第二章 交换网络-2015

1、1二、交换网络二、交换网络n1、时隙：抽样重复频率为8000Hz，即125s抽样一次（采样周期为125s），对每一个话路，每次抽样经过量化以后可编为8位PCM码组，在30/32路PCM系统中，即125s有32个时隙，一个时隙占125/32=3.9 sn2、帧： 125s范围内由32个时隙合成一个帧n复帧：16帧合成一个复帧2n32路PCM的帧结构是数字复接的最基本的系统,它由30话路组成。构成的基群帧结构包含个时隙，通常将作为帧同步时隙。3n2、中国一号信令：为话路时隙，作为本基群线路信号时隙，30个话路只有8bit线路信号,这显然是不够的。为此采用复帧结构，即由16个单帧组成一个复帧（Mul

2、ti-frame）这样安排就可以保证在2ms时间内为每个话路分配到4个信息比特，即信令速率为2Kb/s, 这就是30/32PCM 复帧结构中的随路信令的线路信号速率。45n交换网络的构成和分类交换网络的构成和分类n交换单元交换单元q交换单元的基本概念交换单元的基本概念q开关阵列与空间交换单元开关阵列与空间交换单元q共享存储器型的交换单元共享存储器型的交换单元时间交换单元时间交换单元q共享总线型的交换单元共享总线型的交换单元数字交换单元数字交换单元n交换网络交换网络qTST网络网络主要内容主要内容6 交换交换的基本功能是在任意的入线和出线之间的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接。建立连接。

3、 在交换系统中完成这一基本功能的部件就是在交换系统中完成这一基本功能的部件就是交换网络交换网络，它是交换系统的核心。交换网络是由，它是交换系统的核心。交换网络是由若干个交换单元按照一定的若干个交换单元按照一定的拓扑结构拓扑结构和和控制方式控制方式构成的。构成的。 交换单元交换单元是构成交换网络的最基本的部件。是构成交换网络的最基本的部件。 交换网络有：交换网络有：空分、时分空分、时分 数字、模拟数字、模拟1、交换网络的构成和分类、交换网络的构成和分类7q交换单元的基本概念交换单元的基本概念q开关阵列与空间交换单元开关阵列与空间交换单元q共享存储器型的交换单元共享存储器型的交换单元时间交换单元时

4、间交换单元q共享总线型的交换单元共享总线型的交换单元数字交换单元数字交换单元2、交换单元、交换单元82.1 交换单元的基本概念交换单元的基本概念入线入线出线出线控制端控制端 状态端状态端M X N的交换单元的交换单元00 11M-1N-19入线入线出线出线00 11442323同步时分复用信号的交换同步时分复用信号的交换两种信号的交换两种信号的交换10入线入线出线出线00 1221异步时分复用信号的交换异步时分复用信号的交换0210001222两种信号的交换两种信号的交换11交换单元按使用需要的不同可分为交换单元按使用需要的不同可分为：入线入线0M-1出线出线0 N-1入线入线0M-1出线出线

5、0 N-1出线出线0 N-1入线入线0M-1集中型（集中型（MN）扩散型（扩散型（MN ） 连接型（连接型（M=N）12交换单元按信息流向分为：交换单元按信息流向分为：q 有向交换单元：当信息经过交换单元时只能从入线有向交换单元：当信息经过交换单元时只能从入线 进出线出，具有唯一确定的方向。进出线出，具有唯一确定的方向。q 无向交换单元：交换单元的每条线即可入也可出，无向交换单元：交换单元的每条线即可入也可出， 其入线数必等于出现数。其入线数必等于出现数。出线0 N-1入线0M-1M X N有向交换单元入线/出线0N-1N无向交换单元.13交换单元的性能交换单元的性能q 容量：容量： 交换单元

6、所有入线可以同时送入的总的信息量交换单元所有入线可以同时送入的总的信息量. . 包含两方面的内容，一个是交换单元的入线与出线数目，一个是每条入线上可以送入交换的信息量大小，如模拟信号的带宽与数字信号的速率。q 接口：接口： 交换单元需要规定自己的信号接口标准，即信号形式、交换单元需要规定自己的信号接口标准，即信号形式、速率及信息流方向速率及信息流方向q 功能：功能： 点到点、同发、广播点到点、同发、广播142.2 开关阵列与空间交换单元开关阵列与空间交换单元开关阵列开关阵列q质量：质量： 完成交换动作的速度、任何情况下是否完成交换动作的速度、任何情况下是否能完成指定连接、信息经过交换单元是否有

