交换技术基础

2.1电路交换的发展2.3交换单元与交换网络2.2电路交换基础2.4交换网络第二章电路交换原理2.1电路交换的发展1878年，世界第一部电话交换机——磁石交换机1892年，史端乔发明第一部自动电话机——步进制交换机1926年，瑞典——纵横制交换机1946年，第一台程控交换电子计算机，1965年第一个程控交换系统。程控交换技术大致经历了四代。

2.1电路交换的发展20世纪60年代，大型专用计算机集中控制20世纪70年代，应用PCM技术，开始研制数字交换设备，1970年拉尼翁开通了第一个程控数字交换系统E1020世纪80年代，在程控数字交换机中引入分散控制方式20世纪80年代末，程控数字交换机同时具有电路交换和分组交换的功能。第一套万门数字程控交换机HJD04机2.2电路交换基础电路交换：两个用户在相互通信时使用一条物理链路，在通信过程中自始至终使用该条链路进行信息传输，同时不允许其它用户终端设备共享该链路的通信方式。特点：固定分配带宽，电路利用率低；一定的连接建立时延，实时传输；无差错控制措施，对于数据交换的可靠性没有分组交换高；适合于电话交换、文件传送、高速传真，不适合突发业务和对差错敏感的数据业务。本局呼叫过程送拨号音（待收号）主叫侧交换机收号（停拨号音）号码分析，发现为本局呼叫若被叫闲，呼叫被叫（铃流、回铃音）停铃流，建立通话电路释放话路主叫摘机拨号被叫摘机主叫或被叫挂机话机交换机呼叫处理电路交换基本过程2.2电路交换基础补充：信号复用方式频分复用波分复用码分复用时分复用（1）频分复用将来自于不同源端的信息调制在不同频率的载波上，形成要发送的信号，然后将各信号合在一起并通过一条高带宽的链路进行传输。主要用于模拟电信号，对应的链路是电缆等电信号传输介质。（2）波分复用将来自于不同源端的信息调制在不同波长的载波上，形成要发送的信号，然后将各信号合在一起并通过一条高带宽的链路进行传输。主要用于光信号，其使用的载波是光信号，对应的链路是光纤传输介质。（3）码分复用将来自于不同源端的信息分别用不同的伪随机码进行信息编码，形成要发送的信号，然后将各信号合在一起并通过一条高带宽的链路进行传输。在码分复用系统中，接收端必须用同样的伪随机码才能正确解码。主要用于数字电信号和光信号。（4）时分复用采用时间分割的方法，将一条高速数字通道在时间轴分成若干个时隙间隔，来自于不同源端的信号在该通道的不同时隙间隔上传输。主要用于数字电信号和光信号。

时分复用又可分为同步时分复用和统计时分复用。

1）同步时分复用。将时间划分为以帧为单位的等时间间隔，每帧再进一步划分为等数量等间隔的时隙且对这些时隙按顺序编号，所有帧中编号相同的时隙位置用于传送来自于同一源端的信号，同步的含义在于时隙位置与源端信号是严格对应的，在一次通信建立后的交换过程中，时隙位置与源端信号对应关系一旦确立，其关系就保持固定不变。易见，知道时隙位置，就可以知道该位置上的信号来自于哪个源端。2）异步时分复用（统计时分复用）。将时间划分为若干个等间隔或不等间隔的时隙，每个时隙位置用于传送来自于一个源端的信号，但信号与时隙位置没有固定的对应关系。正是由于信号与时隙位置之间没有固定对应关系这一原因，所以，不同于同步时分复用方式，统计时分复用方式中每个时隙位置上的信号都含有一个附加的标志头，该标志头信息用于标志该信号来自哪个源端以及用于转接设备进行转接处理，而同步复用方式无需添加标志头。

2.3.1交换单元的基本概念2.3.2时间接线器的基本原理2.3.3空间接线器的基本原理2.3交换单元与交换网络

2.3.1交换单元

交换单元是构成交换网络的基本部件。用多个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式即可构成交换网络。交换单元的基本功能：在任意的入线和出线之间建立连接，或将入线上的信息传递到出线（一）基本概念

