Матричный коммутатор

Матричный коммутатор представляет собой монтаж отдельных переключателей между комплектами входов и выходов. Переключатели расположены в виде матрицы. Если у перекрёстного переключателя M входов и N выходов, то матричный коммутатор имеет M×N перекрёстных точек или мест, где могут быть установлены соединения. В каждой точке пересечения находится переключатель; когда он замкнут, он соединяет один из входов с одним из выходов. Данный матричный коммутатор представляет собой однослойный, неблокируемый переключатель. Система матричной коммутации также называется координатной системой коммутации.

Наборы матричных коммутаторов могут использоваться для реализации многослойных и блокирующих переключателей. Блокирующий переключатель предотвращает подключение более одного входа. Неблокирующий переключатель позволяет устанавливать другие параллельные (одновременные) соединения от входов к другим выходам.

• Матричные коммутаторы применяются в основном в сферах телефонии и коммутации каналов.

• Матричное расположение координатного переключателя также используется в некоторых полупроводниковых устройствах памяти, что позволяет передавать данные. Здесь шины представляют собой очень тонкие металлические провода, а переключатели — плавкие предохранители. Предохранители перегорают или открываются с помощью высокого напряжения и считываются с помощью низкого напряжения. Такие устройства называются программируемой постоянной памятью^[3]. В 2008 году на конференции по нанотехнологиям NSTI (Nanotechnology Conference) был представлен доклад, в котором обсуждалась реализация на наноуровне схемы матричного коммутатора, используемой в качестве альтернативы логическим элементам для вычислений^[4].

• Матричные массивы являются основой для современных плоских дисплеев. В тонкоплёночных транзисторных ЖК-дисплеях имеются транзисторы в каждой точке пересечения, поэтому можно считать, что матричные коммутаторы включены в их структуру.
• Для коммутации видео в домашних и профессиональных театральных системах используется матричный коммутатор для распределения выходного сигнала нескольких видеоустройств одновременно на каждый монитор или каждую комнату по всему зданию. В стандартной установке все видеоисточники располагаются на стойке оборудования и подключаются в качестве входов к матричному коммутатору.
• В тех случаях когда целесообразно централизованное управление матрицей, стандартный матричный коммутатор, монтируемый в стойку, имеет кнопки на передней панели для ручного подключения входов к выходам. Примером такого использования может быть спортивный бар, где одновременно отображаются многочисленные программы. Обычно в спортивном баре устанавливается отдельная приставка для каждого дисплея, которому требуется независимое управление. Матричный коммутатор позволяет оператору маршрутизировать сигналы по своему усмотрению, и поэтому телевизионных приставок требуется ровно столько, чтобы охватить общее количество уникальных программ для просмотра. При этом упрощается управление звуком из любой программы в общей звуковой системе.
• Матричные коммутаторы используются в высококлассных домашних кинотеатрах. Источники видеосигнала, как правило, являются общими и включают в себя телевизионные приставки или DVD-чейнджеры (DVD changer); тот же принцип применяется и к аудио. Выходы подключаются к телевизорам в отдельных комнатах. Матричный коммутатор управляется через соединение Ethernet или RS-232 с помощью контроллера автоматизации для всего дома (например, AMX, Crestron или Control4), который предоставляет пользовательский интерфейс, позволяющий пользователю в каждой комнате выбирать, какое устройство смотреть. Реальный пользовательский интерфейс зависит от бренда системы и может включать комбинацию экранных меню, сенсорных экранов и портативных пультов дистанционного управления. Система необходима для того, чтобы пользователь мог выбрать программу, которую он хочет смотреть, из той же комнаты, где он будет её смотреть, иначе ему пришлось бы идти к стойке с оборудованием.
• Специальные матричные коммутаторы, используемые для распределения сигналов спутникового телевидения, называются мультисвитчами. Для просмотра нескольких спутников одновременно возможно разместить несколько приёмников вблизи фокуса антенны на специальных кронштейнах. Для этого потребуется соединение кабелей через так называемый мультисвитч и применение конвертера, рассчитанного на такой способ.
• Для использования в измерительных приборах американская компания «James Cunningham, Son and Company»^[5] изготовила высокоскоростные матричные коммутаторы (с длительным сроком службы)^[6], которые имели поперечные стержни существенно ме́ньшего размера по сравнению с теми, которые работали в стандартных телефонных коммутаторах. Это обеспечивало более быструю работу. Коммутаторы с поперечными стержнями Cunningham имели контакты из драгоценных металлов, и поэтому были способны обрабатывать милливольтные сигналы.