7、损伤能完成指定连接、信息经过交换单元是否有损伤（时间、语义）（时间、语义）在交换单元内部，要建立任意入线和任意出在交换单元内部，要建立任意入线和任意出线之间的连接，就在每条入线和每条出线之间都线之间的连接，就在每条入线和每条出线之间都各自接上一个开关，所有开关就构成了交换单元各自接上一个开关，所有开关就构成了交换单元内部的内部的开关阵列开关阵列。15M X N有向交换单元有向交换单元01N-101M-1入线出线M X N有向矩形开关阵列有向矩形开关阵列开关阵列的工作原理开关阵列的工作原理出线0 N-1入线0M-1.16N无向方形开关阵列无向方形开关阵列入线入线0 0N-1N-1N无向交换单元无

8、向交换单元0 01 1N-1N-10 01 1N-1N-1入线入线出线出线开关阵列的工作原理开关阵列的工作原理17入线入线/ /出线出线0 0N-1N-1N无向交换单元无向交换单元无向交换单元开关阵列的实现（补充）无向交换单元开关阵列的实现（补充） 若在一个N X N的交换单元中的连接总是对称的，即如果入端i连接到出端j，则入端j一定连接到出端i，那么相同编号的入端和出端可以看作一个同时具有发送和接收信息能力的信息端，既具有N个双向通信的信息端，并且每个信息端都可以和任何其它的信息端相连，这样的交换单元称作N个信息端的无向交换单元，简称N无向交换单元。18N无向交换单元的开关阵列无向交换单元的

9、开关阵列（用双向开关）（用双向开关）入线入线/ /出线出线0 0N-1N-1N无向交换单元无向交换单元0 0 1 1N-1N-11 1N-1N-1无向交换单元开关阵列的实现（补充）无向交换单元开关阵列的实现（补充）2 2N-2N-22 219开关阵列的特性开关阵列的特性q 开关控制简单，从入线到出线具有均匀的单位延迟时开关控制简单，从入线到出线具有均匀的单位延迟时间。间。q 开关阵列适合于构成较小的交换单元（开关数反映了开关阵列适合于构成较小的交换单元（开关数反映了实现的复杂度和成本的高低）。实现的复杂度和成本的高低）。q 交换单元的性能依赖于所使用的开关。交换单元的性能依赖于所使用的开关。q

10、 控制信号简单控制信号简单q 容易实现同发和广播功能容易实现同发和广播功能20继电器：其构成的交换单元是无向的，可交换模拟和数字信息，继电器：其构成的交换单元是无向的，可交换模拟和数字信息，干扰和噪声大干扰和噪声大、动作慢（动作慢（msms级）、体积大（级）、体积大（cmcm级）。级）。模拟电子开关：一般利用半导体材料制成。模拟电子开关：一般利用半导体材料制成。 如：如：MC142100MC142100、MC145100MC145100（4 x 44 x 4开关阵列）开关阵列） 只能单向传送，且衰耗和时延较大。只能单向传送，且衰耗和时延较大。数字电子开关：由简单的由逻辑门构成，用于数字信号的交

11、数字电子开关：由简单的由逻辑门构成，用于数字信号的交 换，开关动作极快且无信号损失。换，开关动作极快且无信号损失。实际的开关阵列实际的开关阵列21 空间交换单元也称为空间交换单元也称为空间接线器空间接线器（Space Space SwitchSwitch），），简称为简称为S S单元单元或或S S接线器接线器，用来实现，用来实现多个输入复用线与多个输出复用线之间的空间多个输入复用线与多个输出复用线之间的空间交换，而不改变其时隙位置。交换，而不改变其时隙位置。2.3 开关阵列与空间交换单元开关阵列与空间交换单元空间交换单元空间交换单元22S S接线器的构成：接线器的构成：交叉点矩阵交叉点矩阵、控

