第2部分-交换单元及交换网络话务理论VIP

交换技术基础学习要点：通信协议及网络分层电信交换基本技术交换单元及交换网络基本话务理论及通信网服务质量分层的好处

降低网络设计的复杂度方便异构网络的互连互通增强网络的可升级性促进竞争和设备制造商的分工通信协议及网络分层协议通信网中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议(networkprotocol)，简称为协议。在分层结构中，协议指位于一个系统上的第N层和另一个系统的第N层实体通信（对等层）时所使用的一组规则或约定的集合网络协议的组成要素语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明。通信网的体系结构通信网的体系结构(architecture)是指由其分层结构和相应的协议构成的一个集合电信交换技术基础电信交换的基本技术包括接口技术、信令技术、控制技术和互连技术接口技术：用户线和中继线分别接在交换系统的用户接口和中继接口，不同类型的交换系统具有不同的接口，如模拟、数字、无线。接口技术主要由硬件实现信令技术：电信交换离不开信令。信令控制用户间的呼叫连接，完成交换功能信令的本质是通信系统中各个组成部分之间，为了建立通信连接及实现各种控制而必须要传送的一些信息信令协议或信令方式

电信交换技术基础控制技术：控制功能控制交换接续，主要由由软件实现互连技术：实现任意入线与任意出线之间的互连是交换系统最基本的功能按照不同交换方式的要求，可以是物理的实体连接，也可以是逻辑的虚连接交换系统是利用互联网络实现互连功能的，该互连网络又称为交换网络（交换机构）

互连技术互联技术涉及的内容有：拓扑结构：交换网络具有一定的拓扑结构，拓扑结构说明的是网络的几何逻辑关系，时分结构：包括共享媒体和共享存储器空分结构：由交换单元构成的单级或多级拓扑结构，“空分”的意思是指在拓扑结构内部存在着多条并行的通路，每条通路仍然可以采用时分复用的方式选路策略：交换节点内部的选路，即在交换网络指定的入端与出端之间选择一条可用的路径互连技术控制机理多播方法：将某一入端的信息同时传送到所需的多个出端，即点到多点通信阻塞特性：阻塞指在呼叫建立或用户信息传送时，由于交换网络拥塞而使呼叫不能建立或用户信息不能传送而遭受损失的现象连接阻塞（电路交换）传送阻塞（虚连接中的阻塞，带宽不够用）有阻塞和无阻塞可靠性保障：除了提高硬件的可靠性外，通常配置双套冗余结构阻塞特性从阻塞的特性看，交换网络可分为有阻塞网络和无阻塞网络，无阻塞网络又分为：严格无阻塞：又称为Clos网络。是指无论交换网络原先处于何种占用状态，总可以建立任何出、入端之间的连接而无内部阻塞广义无阻塞：对任何呼叫连接，只有遵循特定的选路规则才能做到无阻塞再配置无阻塞：指总可以通过对已建立连接所用的通路进行调整，以建立任何新的无阻塞连接交换节点高度抽象的系统结构

123456789*8#用户接口功能互连功能中继接口功能控制功能用户线中继线到其他交换机信令功能.