Исторически сложилось так, что матричный коммутатор состоял из металлических стержней, связанных с каждым входом и выходом, а также средств управления подвижными контактами в каждой точке пересечения.

В первых коммутаторах для соединения вертикальной и горизонтальной планки использовались металлические штыри или вилки. В конце XX века использование механических матричных коммутаторов существенно сократилось, и термином матричный коммутатор стали обозначать любую прямоугольную матрицу переключателей.

Современные матричные коммутаторы обычно реализуются с использованием полупроводниковых технологий. Важный новый класс оптических реализуется с использованием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS).

В основе конструкции типичной телеграфной станции начала и середины XX века была сетка из вертикальных и горизонтальных латунных стержней с отверстием на каждом пересечении. Оператор вставлял металлический штифт, чтобы соединить одну телеграфную линию с другой.

Телефонный матричный коммутатор — это электромеханическое устройство для переключения телефонных вызовов.

Впервые телефонный матричный коммутатор был представлен в США компанией Bell Western Electric в 1915 году, он назывался координатным селектором. С целью экономии средств на системах управления, устройство коммутатора было организовано по принципу шагового искателя (прямой принцип), а не по обходному принципу.

Устройство мало использовалась в США, но шведское государственное агентство Televerket разработало собственную конструкцию (конструкция Gotthilf Betulander 1919 года, вдохновлённая системой Western Electric) и использовало её в Швеции с 1926 года^[8] вплоть до 1980-х годов, когда была произведена цифровизация в коммутаторах модели A204 малого и среднего размера.

В 1938 году в США в коммерческую эксплуатацию был введён новый матричный коммутатор 1XB корпорации AT&T, разработанный компанией Bell Telephone Labs на основе конструкции шведской модели, но по обходному принципу.

С 1940 г. шведская компания Ericsson приступила к производству различных систем координатных АТС — ARF-50, ARF-20 и др. В 1945 году аналогичная конструкция матричного коммутатора производства шведской Televerket была установлена ​​в Швеции, что позволило увеличить пропускную способность коммутатора модели A204.

Дальнейшее развитие данной технологии в США было задержано из-за Второй мировой войны, но начиная с 1950-х годов технология матричных коммутаторов 1XB позволила организовать несколько миллионов городских телефонных линий по всей стране.

В 1950 году шведская компания Ericsson разработала собственные версии систем 1XB и A204 для международного рынка. В начале 1960-х годов продажи матричных коммутаторов производства Ericsson превысили продажи от роторных систем коммутации (рассчитанных на 500 соединительных линий) производства этой же компании.

Технология матричных коммутаторов быстро распространилась по всему миру, заменив большинство более ранних разработок, таких как системы Strowger (первая декадно-шаговая АТС) и Panel в более крупных установках в США. Изначально они управлялись электромеханическим способом, но постепенно были усовершенствованы до полного электронного управления и реализации различных функций вызова, например: быстрый набор.

В 1950 году координатные АТС на матричных коммутаторах внедряются в Финляндии, в 1952-м — в Нидерландах, в 1955-м — в Бразилии; с этого же года они распространяются в странах Азии и в Австралии. В 1950-х годах координатные АТС были созданы во Франции («Пентаконта»). В 1960-х годах были разработаны городские координатные АТС в Чехословакии (РК-20) и ГДР (АТС-65)^[9].

В Великобритании компания Plessey выпустила серию матричных коммутаторов TXK, но их широкое внедрение началось позже, чем в других странах.

В 1960-х годах Bell System изготовила большое количество матричных коммутаторов Type B, это была наиболее распространённая модель на тот период.

В СССР первая опытная координатная подстанция ёмкостью 100 номеров — ПС-МКС-100, была разработана в НИИТС (ЛОНИИС) и заводом «Красная заря» и установлена в Ленинградской городской телефонной сети в 1957 г. В начале 1960-х годов ЛОНИИС, совместно с заводом «Красная заря» и другими предприятиями промышленности связи, под руководством профессора Бориса Самойловича Лившица приступил к разработке координатной АТС для городских телефонных сетей, которая завершилась созданием АТСК (АТС координатного типа)^[10].