···M×N交换单元···入线出线控制端状态端0101M-1N-1

2.3.1交换单元交换单元如何建立信息传送通道（连接）。对于同步时分复用信号（实连接）

对于统计复用信号

（虚连接）

（二）信息交换方式

······入线出线12M12N（a）同步时分复用信号···入线出线12M12N···2NN1121122NN（b）统计复用信号

2.3.1交换单元集中型：M＞N，也称为集中器。扩散型：M＜N，也称为扩散器。分配型：M=N，也称为分配器。（三）交换单元的分类

12M······1N入线出线(a)集中型1M······1N入线出线(b)扩散型入线1M······1N出线(c)分配型

2.3.1交换单元有向交换单元无向交换单元（2）根据信息流向

交换单元的连接特性连接的表示形式函数表示形式排列组合表示形式常用的连接函数直线连接交叉连接均匀洗牌连接

2.2.1交换单元接口，交换单元需要规定信号接口标准，不同交换单元进行交换的信号形式不同。容量，交换单元所有入线同时传送的总信息量。功能，建立连接质量，连接建立情况（成功率、速率），信息传输损伤（时延，信噪比降低）。（四）交换单元的性能

（五）几种典型的交换单元共享存储型交换单元空分阵列型交换单元总线型交换单元数字交换单元DSE1.共享存储器型交换单元

1213N存储器2N···输入信号输出信号213N（五）几种典型的交换单元工作方式：输入缓冲输出缓冲

时间接线器

语音存储器（SM）:暂存话音编码信息。SM单元数由输入复用线上每帧的时隙数决定。控制存储器（CM）：存储输入或输出话音信息的时隙地址。CM单元数与SM单元数相同，每个存储单元存放SM的地址。基本组成：完成同一条时分复用线上时隙之间的信息交换。

时间接线器（1）顺序写入，控制读出（输出控制）（2）控制写入，顺序读出（输入控制）工作方式“顺序写入”、“顺序读出”的“顺序”是指按照话音存储器的地址顺序，由脉冲控制。“控制读出”、“控制写入”的“控制”是指按控制存贮器各单元定义的内容控制话音存储器的读出或写入。

时间接线器032731TS27TS3TS27TS3273032731RWWR时钟控制电路时钟控制存储器话音存储器3

AB用户A，TS3用户B，TS27顺序写入，控制读出输出时隙流输入时隙流

（1）顺序写入，控制读出在整个交换过程中，控制存储器CM控制信息交换的转发表。转发表由处理机构建。处理机为输入时隙选定一个输出时隙后，控制字就写入控制存储器。于是，每一帧都重复以上读写过程，输入第3时隙的话音信息，在每一帧中都被交换到输出的第27时隙中去。0331TS27TS3TS27TS3273032731RWWR时钟控制电路时钟控制存储器话音存储器2727

AB用户A，TS3用户B，TS27控制写入，顺序读出输出时隙流输入时隙流

（2）控制写入，顺序读出控制写入、顺序读出的原理与顺序写入、控制读出相似。

不同的是：控制存储器写入的是话音存储器的写入地址，以此来控制话音存储器的写入。由于是顺序读出，故在输出时第27时隙读出话音存储器第3单元内容，同样完成了第3个输入时隙与第27个输出时隙的交换。表示符号T[k][k]对于时间交换单元，因为时隙交换的关系，所以每个时隙的信号在经过存储器后都会有大小不等的时延。最大的情况发生在一个时隙的信号在写入存储器后需要等到一帧后才可读出。时间交换单元会带来交换时延吗？如有，最大时延是多少？问题：T接线器的复用和分路复用器工作原理空分交换单元（开关矩阵）空分阵列型交换单元

工作原理：控制开关的闭合就能建立任意入线和任意出线之间的连接。性能：取决于开关类型信号：模拟/数字/光波入线出线空分交换单元的特点空间接线器

（1）控制简单，时延均匀。（2）交叉点数是入线数和出线数的乘积。适合构成较小的交换单元。（3）容易实现多播和广播。入线出线

交叉矩阵：由按时隙通断的开关组成。控制存储器：对交叉接点矩阵开关进行控制。完成不同时分复用线之间同一时隙的信息交换。基本组成输入线1输入线2输入线3输入线n输出线1输出线nN×N交叉点矩阵空间接线器

