Uvod i teorijske osnove komutacije

U ranoj fazi razvoja telekomunikacija, povezivanje korisnika vršeno je direktnim linijama. Ukoliko se u mreži nalazi $N$ korisnika, a svaki od njih želi mogućnost direktne komunikacije sa svim ostalim korisnicima, broj potrebnih dvosmernih linija raste po kvadratnoj funkciji:

$$L = frac{N(N - 1)}{2}$$

Za mrežu od samo 1000 korisnika, ovaj pristup bi zahtevao bezmalo pola miliona fizičkih linija, što je prostorno, ekonomski i praktično neodrživo. Rešenje ovog problema leži u uvođenju centralnog čvora – telefonske centrale – i primene koncepta poznatog kao komutacioni sistemi. Komutacija predstavlja proces privremenog povezivanja dolaznih i odlaznih prenosnih kanala unutar mrežnog čvora radi ostvarivanja kontinualnog prenosa informacija između predajnika i prijemnika.

Kroz istoriju dugu više od jednog veka, komutacioni sistemi su prošli kroz dramatične arhitektonske i tehnološke transformacije. Ove transformacije se mogu podeliti na četiri ključne tehnološke ere:

1. Manuelna era: Ručne centrale u kojima su operateri (telefonistkinje) fizički povezivali linije pomoću prespojnih kablova sa utikačima.
2. Elektromehanička era: Automatski sistemi zasnovani na koračnim (Strowger) i koordinatnim (Crossbar) biračima, gde se preusmeravanje vršilo mehaničkim pomeranjem kontakata pod dejstvom elektromagnetnih impulsa.
3. Elektronska era (SPC - Stored Program Control): Uvođenje digitalnih računara za upravljanje komutacionom matricom i prelazak na vremensku komutaciju (TDM - Time Division Multiplexing).
4. IP era (Komutacija paketa): Potpuna konvergencija glasa, podataka i videa na jedinstvenoj IP mreži kroz upotrebu Softswitch arhitekture i IMS-a (IP Multimedia Subsystem).

Definicija komutacije kola: Komutacija kola (Circuit Switching) je metod uspostavljanja veze u kojem se između dva terminalna uređaja kroz mrežu formira namenska, neprekidna fizička ili logička putanja (kanal) koja ostaje zauzeta tokom celog trajanja sesije, bez obzira na to da li se informacije aktivno prenose ili ne.

Istorijski razvoj i elektromehanička arhitektura

Ručne centrale i začetak telekomunikacionih mreža

Nakon što je Alexander Graham Bell patentirao telefon 1876. godine, prve komercijalne telefonske mreže zahtevale su ljudsko posredovanje. Korisnik bi podizanjem slušalice generisao strujni signal koji bi aktivirao elektromagnetni indikator (klapnu) na manuelnoj tabli u centrali. Telefonistkinja bi se uključila u liniju, pitala korisnika za željeni broj, a zatim pomoću kabla sa "džek" utikačem (tzv. patch cord) ručno povezala priključnicu (jack) pozivaoca sa priključnicom pozvanog pretplatnika. Iako spora i sklona greškama, ova era je definisala osnovne koncepte signalizacije i numeracije.

Koračni sistemi (step-by-step / strowger)

Prvu automatsku telefonsku centralu patentirao je Almon Brown Strowger 1891. godine ¹. Vođen željom da eliminiše pristrasnost operatera, Strowger je konstruisao elektromehanički koračni birač koji je direktno reagovao na impulse koje generiše rotacioni brojčanik telefonskog aparata.

[Pretplatnik] ---> [Linijski birač] ---> [Grupni birač] ---> [Dohovni birač] ---> [Krajnji pretplatnik]

Kada bi korisnik okrenuo broj (npr. cifru 3), prekidi strujne petlje (impulsi) bi aktivirali elektromagnet koji bi pomerio mehaničku polugu (brisač) za tri koraka nagore po vertikalnoj osi. Sledeća cifra bi pomerala brisač po horizontalnoj osi (rotaciono) dok ne ostvari kontakt sa slobodnim vodom koji vodi ka narednom stepenu selekcije. Ovi sistemi su bili izuzetno bučni, zahtevali su stalno mehaničko održavanje i podmazivanje, a prenosni opseg je bio limitiran mehaničkim vibracijama i električnim šumom usled varničenja na kontaktima.