在控制功能管理下，按需求提供连接通路。依照呼叫用户的需求，并结合交换设备的性能指标、资源状态完成相应的接续操作，维持设备正常运行。接收终端的状态及信令消息转换成适合控制功能处理的消息格式，或相反过程。适配外部线路传输特性，信号格式转换，协同信令功能收发信令。1、交换单元模型交换单元（SwitchElement--SE）是构成交换网络的最基本的部件，若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式连接起来就可以构成各种各样的交换网络。交换单元对外的特性只有一组入线（信息输入端）和一组出线（信息输出端），如图2.1所示。图2.1M×N的交换单元交换单元及交换网络若M=N，则称对称交换单元2、交换连接当有信号到达交换单元的某条入线需要进行交换时，交换单元可根据外部送入的命令或根据信号所携带的出线地址，在交换单元内部建立通道（称内部通道）,将该入线与出线连接起来。“内部通道”通常被称为“连接”—建立连接、拆除连接图2.2交换连接示意图入线0123401234出线对交换单元有多种分类方法，可以从不同的角度对交换单元进行分类，一般采用以下2种分类方法。（1）按照入线与出线上信息传送的方向是单向还是双向可以把一个交换单元分为有向交换单元与无向交换单元，如图2.3所示。图2.3交换单元分类1：有向与无向3、交换单元分类入端组和出端组内部不能相连M=N，且把相同编号的入端和出端合一起信息流动总是从入端到出端（2）按照交换单元入线与出线的数量关系可以把一个M×N的交换单元分为集中型，连接型以及扩散型，如图2.4所示。图2.4交换单元分类2：按照入线与出线数目4.交换单元的性能对于交换单元，我们通过以下几个指标来描述其特性：（1）容量交换单元的容量，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。因此交换单元的容量就是交换单元所有入线可以同时送入的总的信息量。（2）接口在不同的线路上允许传送的信号往往不一样，同样，在不同的交换单元入端上可以接收的信号也往往不同。因此，需要规定交换单元的信号接口标准。（3）质量一个交换单元的质量主要体现在两个方面，一个是完成交换功能的能力，它通常指交换单元完成交换动作的速度，以及是否在任何情况下都能完成指定的连接；另一个是信息是否存在损伤，如信息经过交换单元的时延或其它损伤,如误码率增加。基本交换单元1、开关阵列在交换单元内部，要建立任意入线和任意出线之间的连接，最简单最直接的想法就是使用开关，所有的开关就构成了交换单元内部的开关阵列。若交换单元的每条入线能够与每条出线相连接，则被称为全连接交换单元；若交换单元的每条入线只能够与部分出线相连接，则被称为部分连接交换单元或非全连接交换单元。若交换单元是由空间上分离的多个小的交换部件或开关部件按一定的规律连接构成的，则称为空分交换单元。开关阵列是一种空分交换单元。几种典型的交换单元，有不带存储功能的开关阵列、总线，带存储功能的存储型交换单元

开关阵列在拓扑结构上可排成方形或矩形二维阵列，并分别被称为N×N方形开关阵列和M×N矩形开关阵列。位于第i行j列的开关记为Kij

图2.5M×N有向矩阵开关阵列图2.6M×N无向矩阵开关阵列任何给定的入线到出线的通道上只存在一个开关，即每条入线和出线的组合都对应着一个单独的开关开关阵列的主要特性：（1）任何时刻，任何入线都可连至任何出线。开关控制简单，具有均匀的单位延迟时间。（2）一个交叉结点代表一个开关，因此通常用交叉点数目表示开关数目。（3）一列开关只能有一个处于接通状态。（4）一行开关部分或全部处于接通状态时，开关阵列很容易地实现了同发功能和广播功能（4）开关阵列组成的交换单元的性能取决于所使用的开关（5）开关阵列具有控制端（控制开关的通断）和状态端（接通或断开），控制端和状态端均可用二值电平“0”或“1”来表示

在实际应用中，一般存在三种开关阵列：电磁继电器、模拟电子开关与数字电子开关。电磁继电器（利用继电器的吸合与断开控制交叉点）一般构成小型的交换单元，所构成的交换单元是双向的，可交换模拟和数字信息，其缺点是干扰和噪声大、动作慢（ms级）、体积大（cm级）。模拟电子开关一般由半导体材料制成，可双向传送信息，且衰耗和时延较大。但模拟电子开关的开关动作比继电器快得多，构成的交换单元与继电器构成的交换单元相比，体积小，一般用来代替继电器构成小型的交换单元。数字电子开关由简单的逻辑门构成，如数字多路选择器或分配器来实现。其开关动作极快且无信号损失，用于完成数字信号的交换，目前得到广泛的应用。选择器…………01M-101M-1入线入线出线出线一列出线开关复接等效M选1选路器……01N-1入线出线分配器……N-110出线入线一行入线开关复接等效1选N分配器用N个M选1多路选择器或M个1选N多路分配器，都可构成M×N的交换单元2、总线型交换单元共享总线型交换单元的一般结构如图2.8所示，总线型交换单元有N条入线与N条出线，每条入线都经过各自的入线控制部件连接到总线上去，同时每条出线也都经过各自的出线控制部件连接到总线上去。

