Chapter2数字交换网络

主要内容：1.交换网络的构成2.交换单元

◆交换单元的基本概念

◆开关阵列与空间交换单元◆共享存储器型的交换单元——时间交换单元3.交换网络

◆TST网络◆CLOS网络交换的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接交换单元是构成交换网络的最基本的部件交换网络的构成在交换系统中完成交换这一基本功能的部件就是交换网络（或交换结构

SwitchingFabric）,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拓扑结构和控制方式构成的。

交换单元是构成交换网络的最基本的部件。交换单元的基本概念1.交换单元（SE：SwitchElement）入线出线控制端状态端…………MXN的交换单元0011M-1N-1基本交换单元2.2按信息流向分为：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。无向交换单元：交换单元的每条线既可入也可出，其入线数必等于出线数。出线0N-1入线0M-1MXN有向交换单元…..…..入线/出线0N-1N无向交换单元2.交换单元分类基本交换单元2.2入线0M-1出线0N-1集中型（M>N）入线0M-1出线0N-1扩散型（M<N）出线0N-1入线0M-1连接型（M=N）按使用需要的不同可分为：集中型(集中器)：入线数大于出线数的交换单元。连接型(置换器)：入线数等于出线数的交换单元。扩散型(扩展器)：入线数小于出线数的交换单元。基本交换单元2.2按入线和出线之间是否共享单一通路可分为：时分交换单元：所有的输入端口与输出端口之间共享 唯一的一条通路。空分交换单元：入线与出线之间存在多条通路。01M-1入线01N-1出线空分交换单元……01M-1入线…01N-1出线…时分交换单元共享总线基本交换单元2.2

容量：交换单元所有入线可以同时送入的总的信息量。

接口：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

功能：点到点、同发、广播

质量：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损伤（时间、语义）3.交换单元性能基本交换单元2.2开关阵列与空间交换单元——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，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内部的开关阵列。开关阵列与空间交换单元——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，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内部的开关阵列。开关的位置：入、出线交叉点开关的表示：kij(i为入线，j为出线)开关的状态：通、断开关的种类：单向、双向MXN有向交换单元01N-101M-1入线出线MXN有向矩形开关阵列开关阵列的工作原理出线0N-1入线0M-1…..…..N无向方形开关阵列入线0N-1N无向交换单元01N-101N-1入线出线开关阵列的工作原理入线/出线0N-1N无向交换单元无向交换单元开关阵列的实现（补充）

若在一个NXN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。N无向交换单元的开关阵列（用双向开关）入线/出线0N-1N无向交换单元01N-21N-1无向交换单元开关阵列的实现（补充）2N-220101N-1N-1无向交换单元开关阵列的实现（补充）入线/出线0N-1N无向交换单元N无向交换单元的开关阵列（用单向开关）无向交换单元开关阵列的实现（补充）若N无向交换单元的N个信息端可以分为两组，分别为K和L个信息端。属于其中一组的信息端都可以和另一组的任何信息端相连接，但是不能和本组中的其它信息端相连，则称其为一个KxL的无向交换单元。入线/出线0K-1KxL无向交换单元0L-1…入线/出线…（信息端）（信息端）KXL无向矩形开关阵列01L-101K-1K(K=L)无向方形开关阵列01K-101K-1入线/出线0K-1KxL无向交换单元0L-1…入线/出线…（信息端）（信息端）无向交换单元开关阵列的实现（补充）KXL无向矩形开关阵列（用双向开关）01L-101K-1无向交换单元开关阵列的实现（补充）(K+L)X(K+L)有向开关阵列（用单向开关）0101K-1K+0K+L-1K+0K+1K+L-1K-1K+1K无向方形开关阵列（用双向开关）01K-101K-1无向交换单元开关阵列的实现（补充）2KX2K有向开关阵列（用单向开关）0101K-1K+0K+K-1K+0K+1K+K-1K-1K+1全连接交换单元和部分连接交换单元01N-101N-1入线出线01N-101N-1入线出线开关数：N×N2(N-1)01M-1入线出线入线0M-1出线入线0N-1出线01N-1入线出线多路选择器开关阵列的特性开关控制简单，从入线到出线具有均匀的单位延迟时间。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）。交换单元的性能依赖于所使用的开关。控制信号简单容易实现同发和广播功能时间接线器(TimeSwitch)，简称为T接线器，用来实现时隙交换功能，完成一条时分复用线上时隙的交换。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，分别在出线上的不同时隙位置输出。基本交换单元2.22.2.1时间交换单元••••••WRWRSMCM10定时脉冲处理机时钟n0••••••1基本结构：由话音存储器(SM)、控制存储器(CM)组成。SM用来暂存话音的数字编码信息。