Koordinatni sistemi (crossbar)

Značajan korak napred predstavljalo je uvođenje koordinatnih (Crossbar) centrala sredinom 20. veka. Umesto kretanja mehaničke ruke preko kontakata, koordinatni birač koristi matricu vertikalnih i horizontalnih šipki koje se pokreću pomoću elektromagneta.

Povezivanje se vrši na presečnim tačkama (tzv. crosspoints) gde se uspostavlja električni kontakt. Ključna inovacija ove ere bilo je uvođenje koncepta zajedničkog upravljanja (Common Control). Za razliku od Strowgerovog sistema gde je svaki birač bio direktno upravljan impulsima sa telefona, kod koordinatnih centrala se impulsi prvo primaju u centralni registar koji ih dekodira, određuje optimalnu putanju kroz matricu i aktivira odgovarajuće elektromagnete samo u trenutku uspostavljanja veze. Nakon što se veza uspostavi, registar se oslobađa za opsluživanje drugih poziva.

Era digitalnih elektronskih centrala (SPC i TDM)

Pojavom tranzistora, integrisanih kola i računarske tehnologije, stvoreni su uslovi za razvoj centrala sa programiranim upravljanjem (SPC - Stored Program Control). U ovim sistemima, funkcija upravljanja (procesiranje poziva, signalizacija, tarifiranje) potpuno je odvojena od same komutacione matrice i poverena namenskim računarskim sistemima koji izvršavaju softver smešten u memoriju.

Vremenska i prostorna komutacija (T-S-T arhitektura)

Digitalizacija prenosa, zasnovana na Nyquist-Shannonovoj teoremi o odabiranju i PCM-u (Pulse Code Modulation), omogućila je prenos glasa u obliku digitalnog toka brzine 64 kbps (8000 odbiraka u sekundi, gde svaki odbirak nosi 8 bita) ². Standardni digitalni prenosni sistemi organizovani su u vremenski multipleksirane okvire (TDM). U Evropi je standardizovan sistem E1 (sa 32 vremenska kanala ili time-slot-a, ukupnog protoka 2.048 Mbps), dok je u Severnoj Americi korišćen T1 (24 kanala, 1.544 Mbps).

Da bi se izvršila komutacija između različitih korisnika u digitalnoj centrali, potrebno je izvršiti preusmeravanje kanala na dva nivoa:

1. Prostorna komutacija (S - Space Switching): Preusmeravanje signala sa jednog fizičkog ulaza na neki drugi fizički izlaz u istom vremenskom isečku.
2. Vremenska komutacija (T - Time Switching): Promena vremenskog isečka (kanala) unutar istog fizičkog digitalnog toka pomoću privremene memorije (TSI - Time Slot Interchange).

Najčešće korišćena arhitektura u velikim digitalnim centralama (kao što su Ericsson AXE-10, Siemens EWSD ili domaći DKTS) bila je T-S-T (Vremensko-Prostorno-Vremenska) arhitektura.

U T-S-T arhitekturi:

• Ulazni T-stepen prihvata dolazni multipleksirani okvir, upisuje digitalne reči u govornu memoriju (Speech Memory) redosledom dolaska, a čita ih iz memorije u redosledu koji diktira upravljačka memorija (Control Memory), čime se menja vremenski kanal.
• Srednji S-stepen je brza elektronska matrica prekidača koja u tačno definisanim vremenskim trenucima prespaja izlaz iz jednog T-stepena na ulaz odgovarajućeg izlaznog T-stepena.
• Izlazni T-stepen vrši još jednu izmenu vremenskih kanala kako bi se podaci smestili u tačno definisan vremenski isečak odlaznog TDM okvira.

Signalizacija broj 7 (SS7 / CCS7)

Uspostavljanje veza između digitalnih centrala zahtevalo je razvoj novog, brzog i pouzdanog signalizacionog sistema. Raniji sistemi koristili su signalizaciju u govornom opsegu (In-band signaling), što je bilo sporo i podložno zloupotrebama (npr. blue box prevare).