出线控制部件出线控制部件出线控制部件入线控制部件入线控制部件入线控制部件…………总线入线出线总线控制逻辑入线控制部件的功能是接收入线信号，进行信号的格式变换，放到缓冲存储器中，在相应时隙到来时将输入信号发送到总线上去，设输入部件每隔τ时间获得一个时隙，输入端输入的信号速率为V比特/秒，则输入部件缓冲存储器的容量至少应为Vτ比特。出线控制部件的功能是检测总线上的信号，将属于本端口的信息读出到一个缓冲存储器中，进行格式变换，然后由出线送出。设输出部件每隔τ时间获得一组信息量，且该组信息量为常数，输出端输出的信号速率为V比特/秒，则输出部件的缓冲存储器的容量至少应为Vτ比特。总线主要包括数据总线（传送信号）和控制总线，由于数据线数的多少与交换单元的容量密切相关，因此通常把总线含有的数据线数叫做总线的宽度。总线时隙按一点的规则分配综合，总线上的信号是一个同步时分多路复用信号，并且所有的输入信号将被复合成一个信号。设总线型交换单元有N条入线，每条入线上传送的同步时分复用信号的速率为V，则总线上的信号速率就是NV，因此当N增大时，总线上传送的信息速率会增大，该速率以及入、出线控制电路的工作速率是有极限的，因此入出线数以及所传送的信号速率不能超过一定的值。由于上述因素的限制，设总线上的一个时隙长度不能超过T，并且在一个时隙中只能传送B个比特，则有下列等式成立：kNV=B/T（总线上单位时间内传送的数据），k为时隙分配规则因子，k<=1（固定分配、按需分配）。3、共享存储型交换单元共享存储型交换单元适用于交换各种时分复用数字信号，包括同步时分复用信号和异步统计复用信号。