Устройство матричного коммутатора было достаточно простым: конструкция коммутатора перенесла все логические решения на общие элементы управления, которые были очень надёжными, так как использовали наборы реле. Проектные критерии предусматривали всего два часа простоя для обслуживания каждые сорок лет, что было значительным улучшением по сравнению с более ранними электромеханическими системами. Концепция конструкции коммутатора допускала проведение поэтапного обновления, поскольку элементы управления можно было заменять отдельно от элементов переключения вызовов. Минимальный размер матричного коммутатора был достаточно большим, но в городских районах с большой установленной пропускной способностью линии весь коммутатор занимал меньше места, чем коммутаторы других технологий с эквивалентной пропускной способностью. По этой же причине матричные коммутаторы впоследствии были заменены цифровыми системами, которые были ещё меньше и надёжнее.

Первые модели матричных коммутаторов имели разделение на исходящую и принимающую стороны, позднее были разработаны коммутаторы, не имеющие такого разделения, например, канадский коммутатор SP1 производства компании Northern Electric (Nortel Networks), а также американский коммутатор 5XB производства Bell Labs для Western Electric.

В электромеханических АТС могут использоваться два разных принципа установления соединений — прямой и обходный.

Прямой принцип характеризуется тем, что приборы, выбирающие нужное направление связи и свободную линию в этом направлении, сами принимают цифры номера, устанавливают на их основе соединение и образуют разговорный тракт. Такой принцип установления соединений используется в большинстве тех АТС, где в качестве основных коммутационных приборов применяются щёточные искатели. В частности, декадно-шаговые АТС^[11].

Этот ранний метод основывался на принципе селектора, который использовал матричные коммутаторы для реализации той же коммутационной структуры, что и коммутаторы Строуджера. Каждый матричный коммутатор получал одну набранную цифру, соответствующую одной из нескольких групп переключателей или каналов. Затем этот переключатель находил свободный переключатель или канал среди выбранных, и подключался к нему. Каждый матричный коммутатор мог обрабатывать одновременно только один вызов, и таким образом, коммутатор с сотней переключателей 10х10 в пять этапов мог поддерживать только двадцать разговоров одновременно.. Распределённое управление предполагало отсутствие общей точки отказа (аварии), но также означало, что этап настройки длился около десяти секунд, которые требовались вызывающему абоненту для набора нужного номера. С точки зрения использования оборудования этот сравнительно длительный интервал снижал пропускную способность коммутатора.

В координатных АТС используется так называемый обходный принцип, который характеризуется тем, что выбор направления связи и поиска свободной линии в этом направлении отделён во времени от процесса соединения входа коммутационного прибора с выходом, в который включена выбранная линия. Сам коммутационный прибор не участвует в выборе направления и в поиске свободной линии. Эти процедуры выполняет некое устройство, как правило, общее для группы приборов (в координатных АТС это — маркёр). Оно принимает цифры номера, обрабатывает их, и, в соответствии с результатом обработки, управляет работой коммутационного прибора, воздействуя на его элементы таким образом, чтобы вызывающий вход был соединён с одним из свободных выходов в нужном направлении. Иначе говоря, установление соединений производится в обход коммутационного прибора, в связи с чем такой принцип и назван обходным^[11].

• Когда абонент (вызывающая сторона) поднимал телефонную трубку, происходило замыкание линии, активирующее линейное реле пользователя, которое заставляло коммутатор соединять телефон вызывающего абонента с коммутационным прибором вызывающего отправителя (originating sender — далее, вызывающий отправитель), возвращающим вызываемому абоненту тональный сигнал готовности.
• Затем вызывающий отправитель фиксировал набранные вызывающим абонентом цифры номера и передавал их исходному маркёру, который выбирал исходящую линию и управлял различными этапами работы матричного коммутатора, для соединения с ним звонящего пользователя.
• Далее исходный маркёр передавал требования к завершению вызова по линии (тип импульсов, сопротивление линии и т. д.) и данные вызываемой стороны вызывающему отправителю и освобождал линию.
• Затем вызывающий отправитель передавал эту информацию завершающему отправителю (terminating sender), который мог находиться как на той же, так и на другой станции.
• Затем завершающий отправитель использовал конечный маркёр для соединения вызывающего пользователя через выбранный входящий канал с вызываемым пользователем и заставил управляющее реле отправить сигнал вызова на телефон вызываемого пользователя и вернуть тон вызова вызывающему абоненту.