SM的单元数等于输入复用线上每帧的时隙数。每个单元至少应为8比特。

CM用来存放控制SM的读出/写入话音信息的地址。

CM单元数等于SM的单元数；CM单元的比特数为k，SM的单元数为n，则有2k≥n。(s)…n…基本交换单元2.2控制方式 按照CM对SM的控制关系，T接线器的工作方式可分为：输出控制方式：顺序写入、控制读出输入控制方式：控制写入、顺序读出基本交换单元2.2••••••WRWRSMCM810定时脉冲处理机时钟5110511••••••18TS1输出控制方式：顺序写入、控制读出在CLK1时刻，a写入到SM的第1号单元在CLK8时刻，CM读出第8号单元的内容1，1选中SM的第1号单元，a被读出。实现A用户(占用TS1)和B用户(占用TS8)通话

中央处理机根据用户要求，向CM发出“写”命令，令其在第8号单元中写入1aTS8bTS1bTS8a18abA→B(TS1→

TS8)B→A(TS8→

TS1)中央处理机根据用户要求，向CM发出“写”命令，令其在第1号单元中写入8在CLK8时刻，b写入到SM的第8号单元在CLK1时刻，CM读出第1号单元的内容8，8选中SM的第8号单元，b被读出。基本交换单元2.2•••WRWRSMCM10定时脉冲处理机时钟51105113210•••1TS0aTS2c23TS1bTS3d23TS0dTS2bTS1cTS3aTS0TS2bTS1TS3a…TS0→TS3TS1→TS2TS2→TS1TS3→TS0abcdabcd基本交换单元2.2输出控制方式：顺序写入、控制读出输入控制方式：控制写入、顺序读出b•••a•••WRWRSMCM810定时脉冲处理机时钟51105118•••1•••18TS1aTS8bTS1bTS8a基本交换单元2.2•••WRWRSMCM10定时脉冲处理机时钟51105113210•••1TS0aTS2c23TS1bTS3d23TS0dTS2TS1cTS3TS0TS2bTS1TS3a…TS0→TS3TS1→TS2TS2→TS1TS3→TS0dcba基本交换单元2.2输入控制方式：控制写入、顺序读出

说明：在整个通话期间，中央处理机向CM只下达一次“写”命令，CM的内容在整个通话期间不变，通话结束才清除该内容。SM的读写是在同一时隙完成，但读和写不能同时进行，需要将时隙一分为二或一分为三，分别进行读和写，前半时隙进行写操作，后半时隙读操作。存在时间延迟。最坏情况，延迟将近一帧。时分交换具有空分性质。不论是输出控制还是输入控制，每个输入时隙对应着SM的一个存储单元，即由空间位置的划分来实现时隙交换。基本交换单元2.2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，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内部的开关阵列。断开状态入线出线接通状态入线出线基本交换单元2.22.2.2空间交换单元空间接线器空间接线器（SpaceSwitch），简称为S接线器，用来实现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。基本交换单元2.2(1)基本结构由交叉点矩阵、一组控制存储器(CM)组成。01…01…n…100m(m)开关阵列，一般具有相同数量的入线和出线。CM的个数等于入(出)线数。每个CM所含的存储单元个数等于入(出)线上的复用时隙数。每个存储单元占k位比特，且满足N≤2k，其中N为入(出)线数。nn基本交换单元2.2(2)控制方式