共享存储型交换单元的核心部件是存储器，被划分为N个单元，N路输入数字信号分别送入存储器的N个不同的单元中暂存，然后再分别输出。

共享存储型交换单元的工作方式有下列两种输入缓冲。N路信号顺序写入N个存储单元，读出时按照要求有控制有选择的读出所需单元的信号。输出缓冲。N路信号按要求有控制有选择的写入N个存储单元，读出时按顺序读出，这种交换单元称为输出缓冲交换网络1、交换网络的基本概念交换网络可分为单级交换网络和多级交换网络单级交换网络是由一个交换单元或若干个位于同一级的交换单元构成的。需交换的信号在单级交换网络中一次通过，即一次入线到出线的连接，只经过一个交换单元...入线出线交换单元（a）一个交换单元...交换单元...入线出线交换单元...交换单元……（b）单级多个交换单元图2.9两种形式的单级交换网络示例(b)中不同交换单元的入线和出线之间不能建立连接，不能算是真正的交换网络交换网络的基本概念将若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式连接起来，就构成了多级交换网络，其基本结构如图2.10所示多级交换网络的三大基本要素：交换单元、交换单元之间连接的拓扑连接和控制方式图2.10多级交换网络的一般结构控制单元(1).多级交换网络定义多级交换网络由多级交换单元构成，如果一个交换网络中的交换单元可以分为K级，顺序命名为1,2,……，K级，并且满足以下条件，则称这样的交换网络为多级交换网络（K级交换网络）所有的入线都只与第一级交换单元的入线连接所有的第1级交换单元的出线都只与第2级交换单元的入线相连依次类推，第K-1级的出线只与第K级的入线相连，第K级交换单元的出线作为整个交换网络的出线多级交换网络的拓扑结构用三个参量来说明：交换单元的容量、交换单元的级数、交换单元之间的连接通路（链路）(2).内部阻塞（多级交换网络会出线内部阻塞问题）....................................000001011111n-1m-1m-1n-1m-1n-1第1级第2级图2.11nm×nm两级交换网络0101m-1n-1......第一级同一交换单元不同编号的出线分别接到第二级不同交换单元相同编号的入线上，交换网络的nm条入线中的任何一条均可与nm条出线中的任一条接通特点：第一级的每一个交换单元与第二级的每一个交换单元之间仅存在一条链路，一旦被占用，其余任何入线与出线都无法接通(2).内部阻塞出、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多级交换网络的内部阻塞。若用计算机的术语，阻塞也可称为冲突，即不同入线上的信息试图占用同一条链路（级间链路）。单级交换网络是不存在内部阻塞的，且它的控制比多级网络简单，时延短（时延与级数成正比），但交叉节点数C=N2，N增大，C增大很快。一般而言，交换网络中交叉点越多，成本越高，建立连接的路径也越多，阻塞的机会也越少，连接能力也越强。交换网络拓扑设计的目标在满足一定连接能力（无阻塞）的要求下，尽量最小化交叉数，容量相同的多级交换网络比单级交换网络相比，交叉点数会大大减少(3)、三种无阻塞网络（1）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（2）可重排无阻塞网络：不管网络除用于何种状态，任何时刻都可以在一个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，只有这个连接的起点和终点是空闲的（3）广义无阻塞网络：指一个给定的网络存在固有的阻塞的可能，但有可能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可以避免，而不必重新安排网络中已建立起来的连接CLOS网络研究构成交换网络的交叉点数目随入线、出线数目增长较慢的方法，一直是交换领域研究的重点课题，这些方法的基本思想都是采用多个较小规模的交换单元按照某种连接方式连接起来从而构成多级交换网络。CLOS网络就是其中的一种，如图2.12所示图2.12三级CLOS网络它由ClosC首次提出，一般使用在大型电话交换系统中，属于多级交换网络。假设CLOS网络有M条入线与N条出线，如果M=N，我们称这样的CLOS网络为对称的CLOS网络，否则为非对称的CLOS网络。对称的CLOS网络使用广泛，在这里我们主要介绍对称的CLOS网络，下面所介绍的CLOS网络除非特别说明一般指对称的CLOS网络。

1、3级CLOS网络3级CLOS网络非常容易理解，而且应用广泛，除非特别指明，我们一般说CLOS网络也指3级CLOS网络，更多级的CLOS网络可以由3级CLOS网络递归构造而成。一个N×N的3级CLOS网络的基本结构如图2.13所示，N为入线数与出线数。

图2.13三级CLOS网络其中，入线N被划分为r组，每组有n条入线，即N=r×n。第一级共有r个n×m的交换单元，r组入线正好分别接入交换网络中第一级r个交换单元；假设第二级也恰好有m个r×r的交换单元，那么第一级的每一个交换单元也就有m条输出，分别接到第二级中的m个交换单元，那么可以看出第二级的每一个交换单元共有r条输入线；第三级交换单元是m×n规模的，共有r个，第二级交换单元的r个输出分别连接到这第三级的r个交换单元，每一个交换单元都与下一级的各个交换单元有连接且仅有一条连接，这就是一个3级CLOS网络。m，n，r决定了交换单元的容量，称为网络参数，记为C(m,n,r)2、3级CLOS网络严格无阻塞条件假定输入级第一个交换单元的某条入线要与输出级第r个交换单元的某条出线建立连接。在最不利的情况下，输入级第1个交换单元的n-1条入线和第r个交换单元的n-1条出线均已被占用，而这些占用都是通过中间级不同的交换单元完成的。也就是说在最不利的情况下，可选择的链路已被占用（n-1）×2条，为了确保无阻塞，至少还应存在一条空闲链路，即中间级至少要有（n-1）×2+1=2n-1个交换单元，于是得到：3级CLOS交换网络严格无阻塞的条件是：