12、制存储器控制存储器交叉点矩阵交叉点矩阵：开关阵列：开关阵列控制存储器控制存储器（CM-Control MemoryCM-Control Memory）：）：q S S接线器所含接线器所含CMCM数量等于入（出）线数数量等于入（出）线数q 每个每个CMCM的所含有的存储单元个数等于入（出）的所含有的存储单元个数等于入（出） 线上的复用时隙数线上的复用时隙数q 每个存储单元为每个存储单元为n n位位bit,bit,且满足且满足N2N2n n, ,其中其中N N 为入（出）线上数为入（出）线上数 空间交换单元的基本结构空间交换单元的基本结构23n空间交换单元的控制方式 空间交换单元的控制方式有两种，

13、分别为输出控制方式和输入控制方式 。所谓输出控制方式就是指每条输出线上有一个控制存储器，输入控制方式就是指每条输入线上有个控制存储器。n空间交换单元的工作原理 1. 输入控制方式24空间交换单元的控制方式空间交换单元的控制方式0 1 20 1 20 1 2TS15 TS8TS15 TS808151272TS8TS8输入控制方式输入控制方式1TS15TS152025 我们以0号输入线上的TS8时隙交换到2号输出线上去，0号存储器的8单元写入2，那么当TS8时隙到来的时候，由控制存储器控制0号入线和2号出线接续，那么就完成了TS8时隙的空间交换。n2.输出控制方式26空间交换单元的控制方式空间交换

14、单元的控制方式0 1 20 1 20 1 2TS15 TS8TS15 TS808152TS8TS8输出控制方式输出控制方式0TS15TS152012727 由图我们可以看出，若输入线0上的TS8时隙要交换到2号输出线上，那么就在2号控制存储器的第8单元写入0，那么当TS8时隙到来的时候，由控制存储器，控制0号输入线和2号输出线链接，这样就完成了TS8时隙的空间交换。282.3、共享存储器型的交换单元、共享存储器型的交换单元时间交换单元时间交换单元01N-1输入信号输出信号共享存储器型交换单元的一般结构工作方式：输入控制、输出控制29 时间交换单元也称为时间交换单元也称为时间接线器时间接线器（T

15、ime Time SwitchSwitch），），简称为简称为T T单元单元或或T T接线器接线器，用来实现，用来实现时隙交换功能。所谓时隙交换是指入线上各个时隙交换功能。所谓时隙交换是指入线上各个时隙的内容要按照交换连接的需要，分别在出时隙的内容要按照交换连接的需要，分别在出线上的不同时隙位置输出。线上的不同时隙位置输出。时间交换单元时间交换单元30T T接线器主要由接线器主要由话音存储器话音存储器（SM:Speech SM:Speech MemoryMemory）和和控制存储器控制存储器( (CM:Control memory)CM:Control memory)构构成。成。SMSM用来暂

16、存话音的数字编码信息，故每个单用来暂存话音的数字编码信息，故每个单元至少应为元至少应为8 8比特。比特。SMSM的容量等于输入复用线上的容量等于输入复用线上每帧的时隙数。每帧的时隙数。CMCM的容量等于的容量等于SMSM的容量；设的容量；设CMCM每个单元的比每个单元的比特数为特数为n n，SMSM的单元数为的单元数为N N，则有则有2 2n n=N=N，N N也就是复也就是复用线上的时隙数。用线上的时隙数。时间交换单元的基本结构时间交换单元的基本结构31 T交换单元有两种控制方式，输出控制和交换单元有两种控制方式，输出控制和输入控制方式。所谓输出控制就是对于话输入控制方式。所谓输出控制就是对

17、于话音存储器来说是顺序写入，控制读出。同音存储器来说是顺序写入，控制读出。同理输入控制就是控制写入，顺序读出。理输入控制就是控制写入，顺序读出。32时间交换单元的控制方式时间交换单元的控制方式顺序写入、控制读出的T接线器的结构示意图AAAWR1520WRSMCM200定时脉冲处理机时钟TS20TS15u 在CLK20时刻，A顺序写入到SM的第20号单元u 在在CLK15 时刻，时刻，CM读出第读出第15号单元号单元的数据的数据20，20选中选中SM的第的第20号单元，号单元，A被读出。被读出。u 以TS20TS15 的实现介绍T接线器的工作原理。u 要实现TS20TS15 的交换，首先要由处理

