СИСТЕМА ВЫСОКОНАДЕЖНОЙ ВНУТРИОБЪЕКТОВОЙ СВЯЗИ

Система высоконадежной внутриобъектовой связи относится к области радиоэлектроники и может быть использована для организации внутрикорабельной связи и передачи данных.
Тенденция развития высоконадежных систем передачи информации неразрывно связана с широким внедрением сетевой архитектуры в повседневную деятельность людей, ростом объемов передаваемой информации, возникновением новых проблемно-ориентированных служб, требующих для своей реализации каналов связи (КС) с пропускной способностью до 10 бит/с, интеграцией различных служб в пределах одной сети передачи данных, организации высокоскоростных (до 10 бит/с) КС на основе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), переходом на цифровые методы и средства передачи информации.
Основной проблемой развития высоконадежных технологий передачи данных является обеспечение взаимодействия сетей, имеющих различные протоколы обмена и формы сигналов.
В настоящее время на кораблях и судах ВМФ в эксплуатации находятся системы внутрикорабельной связи (ВКС) типа «Лиственница», «Крапива», «Каштан», а также система командной безбатарейной аварийной связи, система внутрикорабельной аварийной связи и автоматической телефонной связи (АТС). (Директоров Н.Ф., Катанович А.А. Современные системы ВКС, «Судостроение», СПб, 2001).
Известны также и различные системы ВКС, которые предлагают объединить громкоговорящую связь (ГГС), телефонную связь и трансляцию в единую систему. Такие, например, как устройство ГГС (А.С. СССР №1125768, Кл. Н04м 9/08). Устройство содержит коммутаторы, микрофоны, громкоговорители, усилители и др. элементы и имеет ряд модификаций по емкости и условиям применения.
Наиболее близкой к заявляемой системе по технической сущности решения вопроса является «Система внутрикорабельной громкоговорящей связи и трансляции» (патент РФ №2131168 от 29.05.96, Кл. Н04В 13/00). Система содержит в своем составе коммутационные центры (КЦ), последовательно соединенные между собой волоконно-оптическими линиями связи, к которым подсоединены коммутаторы и пульты, блок трансляции и блок абонентских линий телефонных аппаратов. Такая система позволяет объединить ГГС, телефонную связь и трансляцию в единую систему.
Однако такой подход требует коренного преобразования существующих систем связи и не удовлетворяет требованиям единого комплекса связи, так как не обеспечивает объединения безбатарейной телефонной связи и аварийной радиосвязи.
Целью полезной модели является повышение надежности и расширение функциональных возможностей системы путем создания единого
внутриобъектового комплекса связи на основе динамического коммутатора (ДК).
Поставленная цель достигается за счет введения в известную систему динамических коммутаторов, при этом сеть связи комплекса является кольцевой системой с временным группообразованием и имеет конфигурацию последовательно соединенных двух однонаправленных линий, образующих двойное кольцо, а элементами коммутации сети являются динамические коммутаторы, расположенные в узлах сети, причем элементами ДК могут являться как сети связи с различными протоколами обмена, так и абонентские устройства, которые выполняют функции оконечных устройств пользователя сети, при этом ДК содержит оптоэлектронные и электрооптические преобразователи, соединенные с устройством ввода-вывода информации, который, в свою очередь, через буферную регистровую память параллельно соединен с устройством синхронизации и выделения сигналов цикловой и тактовой синхронизации, модулем центрального процессора и модулем коммутационного поля.
Блок-схема системы высоконадежной внутриобъектовой связи приведена на фиг.1. она содержит: коммутационные центры 1 (КЦ), динамические коммутаторы 2 (ДК), соединенные между собой двумя однонаправленными линиями образующими двойное кольцо 3. К каждому КЦ 1 подключены коммутаторы, пульты 4, а также блоки различных громкоговорителей, блоки трансляции и блоки абонентских линий телефонных аппаратов (на фиг. не показано).
К ДК 2 подключены линии телефонной безбатарейной связи, аварийной связи и сети передачи данных (ПД). Структурная схема ДК 2 приведена на фиг.2. Она содержит: оптоэлектронные преобразователи 5 и электрооптические преобразователи 6, устройство ввода-вывода информации 7, буферную регистровую память 8, устройство синхронизации и выделения сигналов цикловой и тактовой синхронизации 9, модуль центрального процессора 10 и модуль коммутационного поля 11.
