Основная задача коммутационного поля – предоставление соединения между любой из линий, включенной на его входе, с любой линией на выходе. Простейшим и наиболее очевидным решением задачи такого соединения является структура в виде системы пересекающихся шин, в которой в каждой точке пересечения может быть замкнут электрический контакт. Такую структуру (соединитель, рис. 4.9) имеет коммутационное поле квазиэлектронных АТС. Число входов в таких соединителях кратно двум: 4x4, 8x8, 16x8 и т.д., что удобно при работе с управляющими устройствами, использующими двоичный код.

Существует два подхода к построению коммутационных систем (разде­ленного и неразделенного типа). В первом случае различаются входы и выходы коммутационного поля, причем разрешено соединять только входы с выходами, а соединения внутри групп входов или выходов запрещены. Во втором случае разделение полюсов коммутационного поля на группы входов и выходов отсутствует и разрешается соединение между любыми полюсами.

В коммутационном блоке включение выходов по отношению ко входам может быть полнодоступным и неполнодоступным (рис. 4.10). Полнодоступ­ным включением называется включение, при котором любой вход блока можно соединить с любым свободным выходом. Если вход можно соединить только с d из n выходов, такой блок носит название неполнодоступного с доступностью, равной d.

Рис. 4.10 – Прямоугольное коммутационное поле:

а – полнодоступное; б – неполнодоступное

Переход к схемам с ограниченной доступностью позволяет получить значительную экономию точек коммутации. Для построения схем подключения группы выходов, доступных различным группам входов, разработан метод, который получил название "неполнодоступного включения". Пример схемы неполнодоступного включения приведен на рис. 4.10, б. Заметим, что, если соединение входов с выходами осуществляется продуманно, то отрицательный эффект ограниченной доступности минимизируется. Например, если требуется соединить входы 1 и 8 на схеме рис. 4.10, б с группой выходов, то следует выбрать выходы 1 и 3, а не 1 и 4 с тем, чтобы избежать 6локировки входа 2.

Коммутационные схемы с неполнодоступным включением выходов часто используются для организации доступа к большим пучкам соединительных линий на электромеханических станциях, где стоимость точки коммутации достаточно высока и размеры отдельных коммутационных модулей ограничены. Неполнодоступное включение используется также на отдельных звеньях коммутации многозвенных коммутационных схем большой емкости, где существует более одного пути к любому заданному выход.

Для соединения между входом и выходом требуется всего одна точка коммутации. Хотя здесь и дальше все рассматриваемые схемы даются в однопроводном изображении, фактически под точкой коммутации обычно имеют в виду целую группу контактов, выполняющих одновременное переключение нескольких проводов сложных электрических цепей, например 2- или 4-проводных.

Для установления соединений внутри группы абонентов, т. е. для коммутации шлейф-шлейф, необходимо, чтобы каждая линия из группы могла быть соединена с любой другой из этой группы. Таким образом, для реализации таких соединении необходимо обеспечить выполнение условия полнодоступности любого выхода коммутационной схемы к любому ее выходу. На рис. 4.11,а [25, с. 243] приведена структура, которую можно использовать для взаимных соединений двухпроводных линий.

Пунктирные линии указывают на то, что соответствующие входы к выходы коммутационной схемы, предназначенной для коммутации двухпроводных линий, действительно соединены друг с другом так чтобы обеспечивается двухсторонняя связь по двухпроводным цепям. Однако, при описании работы коммутационных схем удобно рассматривать входы и выходы двухпроводных коммутационных схем, как отдельные полюса.

Рис. 4.11 – Квадратные коммутационные поля: а – двухпроводное; б – четырехпроводное

В коммутационном поле проключаются либо точка (i,j), либо (j,i). Коммутационные системы для 4-проводных цепей (рис. 4.11,б) требуют установления раздельных соединений для прямой и обратной ветви цепи передачи.

Рассматриваемые схемы коммутатора носят название однозвенных. Наряду с достоинствами очевидны и их недостатки. Прежде всего, с ростом числа коммутируемых линий быстро увеличивается количество точек коммутации, хотя их использование остается довольно небольшим. При наличии N входов и N выходов общее число точек коммутации составит N(N-1), тогда как максимальное число точек, одновременно используемых в соединениях при 100-процентной занятости коммутатора, составит всего N. Кроме того, конструкция коммутатора не очень хороша с точки зрения надежности: выход из строя какой-нибудь одной точки коммутации означает, что одна из конкретных пар «вход – выход» лишается возможности связи.

Многозвенные коммутационные схемы позволяют использовать совокупность точек коммутации для образования нескольких соединительных путей через коммутационную схему. Структурная схема трехзвенного коммутатора показана на рис. 4.12 [46].

Рис. 4.12 – Трехзвенная коммутационная схема

Входы и выходы коммутатора разбиты на r групп по n входов (выходов) в каждой (N = r∙n). В результате вместо одного коммутатора емкостью NxN на входе схемы получатся r коммутаторов nxk, а на выходе – r коммутаторов kxn. На рис. 4.12 показан вариант с расширением нагрузки на первом звене и сжатием (концентрацией) на втором. Для упрощения рисунка эти коммутаторы показаны не в виде пересекающихся шин, а в виде прямоугольников.

Упомянутые две группы коммутаторов, называемые соответственно первой и третьей ступенью коммутации и обозначенные X и Z, связываются между собой через вторую ступень коммутации Y, содержащую k коммутаторов размерами rxr. Число промежуточных линий, соединяющих каждый выход предыдущей ступени со входом последующей, называют связностью блока.