空间接线器（1）输入控制方式（2）输出控制方式工作方式

（1）输入控制方式对应于每条入线配置一个控制存储器。由于它要控制入线上每个时隙接通到哪一条出线上，所以控制存储器的容量等于每条复用线的复用度，而每个单元的位数则决定于选择输出线的地址码位数。在每一帧期间，处理机依次读出控制存储器各单元的内容，控制矩阵中相应交叉点的开关。这里的控制存储器就是控制接续的转发表。输入控制方式工作原理TS1012141531TS14PCM1PCM2TS14TS1PCM1PCM201100011CM0CM121输入线输出线输入控制方式

（2）输出控制方式每条出线配一个控制存储器。由它控制出线上每个时隙接通到哪一条入线，所以控制存储器的容量等于每条复用线复用度，而每个单元的位数则决定于选择输入线的地址码位数。在每一帧期间，处理机依次读出控制存储器各单元的内容，控制矩阵中对应交叉点的开关。这里的控制存储器就是控制接续的转发表。输出控制方式工作原理TS1012141531TS14PCM1PCM2TS14TS1PCM1PCM210010011CM1CM012输入线输出线输出控制方式

空间接线器空间交换单元的交叉接点按时隙高速接通与断开。如一帧中有不同时隙的信码要交换到同一条输出线上，则在CM控制下的交叉接点在一帧内就要开、关若干次。即:每个交叉节点是时分复用的。m×mS接线器······12m12m[k][k][k][k][k][k]表示符号TS220431CMC0CMC1CMCnHW0HW1HWnHW0HW1HWnTS4TS4TS22…

…

…

…

…

…

1n…

22输入控制方式单元地址为时隙号，内容为HW号（输出）TS4HW0HWn

TS22HWnHW1

TS4HW0HWn

TS22HWnHW1

TS4TS22TS4TS220431CMC0CMC1CMCnHW0HW1HWnHW0HW1HWn…

…

…

…

…

…

n0…

22输出控制方式单元地址为时隙号，内容为HW号（输入）TS4HW0HWn

TS22HWnHW1

TS4HW0HWn

TS22HWnHW1

TS4HW0HWn

TS22HWnHW1

2.4交换网络构成要素：交换单元、拓扑连接和控制方式。交换单元交换单元······交换单元交换单元······控制单元······入线出线2.4.2交换网络由一个交换单元或若干个位于同一级的交换单元构成。（一）单级交换网络

交换单元···线入线出···(a)一个交换单元交换单元······交换单元······交换单元······线入线出(b)同级多个交换单元2.2.2交换网络多级交换网络拓扑结构可以用三个参数表示：交换单元容量，级数，连接通路数（链路数）。（二）多级交换网络

···1142···143···144···141···142···143···144···14······1414141414141414线入线出2.2.2交换网络交换单元···入线出线···单级网络交叉接点数：16×16=256。两级网络交叉接点数：4×4×8=128。1616···1142···143···144···141···142···143···144···14······1414141414141414入线出线1616

由于内部链路忙而导致呼叫损失掉的情况称为节点内部阻塞。按照数据通信的观点，内部阻塞也可称为冲突。（一）内部阻塞

11n21n···m1n11m21m···n1m1n1n1n1n1n1n入线出线1（三）数字交换网络

T－S，S－TT－S－T，S－T－ST－S－S－TT－S－S－S－T,S－T－T－T－ST－T－T……DSN、BANYAN型（三）数字交换网络T—S—T交换网的组成1210...

10交叉矩阵1210...TTS如T=512TS，TST网络可实现5120时隙之间的交换。

T-S-T交换网工作原理工作方式：两侧时间接线器工作方式必须相反。中间时隙的确定：反相法；奇偶法如选定一个方向的时隙为X，则另一个方向中间时隙为X+n/2。【X+1】双向通路的建立