Rešenje je donela arhitektura SS7 (Signalling System No. 7) definisana od strane ITU-T ³. SS7 je sistem signalizacije po zajedničkom kanalu (Common Channel Signalling - CCS). To znači da se za prenos signalizacionih poruka (uspostava poziva, raskid, informacije o pretplatniku) koristi potpuno odvojena, namenska paketna mreža podataka, nezavisno od kanala kroz koje se prenosi sam govor (korisnički medijum).

SS7 mreža se sastoji od tri ključna elementa:

• SSP (Service Switching Point): Telefonske centrale opremljene SS7 softverom koje mogu da generišu i primaju signalizacione poruke.
• STP (Signaling Transfer Point): Paketni ruteri zaduženi isključivo za usmeravanje signalizacionih poruka kroz SS7 mrežu na osnovu odredišnih adresnih kodova (DPC - Destination Point Codes).
• SCP (Service Control Point): Centralizovane baze podataka i aplikativni serveri koji omogućavaju napredne usluge poput prenosivosti broja, besplatnih telefonskih brojeva (800 serije) i inteligentnih mreža (IN - Intelligent Network).

Komutacija kola nasuprot komutaciji paketa

Tokom poslednje decenije 20. veka, eksplozivni rast interneta i računarskih mreža doveo je do sukoba dve fundamentalno različite tehnološke paradigme: komutacije kola (tradicionalna telefonija) i komutacije paketa (internet protokoli).

U komutaciji kola, pre nego što komunikacija započne, mora se uspostaviti fiksni put od tačke A do tačke B. Tokom trajanja poziva, resursi na tom putu su ekskluzivno rezervisani za taj par korisnika. Ako sagovornici ćute, propusni opseg (64 kbps) ostaje neiskorišćen, što predstavlja ogroman gubitak efikasnosti u prenosu podataka koji su po svojoj prirodi "rafalni" (bursty).

U komutaciji paketa (zasnovanoj na IP protokolu), podaci se na izvoru dele na manje celine zvane paketi. Svaki paket sadrži zaglavlje (header) sa adresom izvorišta i odredišta. Paketi se šalju kroz mrežu nezavisno jedan od drugog. Ruteri u mreži analiziraju zaglavlje svakog paketa i donose odluku o sledećem skoku (next-hop) na osnovu tabela rutiranja i trenutnog stanja zagušenja na linkovima. Na odredištu se paketi ponovo sklapaju u prvobitni redosled.

Savremena era: IP komutacija, softswitch i IMS

Sa prelaskom na mreže sledeće generacije (NGN - Next Generation Network), telekomunikacioni operateri su započeli proces napuštanja skupih, monolitnih digitalnih TDM centrala i migraciju ka konvergentnoj IP mreži. Da bi se očuvao kontinuitet usluga i omogućilo povezivanje starih telefona sa novom IP infrastrukturom, razvijena je Softswitch arhitektura.

Softswitch arhitektura

Suština Softswitch koncepta je u potpunom razdvajanju ravni upravljanja (Control Plane) od ravni prenosa podataka/medijuma (User/Media Plane). Umesto jednog velikog hardverskog kabineta koji radi sve, funkcije su podeljene na specijalizovane mrežne elemente:

• Media Gateway Controller (MGC) ili Softswitch: "Mozak" sistema. Nalazi se na kontrolnom nivou, izvršava logiku poziva, upravlja signalizacijom (prevodi SS7 u SIP i obrnuto) i kontroliše rad medijskih prolaza.
• Media Gateway (MGW): Nalazi se na nivou prenosa medijuma. On vrši fizičku konverziju analognih ili TDM govornih signala u IP pakete (koristeći RTP - Real-time Transport Protocol) i obrnuto. Komunikacija između MGC i MGW vrši se putem standardizovanih kontrolnih protokola kao što su H.248 (Megaco) ili MGCP ⁴.
• Signaling Gateway (SGW): Vrši konverziju signalizacije na fizičkom nivou (npr. prenos SS7 poruka sa TDM linkova na IP mrežu koristeći SIGTRAN set protokola).

IMS (IP multimedia subsystem)

Kao logična evolucija NGN-a, definisan od strane tela 3GPP, nastao je IMS (IP Multimedia Subsystem) ⁵. IMS predstavlja standardizovanu arhitekturu zasnovanu na IP protokolu koja omogućava pružanje multimedijalnih usluga (glas, video, razmena poruka, prisutnost) nezavisno od pristupne mreže (bilo da se radi o fiksnom širokopojasnom pristupu, Wi-Fi mreži, LTE ili 5G mobilnoj mreži).