18、机在CM的15号单元写入20。控制写入、顺序读出的控制写入、顺序读出的T接线器的结构示意图接线器的结构示意图AAAWR2015WRSMCM15定时脉冲处理机时钟TS20TS15u 在在CLK15时刻，时刻，SM第第15号单元号单元中的中的A被顺序被顺序读出。读出。u 在在CLK20时刻，时刻，CM读出第读出第20号号单元的数据单元的数据15，15选中选中SM的第的第15号单元，号单元，A被被写入写入SM的第的第15号单元。号单元。u 要实现TS20TS15 的交换，首先要由处理机在CM的20号单元写入15。工作原理： 顺写控读的T接线器PCM入线上各时隙的话音信号在定时脉冲的控制下按时隙号顺序

19、地写入到话音存储器，然后在控制存储器的控制下读出到指定的时隙上。 控写顺读的T接线器PCM入线上的各时隙的话音信号在控制存储器CM的控制下写入到话音存储器的指定存储单元，然后在定时脉冲的控制下顺序读出。备注:顺写控读的T接线器中，定时脉冲作为SM写入数据时存储单元的地址，控制存储器CM的输出数据作为SM读出数据时存储单元的地址。36 思考题：我们这里讲的控制方式都是思考题：我们这里讲的控制方式都是对话音存储器而言，那么对于控制存储器对话音存储器而言，那么对于控制存储器来说，他们的控制方式又为什么？来说，他们的控制方式又为什么？ T接线器的CM是按控制写入顺序读出的方式工作，原理与S接线器的CM

20、相同。 定时脉冲由环形计数器输出，输出数据值与时隙时刻值相等。373、交换网络、交换网络交换网络交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络。扑结构和控制方式构成的网络。交换网络的三个基本要素是：交换网络的三个基本要素是：交换单元交换单元、不、不同交换单元间的同交换单元间的拓扑连接拓扑连接和和控制方式控制方式。38交换网络的一般结构交换网络的一般结构控制单元出线入线交换单元交换单元交换单元交换单元交换网络39单级交换网络和多级交换网络单级交换网络和多级交换网络交换网络按拓扑连接方式可分为：单级交换网络交换网络按拓扑连接方式可分为：单级交换网络

21、多级交换网络多级交换网络出线出线0 N-1入线入线0M-1单级交换网络单级交换网络交换交换单元单元40单级交换网络和多级交换网络单级交换网络和多级交换网络 如果一个交换网络中的交换单元可以分为如果一个交换网络中的交换单元可以分为N级，顺序级，顺序命名为第命名为第1,2,N级，并且满足：级，并且满足： 所有入线都只与第所有入线都只与第1级交换单元连接；级交换单元连接； 所有第所有第1级交换单元都只与入线和第级交换单元都只与入线和第2级交换单元连接；级交换单元连接； 所有第所有第2级交换单元都只与第级交换单元都只与第1级和第级和第3级交换单元连接；级交换单元连接； 依此类推，所有第依此类推，所有第

22、N级交换单元都只与第级交换单元都只与第N-1级和出线级和出线连接；连接； 则称这样的交换网络为则称这样的交换网络为多级交换网络多级交换网络，或，或N级交换网络级交换网络。41多级交换网络的拓扑结构可用三个参数来说明：多级交换网络的拓扑结构可用三个参数来说明： 每个交换单元的容量每个交换单元的容量 交换单元的级数交换单元的级数 交换单元间的连接通路（链路）交换单元间的连接通路（链路）单级交换网络和多级交换网络单级交换网络和多级交换网络42多级交换网络多级交换网络(nm x nm两级交换网络两级交换网络)O1n-1O1n-1O1n-1O1m-1O1m-1O1m-1OO11m-1n-1 1级级2级级

23、43多级交换网络的内部阻塞多级交换网络的内部阻塞 若出、入线空闲，但因交换网络级间链路被占用而若出、入线空闲，但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象，称为多级交换网络的内部阻塞。无法接通的现象，称为多级交换网络的内部阻塞。严格无阻塞网络严格无阻塞网络： 不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。的，而不会影响网络中已建立起来的连接。44可重排无阻塞网络可重排无阻塞网络： 不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换