В США этот принцип начал использоваться в 1938 году начиная с коммутатора 1XB. Каждый движущийся контакт был соединён с другими контактами на том же уровне с помощью проводки, часто называемой «банджо-проводкой» (англ. banjo wiring)^[12], к соединению на одном из входов коммутатора на следующем этапе. Коммутатор мог обрабатывать свою часть из стольких вызовов, сколько у него было уровней или вертикалей. Таким образом, коммутатор с сорока 10х10 переключателями в четыре этапа мог поддерживать сто разговоров одновременно. Обходный принцип соединения был более эффективным, но требовал сложной системы управления для поиска свободных соединений через коммутационную структуру (англ. switching fabric).

Данный метод предполагал наличие общего (централизованного) управления все цифры номера вызываемого абонента записывались, а затем передавались в оборудование общего управления (маркёр), для одновременного установления вызова на всех отдельных этапах коммутирования. Такая система централизованного управления с помощью маркёра требовала резервирования, то есть наличие дублирующих маркёров. Большим преимуществом конструкции было то, что контрольное занятие на переключателях составляло порядка одной секунды или меньше, что соответствовало задержкам срабатывания и отпускания реле переключателей. Единственным недостатком централизованного управления была необходимость обеспечить наличие достаточного количества записывающих устройств для обработки максимального прогнозируемого уровня исходящего трафика на коммутаторе.

Коммутация в координатной АТС 1XB производилась через двухкаскадные блоки абонентских линий и двухкаскадные блоки соединительных линий под управлением центрального маркёра, взаимодействующего с абонентским регистром. Применение такого вида централизованного управления в координатных АТС создало предпосылки для его использования (уже в качестве основного способа) в первых квазиэлектронных и электронных АТС с программным управлением^[13]

В британских коммутаторах производства Plessey — TXK 1 или 5005 — использовалась промежуточная форма конструкции, в которой коммутация осуществлялась с помощью распределённой логики, и затем соединительный тракт замыкался одновременно на всем протяжении.

Координатные АТС на матричных коммутаторах практически не используются в эксплуатации, так как были заменены следующими поколениями телефонных станций.

В России координатные АТС выпускались с 1960 по 1993 год. Затем были сняты с производства. Старые станции АТСК эксплуатировались до 2016 года наравне с современными электронными АТС.

Сохранившиеся модели координатных АТС на матричных коммутаторах представлены в рабочем состоянии в различных музеях, таких как Центральный музей связи имени А. С. Попова (Санкт-Петербург), Музей связи в Сиэтле (штат Вашингтон), Музей науки (Лондон).

Реализации матричных коммутаторов на основе полупроводников обычно состоят из набора входных усилителей (или повторителей), подключённых к серии соединений внутри полупроводникового устройства. Аналогичный набор соединений подключён к выходным усилителям. В каждой точке пересечения полос реализован проходной транзистор, который соединяет перекрёстные полосы. Когда проходной транзистор включён, вход соединяется с выходом.

По мере совершенствования компьютерных технологий матричные коммутаторы нашли применение в таких системах, как многоступенчатые сети межсоединений (англ. multistage interconnection networks), которые соединяют различные процессорные блоки в многопроцессорных компьютерах с общей памятью.

Стандартной проблемой при использовании матричных коммутаторов является настройка точек пересечения матрицы. В классической телефонии при использовании матричных коммутаторов точки пересечения закрываются и открываются по мере поступления и завершения телефонных звонков. В асинхронном режиме передачи или пакетной коммутации точки пересечения должны устанавливать и разрывать соединение на каждом интервале принятия решения. В высокоскоростных коммутаторах настройки всех точек пересечения должны определяться и затем устанавливаться миллионы/миллиарды раз в секунду. Одним из подходов для быстрого принятия этих решений является использование арбитра волнового фронта (англ. Wavefront arbiter). Арбитр волнового фронта — это схема, которая используется для параллельного принятия решений об управлении матричным коммутатором высокой ёмкости. Она принимает все входные запросы и решает, какой из них удовлетворить, с помощью одной схемы.