U srcu IMS arhitekture nalazi se SIP (Session Initiation Protocol), tekstualni protokol aplikativnog sloja koji se koristi za kreiranje, modifikaciju i terminaciju multimedijalnih sesija sa jednim ili više učesnika.

IMS arhitektura se sastoji od tri glavna funkcionalna entiteta koji kontrolišu sesiju (poznati pod zajedničkim nazivom CSCF - Call Session Control Function):

1. P-CSCF (Proxy-CSCF): Prva kontaktna tačka za IMS terminal (korisnika). Vrši autentifikaciju korisnika, obezbeđuje sigurnost (IPsec) i kompresiju SIP zaglavlja radi uštede propusnog opsega na radio-interfejsu.
2. I-CSCF (Interrogating-CSCF): Mrežni prolaz koji predstavlja ulaznu tačku za sve pozive usmerene ka pretplatnicima tog domena. Njegova osnovna uloga je da kontaktira HSS (centralnu bazu podataka) kako bi saznao koji je S-CSCF dodeljen traženom korisniku i usmerio poziv ka njemu.
3. S-CSCF (Serving-CSCF): Centralni čvor u IMS mreži koji vrši stvarnu kontrolu sesije. On komunicira sa aplikativnim serverima (AS) radi izvršavanja specifičnih usluga (poput prosleđivanja poziva, govorne pošte ili govornih automata) i čuva profil korisnika tokom registracije.

HSS (Home Subscriber Server): Centralna baza podataka u IMS mreži koja sadrži profile korisnika, informacije o registraciji, bezbednosne ključeve i podatke o lokaciji. U modernim 5G mrežama, funkcija HSS-a je integrisana u UDM (Unified Data Management).

Zahvaljujući IMS-u, mobilni operateri su uspešno implementirali VoLTE (Voice over LTE) i VoNR (Voice over New Radio za 5G), čime je glasovni poziv konačno postao samo još jedan paket podataka na čistoj IP mreži, ali sa garantovanim kvalitetom usluge (QoS) kroz dodeljivanje namenskih medijskih kanala visokog prioriteta.

Zaključak

Razvoj komutacionih sistema svedoči o tehnološkoj tranziciji od fizičkog, mehaničkog uspostavljanja kontakta ka potpuno virtuelizovanim i softverski definisanim mrežama. Ručne centrale su postavile temelje mrežne topologije, dok su elektromehanički sistemi dokazali da se kontrolni procesi mogu automatizovati. Digitalizacija i SPC sistemi doneli su neuporedivo veću brzinu i uveli napredne koncepte signalizacije koji su omogućili globalno povezivanje kontinenata u realnom vremenu.

Danas se nalazimo u eri u kojoj je komutacija paketa odnela potpunu pobedu. Sa razvojem tehnologija kao što su SDN (Software-Defined Networking) i NFV (Network Functions Virtualization), moderne komutacione funkcije se više ne izvršavaju na namenskom hardveru. Umesto skupih fizičkih centrala, funkcije upravljanja pozivima i rutiranja paketa realizuju se kao virtuelne mašine ili kontejneri unutar cloud infrastrukture telekomunikacionih operatera. Ova fleksibilnost omogućava dinamičko skaliranje resursa u zavisnosti od trenutnog saobraćajnog opterećenja i otvara vrata za punu integraciju telekomunikacionih mreža sa veštačkom inteligencijom i Internetom stvari (IoT).

---

Reference i fusnote

---

Reference i literatura:

1. Dragoljub Milićević, Uvod u komutacione sisteme, Naučna knjiga, Beograd, 1991.↩

2. ITU-T Recommendation G.711, Pulse Code Modulation (PCM) of voice frequencies, 1988.↩

3. Miodrag Bakrač, Signalizacija u telekomunikacionim mrežama, Akademska misao, Beograd, 2004.↩

4. ITU-T Recommendation H.248.1, Gateway control protocol: Version 3, 2013.↩

5. 3GPP Technical Specification TS 23.228, IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2 (Release 18), 2023.↩

Česta pitanja (FAQ)