24、网不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接，只要络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。立起来的连接。广义无阻塞网络广义无阻塞网络： 指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能，但又可指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能，但又可能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可避免，能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排网络中已建立起来的连接。而不必重新安排网络中已建立起来的连接。多级交换网络的内部阻塞多级

25、交换网络的内部阻塞453.1 CLOS网络网络 为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性，为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性，CLOS C.很早就提出一种多级结构，推出了严格无阻塞的很早就提出一种多级结构，推出了严格无阻塞的条件，这就是著名的条件，这就是著名的CLOS网络。网络。1 1n n1 1n n1 1n n1 1n n1 11 1m m 1 1r r1 11 1 r rm mm mm mm m1 11 11 11 11 11 11 11 1r rr rr rr r3级级CLOS网络网络46在最坏情况下，中间级会有（在最坏情况下，中间级会有（n-1）X 2个交换单元被个交换

26、单元被占用，因此中间级至少要有（占用，因此中间级至少要有（n-1）X 2+1=2n-1个交换个交换单元，即单元，即m2n-1时，可确保无阻塞（严格无阻塞）。时，可确保无阻塞（严格无阻塞）。CLOS网络网络473.2 TST网络网络TST网络是在电路交换系统中经常使用的一种交换网网络是在电路交换系统中经常使用的一种交换网络，它是三级交换网络，两侧为络，它是三级交换网络，两侧为T接线器，中间一级为接线器，中间一级为S接线器，接线器，S级的出入线数决定于两侧级的出入线数决定于两侧T接线器的数量。接线器的数量。第第1级级T接线器：负责输入母线的时隙交换。接线器：负责输入母线的时隙交换。S接线器：负责母

27、线之间的空间交换交换。接线器：负责母线之间的空间交换交换。第第2级级T接线器：负责输出母线的时隙交换。接线器：负责输出母线的时隙交换。481、TST网络结构网络结构nTST交换网络结构如图所示 ,该TST网络具有32条双向时分复用线，并且每条时分复用线上有32个时隙，注意TST交换网络编号相同的入线与出线共同组成一条双向时分复用线。TST交换网络的第1级有32个T接线器，分别连在每一条输入线上，第2级为一个3232的S接线器，第3级由32个T接线器组成，分别连在每一条输出线上。 490 310 31ababCMC0 CMC31TS2TS3105213131TS2TS31S(输入控制输入控制)T

28、S7TS2100312a5231b312121 22b315a31CMA0CMA31SMA0SMA31SMB0SMB31CMB31CMB0aabbTS21TS5T(输出控制输出控制)T(输入控制输入控制)ABAB502、TST网络工作原理网络工作原理n下面我们以以上图为例来说明TST网络是如何工作的。假设复用线0上TS2与复用线31上TS31存在信息交换，注意这是两个方向上的信息交换：AB与BA方向。51（1）在建立通路的时候，在中间级S接线器上应选择一个对其入线0与出线31都空闲的内部时隙进行AB方向的信息交换，假设这个内部时隙为TS5；中间级S接线器同时还要选择一个对其入线31与出线0都空

29、闲的内部时隙进行BA方向的信息交换，假设这个内部时隙为TS21； 52（2）那么第1级与复用线0相连的T接线器的工作目的就非常明显了，它的工作是要将复用线0上TS2来的信息交换到内部时隙TS5上去，为此在它的CMA0中第5个单元中写入2；当内部时隙TS5到来的时候，中间级S接线器完成该信息从复用线0交换到复用线31，为此在CMC0中第5个单元写入31；最后由第3级T接线器完成复用线31上由内部时隙TS5到最终输出时隙TS31上的信息交换，为此在CMB31中第5个单元写入31；53（3）复用线0的 TS2到来时，TS2上信息a按顺序写入复用线0对应的第1级T接线器（输出控制）SMA0的第2个单元。当TS5时隙到来时，从CMA0中第5个单元读出数据2，即将SMA0中第2个单元信息a放到内部时隙TS5上去；同时中间级空间接线器（输入控制）从CMC0中第5个单元读出数据31，打开入复用线0与出复用线31之间的开关，