Оптоэлектронные преобразователи 5, включают в себя оптический передатчик и оптический приемник. К преобразователям с одной стороны подключен двоичный волоконно-оптический кабель 3, а с другой - стандартный электрический разъем для электропитания системы.
Электрооптический преобразователь 6, служит для преобразования электрического сигнала в оптический.
Устройство ввода-вывода информации (УВВ) 7, выполняет функции контроллера интерфейса ДК с абонентскими устройствами. Кроме того УВВ выполняет функции сопряжения абонентских устройств с коммутационным полем. Сопряжение с процессором и коммутационным полем (КП) осуществляется через системную магистраль.
Информация, поступающая из абонентского устройства, заносится в буферное ЗУ, откуда затем считывается через КП в моменты времени, соответствующие номерам каналов в сети. Информация, поступающая из сети для абонентского устройства через КП заносится в буферное ЗУ контроллера, откуда затем считывается в заданные такты времени. При приеме и передаче речевой информации контроллер работает в режиме цифрового автомата.
Буферная (эластичная) регистровая память 8 с возможностью регулирования скорости приема и передачи информации.
Устройство эластичной памяти представляет собой буферное устройство для цифрового сигнала, в котором запись производится с одной тактовой частотой, а считывание - с другой.
В обычных условиях хронирование передаваемого сигнала в регенераторах основывается на использовании колебаний тактовой частоты, полученных в регенераторе и служащих для определения моментов решения. Однако передаваемый сигнал хронируется от отдельного местного генератора. В устройстве эластичной памяти поглощается кратковременная нестабильность тактовой частоты приема, а условия поддержания некоторого среднего уровня накопления в эластичной памяти определяют значения частоты задающего генератора для передаваемого сигнала за длительный период времени. В соответствии с этим, задающий генератор передаваемого сигнала синхронизируется тактовой частотой линии на долгосрочной, а не на краткосрочной, основе.
Основным узлом данного устройства является петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Благодаря наличию ФАПЧ синхронизация выводится из принимаемых данных. Минимизация дрожания обеспечивается узкой полосой пропускания ФАПЧ.
Протокол аппаратуры внутрикорабельной связи предусматривает передачу информации между ДК. Каждый ДК использует при передаче информации в кольцо и при ее трансляции свой собственный генератор тактового сигнала. При этом используется эластичная память переменного объема в каждом ДК. Скорость поступления информации в эластичную память задается тактовым сигналом, выделенным из получаемых данных, а скорость выборки из эластичной памяти определяется частотой тактового сигнала, генерируемого устройством синхронизации в каждом ДК. При использовании эластичной памяти на 10 бит в расхождении частот тактовых сигналов в 0,005% передача кадров длиной 4500 бит не вызывает переполнения эластичной памяти.
Устройство синхронизации и выделения сигналов цикловой и тактовой синхронизации 9, служит для восстановления несущей когерентного приема модулированных сигналов, восстановления колебаний тактовой частоты для регенерации входного циклового сигнала и выполнения операции вхождения в цикловой синхронизм для определения положения отдельных каналов в цикле с временным группообразованием.
Между ДК 2 при передаче информации по сети осуществляется переход от одного синхронизируемого оборудования к другому, в результате чего в сигнале на приеме неизбежно возникают определенные нестабильности, фазовые дрожания хронирующих колебаний.
В сети внутриобъектовой связи применена двухточечная схема синхронизации. Блокировку фазы цикла в каждом ДК обеспечивает периодичность потока входных данных и автономный источник тактовых импульсов, который также используется и для пересинхронизации потока входящих данных. Вследствие этого примененный код передачи выбран с учетом соображений гарантии каждому приемному ДК функционирование
местного задающего генератора со скоростью передачи входного сигнала. Требования такого типа синхронизации означает, что для непрерывного определения границ сигналов необходима определенная минимальная плотность переходов в сигнале. Достаточное число переходов обеспечивает манчестерский код передачи.
Модуль центрального процессора 10, состоит из двух основных частей - самого центрального процессора и системного контроллера. Центральный процессор (ЦП) реализован на основе 16-ти разрядного микропроцессора М1810ВМ86. Модуль системного контроллера включает в себя формирователь системных тактовых импульсов, арбитр, формирователь последовательной приоритетной цепочки подтверждения прерывания, шинный таймер, формирователь тактовых импульсов и модуль контроля питания. Выбор системной магистрали был сделан в пользу микрокомпьютерной шины на основе стандарта VWE.