Нетрудно видеть, что в рассматриваемой трехзвенной схеме число возможных путей соединений равно количеству коммутаторов в центральном звене, что является несомненным достоинством схемы. Одновременно проясняется и недостаток многозвенной схемы, заключающийся в прохождении коммутируемых сигналов через ряд последовательно включенных точек коммутации (число таких точек равно числу звеньев в коммутаторе).

Однозвенная коммутационная схема является строго неблокирующейся, то есть соединение со свободным абонентом всегда может быть установлено путем выбора определенных точек коммутации. Однако, если допускается совместное использование точек коммутации как в многозвенной схеме, то возникает возможность блокировки. Анализ необходимого числа коммутаторов в центральном звене трехзвенной коммутационной схемы, которое обеспечивает строгую неблокируемость коммутатора, провел сотрудник фирмы Bell Laboratories Ч. Клоз в 1953 г. Воспроизведем ход его рассуждений.

Пусть из n входов коммутатора Х₁ уже заняты какими-то соединениями (n-1) входов, а из n выходов коммутатора Z₁ уже заняты какими-нибудь другими соединениями (n-1) выходов. В самом неблагоприятном случае может оказаться, что все упомянутые (2n-2) соединения проходят через разные коммутаторы второй ступени. В результате приходим к выводу, который можно рассматривать как строгое доказательство теоремы о том, что схема Клоза является полнодоступной и неблокирующей, если она содержит во второй ступени  k = 2n-1 коммутаторов. Действительно, при наличии (2n-2) рассмотренных соединений с самым неблагоприятным расположением выбранных путей (когда все эти соединения проходят через разные коммутаторы второй ступени) найдется еще один коммутатор во второй ступени, через который можно будет соединить оставшийся свободным вход коммутатора Х₁ с единственным свободным выходом коммутатора Z₁. Таким образом, в первой и третьей ступенях коммутации потребуются не квадратные, а прямоугольные коммутаторы   nx(2n-1), которые расширяют коммутационную схему в ее средней части почти вдвое.

В этом случае говорят, что на первой ступени происходит процесс рас­ширения, а на третьей – концентрации нагрузки. Минимальное число точек коммутации в рассмотренной схеме Клоза при k = 2n-1 может быть вычислено [25, с. 248] по формуле: . Начиная приблизительно с N, равного трем десяткам, схема Клоза будет содержать меньше точек коммутации, чем схема однозвенного коммутатора той же емкости. При увеличении емкости коммутатора разница становится весьма ощутимой. Так, при N = 512 число точек коммутации в однозвенной схеме равно 261 632, в то время как в схеме Клоза оно равно 63 488.

Очевидно, что для установления соединения любого входа схемы с любым ее выходом при отсутствии других соединений может быть выбран любой из k = 2n-1 возможных путей соединений, что существенно повышает надежность схемы. Число же используемых точек коммутации в схеме при полной нагрузке станет равным 3N, так как в каждом соединении теперь участвуют по три точки.

Применение прямоугольных коммутаторов с использованием принципов расширения и концентрации ради исключения блокировок соединений и получения полнодоступности в практических схемах нередко признается излишним. Тогда используются квадратные коммутаторы емкостью nxn, что позволяет существенно сэкономить число точек коммутации. Схема (см. рис. 4.12), построенная из квадратных коммутаторов nxn во всех трех ступенях коммутации, сохраняет свойство полнодоступности, но лишь в так называемом режиме разовой коммутации, когда список всех N требуемых соединений задан заранее, и пути для них выбираются одновременно с учетом возможностей установления других соединений заданного списка.

Такие схемы находят применение в узлах кроссовой коммутации, которые служат для сезонных переключений пучков каналов, когда все соединения устанавливаются и прекращаются одновременно. При дальнейшем уменьшении размера коммутатора n и увеличении числа ступеней коммутации можно добиться дальнейшего снижения числа точек коммутации в схеме и повышения эффективности их использования. В предельном случае n = 2 (т.е. при применении коммутаторов 2x2) число точек коммутации в схеме становится пропорциональным (N log₂N), а коэффициент их использования при максимальной нагрузке приближается к 50 %. В самых современных системах коммутации на сетях с асинхронным методом передачи информации (ATM) находят применение именно такие схемы, в которых число ступеней коммутации значительно увеличивается.

Коммутационное поле АТСЭ

Общие положения

Структурная схема электронной АТС аналогична структурной схеме  АТСКЭ и отличается от нее только принципом построения коммутационного поля и схемами отдельных функциональных блоков периферийных управляющих устройств.

Коммутационное поле АТСЭ может быть построено как с пространственной, так и с временной коммутацией каналов. При пространственной коммутации производится соединение между одноименными каналами уплотненных соединительных линий (УСЛ) посредством точек коммутации, занимающих определенное место в КП, а при временной коммутации осуществляется соединение между каналами с разными временными интервалами за счет изменения их временных позиций.

Коммутационная схема АТСЭ позволяет сократить объем оборудования по сравнению с декадно-шаговыми МКС в десятки и сотни раз.

Современные АТСЭ строятся с пространственной и временной коммутацией каналов с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В настоящее время в России в качестве основной цифровой аппаратуры принята 32-канальная (порождающая поток Е1 плезиохронной цифровой иерархии), на основе которой строятся различные цифровые системы передачи. Производится пространственно-временная коммутация отдельных каналов (ПВКС) различных групповых трактов. В интервале между импульсами данного канала могут передаваться импульсы других, сдвинутые по времени относительно друг друга. Используется метод синхронного группообразования с временным разделением каналов (СГВР).

Для трактов ИКМ при 8-битовом кодировании и скорости 64 кбит/с в

канале для 32 каналов требуется скорость 2048 кбит/с. При изменении тактовой частоты и способа группировки сигналов на входе-выходе могут быть использованы другие типы цифровой модуляции (β-модуляция и пр.).