主叫被叫：正向通路

被叫主叫：反向通路数字交换网络T-S-T交换网工作原理

输入线0、TS2的A用户输出线2、TS20的用户B（三）数字交换网络TST交换过程举例：正向通路：AB中间时隙：7反向通路

BA中间时隙：23TST网络组成和工作原理AA20AAAA001231031？310003120310CMC-2SMA-0CMA-0CMA-2CMB-2SMB-2TS20TS7TS23TS7TS2TSTAB0310SMB-0CMC-02BBB031310SMA-2TS202BBB31231？0CMB-0TS2TS23020222TST网络组成和工作原理AA20AAA20A001231031731700031203170CMC-2SMA-0CMA-0CMA-2CMB-2SMB-2TS20TS7TS23TS7TS2TSTAB031230SMB-02CMC-02BBB2003131230SMA-2TS202BB2B31231230CMB-0TS2TS230202AB27727027TST网络组成和工作原理2BBBB2BB200312312303123031023131CMC-0SMA-2CMA-2CMB-2CMB-0SMB-0TS2TS23TS7TS23TS20TSTAB0200CMA-0SMA-0AA2A0012310317TS7TS203170CMC-2AA20A0312070SMB-2TS2022230BATS70731TS23TS23TS7020CMC-2CMC-0023310123107310203102331031023310310731TS2TS20TS20TS20222020SMA-0CMA-0CMA-2SMA-2SMB-0CMB-0SMB-2CMB-220TST交换过程示意图2073120731207312TS5TS5写读方式TS5129TS5129（3）TTT型交换网络图3-20TTT三级交换网络的结构16-1复用器输入控制8-1复用器输出控制8-1复用器输出控制图中假设在输入/输出端各有128条HW(0～127)，A、B两级T型交换网络各有16个T接线器（TA0～TA15，TB0～TB15）；中间C级有8个接线器（TC0～TC7）；每个输入/输出HW有32个时隙，128个HW共4096个时隙；TA、TC采用输出控制方式，TB采用输入控制方式。设A用户在这次呼叫中占用HW0的TS1，B用户占用HW127的TS31，则这两个用户通过TTT交换网络交换：A→B方向的内部链路选定为TS80和TS111；B→A方向的内部链路选定为TS79和TS112优点：在同样交换容量的情况下，采用多级T结构可以减少交换单元（芯片）的数量缺点：控制方式复杂。阻塞率比单T高，但是相对来说微不足道。2.4.2T-S-S-T交换网络T-S-S-T交换网络中间两级是S接线器，两端各为T接线器。图2.25是T-S-S-T四级交换网络的示意图。

2.4.3CLOS网--无阻塞网络

CLOS网络：为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性，CLOSC.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CLOS网络。11n······1mr1n······1m1r···r···111r······1r1···1m1m······1n1m······1n1r·········容量记为：C（m,n,r）

CLOS网络

条件：中间接线器数m≥(n-1)×2+1=2n1

或m≥n入

+n出12.4.3网络阻塞与CLOS网（二）无阻塞网络

11n······1mr1n······1m1r···r···111r······1r1···1m1m······1n1m······1n1r·········多级CLOS网络采用子网嵌套法，可由三级构造多级CLOS网络，如5、7、9级等。

3．数字交换单元同时完成时间和空间的交换功能。图3-21DSE的基本结构（2）DSE的工作原理图3-22DSE交换示例以RX5的信道（时隙）CH12的信息S交换到发送端口TX8的TS18为例：图3-23DSE工作原理

2.4.4DSN网络

数字交换网络(DSN)是上海贝尔生产的电路交换系统中使用的典型的交换网络，它是由多个总线型交换单元DSE，按照一定的连接方式连接而成。DSN采用单侧折叠式网络结构，这种网络结构的所有出入线处于同一侧，并使任何一个网络终端具有唯一的地址。DSN扩充方便，可平滑地进行扩充。在交换网络需要扩充时，对原网络的结构不需改动。1)DSN网络的结构:DSN是多级交换网络，它由入口级和选组级两大部分组成。2)DSN网络的连线方式2.4.5BANYAN网络

BANYAN网络概念

BANYAN网络是一种空分的交换网络，由若干个2×2个交换单元组成的交换网络，主要应用在ATM交换机。2×2的交换单元有两种不同的连接方式，平行连接和交叉连接，能够完成不同编号的入线和出线的连接。图2.28BANYAN交换单元图2.298×8的三级BANYAN网络2)BANYAN网络