VWE-шина работает в мультиплексорном режиме и может обрабатывать до семи уровней прерываний, разрядность шины адреса 24 разряда данных 16 разрядов. Как адресная шина, так и шина данных могут быть реконфигурированы (они автоматически изменяют разрядности). Это позволяет расширить системные возможности по мере улучшения технологии. В VWE-шине используются архитектура «ведущий-ведомый». Функциональные модули, называемые ведущими, передают данные подчиненным ведомым блокам, в том числе и через другие подчиненные блоки. Применение интерфейса VWE-шина в качестве системной магистрали облегчает создание программного обеспечения коммутатора, а также упрощает процесс его отладки и создает хорошие предпосылки для дальнейшей стандартизации программно-аппаратных решений.
Модуль коммутационного поля 11, служит для выполнения функции маршрутизации и переключений цифровых, импульсно-кодовых образцов. Он коммутирует каналы сети аппаратуры ВКС и входящие компоненты.
Цифровой коммутатор построен по схеме с временным разделением каналов (ВРК), что позволяет пересылать цифровые биты между устройствами, подсоединенными к сети.
Использование цифрового метода коммутации с ВРК обеспечивает установление соединения временных каналов через коммутационное поле от входящего тракта к исходящему. При этом используются два основных способа установления соединения:
- ступень временной коммутации устанавливает соединения с временным разделением каналов, т.е. в соответствии с задачей коммутации они изменяют временную позицию канального интервала при переходе от входящей стороны к исходящей;
- ступень пространственной коммутации устанавливает соединение канальных интервалов при сохранении их временных позиций при переходе от одного входящего тракта с ВРК к другому тракту с ВРК.
Ступень временной коммутации реализована непосредственно на самих модулях в виде буферных запоминающих устройств (ЗУ). В модуле устройства ввода-вывода (УВВ) осуществляется временная коммутация для
абонентских устройств (АУ) и трансляции, для каналов передачи данных буферные ЗУ находятся в модуле ЦП.
Непосредственно в самом модуле коммутации реализована схема пространственной коммутации. Схема пространственной коммутации реализована на БИС программируемой логической матрицы (ПЛМ) типа М1556ХЛ8.
Управление коммутационным полем осуществляется от процессора путем записи управляющих слов и буфера, откуда они считываются в каждый момент времени и осуществляют коммутацию каналов.
Таким образом, предложенная структура коммутатора выполняет возложенные на него функции управления ДК.
Функционирование ДК.
К ДК может быть подключено до четырех сетей с различными протоколами обмена или до 16 абонентских устройств.
ДК осуществляет коммутацию, используя конвейерный метод обработки пакета. При поступлении начальных байт пакета на какой-либо вход ДК просматривает первые шесть байт, содержащие адрес назначения пакета. По адресу определяется выход пакета, и, если он занят, образуется динамический канал связи между входом и выходом коммутатора. Для определения выходного порта коммутатор строит таблицу фильтрации.
ДК способен коммутировать как абонентские устройства, так и сети. Если к каждому входу подключается только один адрес, то такой ДК выполняет динамическую коммутацию входов, если подключается несколько адресов, то такой ДК выполняет коммутацию сетей.
ДК реализован на «матричном» коммутаторе и высокоскоростной внутренней шине и основан на модулях, использующих аппаратные специализированные процессоры (реализуемые на заказных БИС), динамически коммутирующих входы и выходы. Для передачи пакетов между модулями используется общая высокоскоростная протокольно-независимая внутренняя шина для передачи пакетов между модулями. Высокоскоростная шина служит «общим знаменателем» различных протоколов. Преимущества такого построения - модульность, распределенная конструкция, обеспечивающая отказоустойчивость и расширяемость, высокая скорость коммутации из-за аппаратной ее реализации, легкость интеграции различных протоколов.
Взаимодействие функциональных узлов ДК основано на методе функционального разделения, который заключается в выделении тех подсистем, которые требуются только на ограниченное время. Эти подсистемы по мере необходимости подключаются к абонентскому устройству или к сети.
Основной принцип разделения ресурсов ДК построен по классической системе программного управления и состоит из нескольких частей следующей классификации:
- обработка вызова - это та часть программы, которая непосредственно обрабатывает вызовы и определяет действия, которые должны быть выполнены на всех этапах обслуживания соединения;
- обнаружение ошибок и реконфигурация - это та часть программы, которая предназначена для обнаружения отказов и сохранения ДК в рабочем состоянии;
- эксплуатационно-техническое обслуживание - это та часть программы, которая позволяет техническому персоналу иметь доступ к данным, относящимся к абонентам и распределению каналов, и осуществлять их изменение;
- диагностика - это та часть программы, которая позволяет техническому персоналу, используя язык связи «человек-машина», пропускать тесты для обнаружения устройств и типовых элементов замены, содержащих неисправные элементы;
- операционная система - это та часть программы, которая обеспечивает распределение ресурсов ДК по времени и объему памяти между отдельными программами. В эту часть также включены программы взаимодействия со стандартными периферийными устройствами.