S接线器的控制存储器控制交叉点矩阵的工作方式：输入控制方式、输出控制方式。输入控制方式：控制存储器按照输入复用线配置，即控制每条输入复用线上应该打开的交叉点开关。输出控制方式：控制存储器按照输出复用线配置，即控制每条输出复用线上应该打开的交叉点开关。基本交换单元2.2012012210TS15TS150815220031输出控制方式TS8TS8★CM的数量取决于输出复用线数★CM所含的单元数等于输出复用线所复用的时隙数★CM单元的内容表示哪一个交叉点在所对应的时隙内接通。基本交换单元2.2★输出控制方式可实现多播，即某一条入线的某个时隙的信息可以同时在多条出线上输出。012012210080031TS80TS8基本交换单元2.2012012012TS15TS8TS15TS80815312TS8TS81TS15TS1520输入控制方式基本交换单元2.2

说明：S型接线器的入线数与出线数可以不等。CM的内容只在通路建立或拆除时才写入或清除。只完成空间交换，不进行时隙交换，即完成输入复用线与输出复用线相同时隙内信息的空间交换。S接线器按时分方式工作，S接线器的入(出)线都是时分复用线，每个交叉点的开关按照复用时隙接通和闭合的。基本交换单元2.2共享总线型交换单元输入部件输入部件输入部件输出部件输出部件输出部件总线01N-101N-1……基本交换单元2.22.2.3时/空结合交换单元输入部件的功能：

接收入线信号，进行相应的格式变换，放在缓冲存储器中，并在分配给该部件的时隙上把收到的信息送到总线上。出线控制部件的功能：

检测总线上的信号，并把属于自己的信息读入一个缓冲存储器中，进行格式变换，放在缓冲存储器中，由出线送出，形成出线信号。总线： 一般包括多条数据线和控制线。基本交换单元2.2

数字交换单元

数字交换单元(DSE:DigitalSwitchingElement)是一种总线型交换单元，又称时/空结合交换单元，既可实现时隙之间交换，又可实现复用线之间的交换。基本交换单元2.2★DSE任一端口的接收部分的任一信道（时隙）可以与任一端口的发送部分的任一信道接通。16个双向端口：每个端口包含发送部分TX和接收部分RX，可连接复用了32个话路的PCM复用线。时分复用总线：分为数据总线、端口总线、话路总线，总线是并行时分工作(分成16个时隙供16个端口使用)。RXTXRXTXRXTXRXTX并行时分复用总线07815时钟基本交换单元2.2

输入同步器接收部分 端口存储器(16个单元,4bit)

话路存储器(32个单元,5bit)

话音存储器(32个单元,16bit)发送部分 端口比较器 发送控制器输入同步器端口存储器话路存储器话音存储器端口比较器发送控制器端口032路PCM入32路PCM出RXTXDPC…基本交换单元2.2端口的内部组成及DSE的工作原理：

以Port3TS10Port9TS20实现过程进行说明Port3TS10→Port9TS20910端口RAM2010话路RAMS20数据RAMTS10PDCTS20RX3TX9P—端口Port总线D—数据总线C—话路（时隙）总线首先要由处理机在Port3的接收部分的端口RAM的10号单元写入9，话路RAM的10号单元写入20，以控制交换到Port9的TS20。基本交换单元2.2端口的内部组成及DSE的工作原理：

