực hiện quá trình biến đổi các tín hiệu tốc độ khác nhau thành dạng tín hiệu tiêu chuẩn trước khi đưa chúng tới trường chuyển mạch.
Mạch phục vụ SC
Cung cấp các chức năng báo hiệu cho toàn hệ thống, bao gồm báo hiệu cho đường dây thuê bao và báo hiệu cho đường dây trung kế.
Ngoài các chức năng liệt kê ở trên, còn một chức năng nữa rất quan trọng của tổng đài điện tử số là vận hành và bảo dưỡng hệ thống (O&M). Tổng đài hoạt động 24/24 giờ và liên tục trong nhiều năm, đòi hỏi độ ổn định ngắn hạn và dài hạn cho hệ thống. Chính vì vậy, chức năng vận hành và bảo dưỡng tự động được khai thác triệt để với rất nhiều phương pháp kiểm tra và khôi phục lỗi đa dạng, phong phú giúp cho hệ thống được an toàn và tin cậy.