Работа системы высоконадежной внутриобъектовой связи.
Для установления канала связи передачи информации между двумя абонентами ДК инициатор обращается к службе назначения каналов, обязанности которой выполняет ведущий ДК по протоколу станционного управления. Служба назначения каналов после получения запроса на установление канала либо удовлетворяет его и указывает расположение выделенного канала, либо отвергает с указанием причины отказа. После установления канала ДК-индикатор вызывает запрашиваемую станцию путем посылки специального пакета по общему каналу сигнализации (ОКС). Закончив обмен ДК-индикатор выдает соответствующую информацию службе распределения каналов, которая возвращает канал в общий пул каналов.
В предложенном режиме коммутации каналов данные передаются в формате цикла, создаваемого ведущим ДК на основе внутренней синхронизации. Циклом является передающаяся последовательность, повторяемая 125 мкс. Циклы складываются в один главный цикл, длина которого равняется четырнадцати циклам. В зависимости от размеров кольца в нем могут циркулировать несколько циклов. Задержка при обработке информации, присутствующей в цикле одним ДК составляет 125 мс, отсюда следует, что в сети постоянно могут присутствовать до 45 циклов и число их зависит от числа ДК, подключенных к сети.
Таким образом, обмен информацией в системе происходит по циклам. В каждом цикле есть поле пакетной коммутации, через это поле происходит управление работой аппаратуры аварийной ВКС и поле каналов ОКС, по которому проходит установление соединения, контроль и распределение. Обмен данными по установлению соединения между двумя ДК происходит по выделенному каналу.
Обмен информацией в поле пакетной коммутации происходит методом маркерного доступа. ДК имеет право на передачу кадра при получении специального кадра-маркера, циркулирующего по кольцу системы аварийной ВКС в промежутках между передачей информации. ДК, имеющий кадр для
передачи, удерживает поступивший маркер и передает в исходящую линию свой кадр, после чего передает и маркер.
Каждый ДК при получении маркера имеет право передать не более одного кадра, после чего он обязан передать маркер. Каждый ДК производит анализ адресной информации кадра и при несовпадении адреса копирует его в исходящую линию. ДК, обнаруживший адресованный ему кадр, копирует его в приемный буфер. ДК-отправитель пакета, обнаружив вернувшийся кадр, удаляет его из кольца. Функции системного монитора, в сети аппаратуры аварийной ВКС выполняет ДК, являющийся ведущим ДК.
ДК, являющийся соседним по направлению движения информации в сети аппаратуры аварийной ВКС, выполняет функции ведущего ДК без управления сетью, т.е. он является зеркальным отражением ведущего ДК, поэтому в случае выхода из строя ведущего ДК его функции принимает на себя резервный ДК и не требуется новая инициализации сети, а следующий ДК по направлению движения информации становится зеркальным отображением нового ведущего ДК. Кроме того, ДК определяет ошибки функционирования сети и информирует о них все остальные ДК для восстановления нормального функционирования.
В сети аппаратуры аварийной ВКС применена централизованная система сигнализации, которая экономически оправдана при таком числе каналов в линии связи. Для этого в каждом цикле выделен общий канал сигнализации (ОКС). В цикле ОКС находится в каналах «Заголовок цикла». ОКС используется для установления соединения по одному или нескольким группам каналов. Централизованная система сигнализации ОКС обеспечивает высокую скорость передачи служебных сигналов и, как следствие, сокращение времени установления взаимного влияния функциональных и разговорных каналов, упрощение аппаратного обеспечения ДК.
Для каждого канала формируется значащая сигнализация единица (СЕ) в соответствии с требованиями МККТТ Q.701-Q.714. В каналах ОКС при отсутствии значащей СЕ находятся служебные сигнальные единицы, длина которых равна двум байтам.
Предлагаемая система единого внутриобъектового высоконадежного комплекса связи на основе динамического коммутатора позволяет объединить существующее на подвижных объектах оборудование различных систем связи в единый комплекс связи.