以Port3TS10Port9TS20实现过程进行说明TS10到来时刻，话音信号S由R3置于数据总线D；端口RAM10号单元中的端口信息“9”顺序读出置入端口总线P；话路RAM的10号单元中的话路信息20也被顺序读出到话路总线C。910端口RAM2010话路RAMS20数据RAMSTS10PDCSTS20RX3TX9P—端口Port总线D—数据总线C—话路（时隙）总线S920基本交换单元2.2端口的内部组成及DSE的工作原理：

以Port3TS10Port9TS20实现过程进行说明各端口的端口比较器(位于发送部分T),对端口总线上的端口号码进行识别，Port9的发送部分的端口比较器比较端口总线上的数据与本端口一致，允许其它总线(D.C)数据进入本发送部分，控制数据RAM进行写操作。话路总线上的内容20作为数据RAM的地址信号选中20号单元，数据总线上的话音信号S经数据RAM的数据输入线写入到20号单元。910端口RAM2010话路RAMS20数据RAMSTS10PDCSTS20RX3TX9P—端口Port总线D—数据总线C—话路（时隙）总线S920基本交换单元2.2端口的内部组成及DSE的工作原理：

以Port3TS10Port9TS20实现过程进行说明在TS20到来时，话音信号S被顺序读出到PCM出线上。910端口RAM2010话路RAMS20数据RAMSTS10PDCSTS20RX3TX9P—端口Port总线D—数据总线C—话路（时隙）总线基本交换单元2.2注意：各端口的接收部分应在分配给它的时隙上向总线置入数据，如另一端口的R部件也在同一时隙TS10将数据置入总线，会造成数据混乱。实际上，总线上的时隙=1/N*PCM复用线上的时隙(N—端口数)

发送部分应在每个总线时隙检测端口信息。总结：S接线器是通过多路转换开关实现空间交换；T接线器是通过话音存储器的缓冲来实现时间的交换；DSE利用总线的地址选择来实现空间交换，利用存储器(数据存储器)实现时间交换。基本交换单元2.23、交换网络交换网络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。交换网络的三个基本要素是：交换单元、不同交换单元间的拓扑结构和控制方式。50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51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：单级交换网络多级交换网络出线0N-1入线0M-1单级交换网络交换单元52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N级，顺序命名为第1,2,…,N级，并且满足：所有入线都只与第1级交换单元连接；所有第1级交换单元都只与入线和第2级交换单元连接；所有第2级交换单元都只与第1级和第3级交换单元连接；依此类推，所有第N级交换单元都只与第N-1级和出线连接；则称这样的交换网络为多级交换网络，或N级交换网络。53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交换单元的级数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54多级交换网络(nmxnm两级交换网络)……………O1n-1O1n-1…O1n-1O1m-1O1m-1O1m-1……………………OO11m-1n-11级2级55

交换网络的阻塞是指从交换网络不通输入端来的信息在交换网络中交换时发生了对同一公共资源争抢的情况，这时在竞争资源中失败的信息就会被阻塞，直到这个公共资源被释放阻塞的两种情况：内部竞争、出线竞争交换网络的分类---有阻塞交换网络和无阻塞交换网络

交换网络的分类---有阻塞交换网络和无阻塞交换网络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：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。58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。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。多级交换网络的内部阻塞5913421342C1C1C2C21，2，3，44，2，1，3

可重排无阻塞网络6013421342C1C1cc2cc2可重排无阻塞网络61交换网络的分类---有阻塞交换网络和无阻塞交换网络交换网络的分类---时分交换网络和空分交换网络时分交换网络：时分结构的基本特征是所有的输入与输出端口分时共享单一通路，具有时隙交换功能。空分交换网络：空分结构的基本特征是可以在多对输入端口与输出端口间同时传送信息，具有空间交换的功能。2.3.1由T接线器与复合器结合构成的交换网络多级交换网络2.3A2525143TS25ATS25ATS143ATS3ATS17A TST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T接线器，中间一级为S接线器，S级的出入线数决定于两侧T接线器的数量。TTS多级交换网络2.32.3.2由T接线器与复合器结合构成的交换网络0310