m≥2n–1

当输入级交换单元的入线数不等于输出级交换单元的出线数时，则严格无阻塞的条件是：（非对称CLOS网络）

m≥(n入-1)+(n出-1)+1=n入+n出-1

1n-11n-11n1nabn-1忙n-1忙可用图CLOS网络的无阻塞条件第1级第2级第3级1r如图,如果要确立一条从a~b的信息交换通路，那么最不利的情况是：第1级与a相连的交换单元除去a之外所有剩余的n-1条入线均有信息要交换，那么第1级与a相连的交换单元中n-1条输出线均处于忙状态，并且所有的n-1条输出线都连接到第2级不同的交换单元上；最后一级与b相连的交换单元除b以外所有的n-1条出线也均有信息要交换出来，并且对第2级来说需要另外的n-1个交换单元，且这些交换单元都要有一条出线连接到b相连的交换单元上；那么在最坏的情况下，共需要(n-1)+(n-1)=2n-2个可供选择的第2级交换单元，这时为了确保链路无阻塞，完成a~b的信息交换，至少还应存在一条空闲链路，即中间级交换单元要有2n-2+1=2n-1个3、3级CLOS网络可重排无阻塞条件3级CLOS网络可重排无阻塞的条件是:

m≥n

其中m为CLOS网络第2级所需要的交换单元的个数，n为CLOS网络第1级交换单元入线数或第3级交换单元的出线数。非对称CLOS网络可重排无阻塞的条件是：

m>=max(n入,n出)话务理论基础

话务量的基本概念话务量是表达电话网内机线设备负荷数量的一种量值，所以也称为话务负荷。话务量反映了话源对所使用的电话通信设备数量上的要求话务量的基本概念话务量三要素呼叫强度：单位时间内发生的平均呼叫次数λ占用时长：每次呼叫平均占用的时间长度S考察时间：对通话业务的观测时间长度T话务量Y=λST话务量的大小表现了机线设备的繁忙程度话务量的基本概念话务量单位：爱尔兰，用Erl表示，并规定若λ、S均采用h（小时）为时间单位，则A的单位为Erl。例：一条电路被连续不断地占用了1h，话务量就是1Erl。话务量的基本概念电话话务量特性随机性：话源产生的呼叫是随机的。波动性：话务量的值每时每刻都在变化。忙时话务量：一天中通信设备最繁忙的那一个小时称为忙时，忙时的平均话务量简称为忙时话务量忙时话务量是交换系统设计的重要依据话务量强度：单位时间内的话务量，简称话务量，一般用A表示交换系统处理话务的方法呼叫工作制指当用户呼叫不能立即接通时，发送忙音，此次呼叫失败主要用于电路交换接待工作制也称等待系统或排队系统分组交换采用此种方式流入话务量（A入）：指话源产生的话务量。设某设备群上的所有入线，在1h内发生的呼叫次数为λ

（λ即呼叫发生强度），其平均占用时长为S，则A入=λS完成话务量（A完）：指某群设备受理并完成呼叫处理的话务量设λ’为接受处理的呼叫数（或完成接续的呼叫数），其平均占用时长为S，则A完=λ’S呼叫工作制：A损=A入-A完接待工作制：A完=A入流入话务量和完成话务量线群与呼损一群（或一组）为话源（业务源）服务的设备及其出线，这一总体称为线群。…………1N1V线群的模型入线出线线群与呼损线群中的出线数代表线群的大小，称它为线群的容量，用M表示每条入线能够到达的出线范围，即每条入线能够选用的出线数量，称为利用度，用D表示全利用度线群（D=M）：任何入线对所有出线都有接续路由，只要出线空闲，就可接续部分利用度线群（D<M）：任一负载源只能选用其线群中的部分出线呼损工作制系统中，用户关心的是服务质量，即打不通电话的概率有多大服务质量指标指的是交换设备未能完成接续的电话呼叫业务量与用户发出的电话呼叫业务量之比，即呼叫损失率，简称呼损。话务量、呼损与交换设备数量之间存在着固定的关系，研究它们三者的固有关系的理论即是话务理论线群与呼损1、呼损的计算方法

呼损是指由于交换机内部链路或者中继线不足引起的阻塞概率（1）按时间计算的呼损E=出线全忙的时间与总的考察时间的比值=