第2章交换网络改

第2章交换网络

2.1信号复用方式2.2交换单元2.3

点到点多级交换网络2.4多点连接交换网络（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，其使用的载波是电信号，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。2.1信号复用方式（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。2.1信号复用方式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。2.1信号复用方式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。

本章后续部分将以时分复用电信号为对象，介绍一些典型的交换单元及交换网络。

2.1信号复用方式交换单元的功能是在控制信号的作用下在入线和出线之间为呼叫请求建立适当接续，将入线上的信息送到出线上去。交换单元是交换网络的基本组成元素。任何交换单元都可表示成下图所示的等效示意。上图实际上也是任一交换网络的示意图。2.2交换控制单元该类交换单元主要通过时隙互换来实现输入线与输出线上的复用信号交换，其本质思想是改变信号的时隙位置。这种交换单元主要由信号缓存或延迟器件及控制信号器件组成。根据控制信号，缓存或延迟器件执行相应操作，从而实现信号时隙位置的改变，达到交换目的。下面，针对时分复用电信号，介绍几种典型的基于时分结构的交换单元。一、基于时分结构的典型交换单元2.2交换控制单元其主要部件是由控制信号所控制的用户信息存储器，一般结构如下图所示。用户信息存储器被分为M个区域，用于存储传输线上各时隙输入信号。通过使用不同控制方式控制该存储器的各时隙信号写入和信号读出来完成时隙转换，即将输入信号的时隙位置转换成不同的输出信号的时隙位置，从而实现交换接续功能。一、基于时分结构的典型交换单元

1、共享存储器型交换单元2.2交换控制单元工作原理：可以采用两种控制方式之一进行交换工作，即：1）输入控制。用户信息存储器采用控制写入和顺序读出，即在输入端，各路输入信号根据控制要求写入用户信息存储器的相应区域，而在输出端，该存储器的信息从第一个区域到最后一个区域顺序读出。2）输出控制。用户信息存储器采用顺序写入和控制读出，即在输入端，各路输入信号顺序写入用户信息存储器的第一个区域到最后一个区域，而在输出端，根据控制要求读出该存储器中相应区域的信息。共享存储器型交换单元可用于同步时分复用信号、统计时分复用信号，其具体实现方式不同。下面介绍一种典型的针对同步时分复用信号交换的共享存储器型交换单元——时间交换单元。一、基于时分结构的典型交换单元

1、共享存储器型交换单元2.2交换控制单元时间交换单元（T交换单元或T接线器）。主要应用于同步时分复用信号的交换。由用户信息存储器、控制存储器和计数器组成。用户信息存储器用于存储用户数据；控制存储器用于存储用户信息存储器的控制写入或控制读出的地址；计数器用于控制用户信息存储器和控制存储器的读写操作，为了保证同步操作，要求计数器的时钟频率与时隙频率相等。采用输入控制和输出控制两种方式之一进行工作。一、基于时分结构的典型交换单元

2、时间交换单元2.2交换控制单元输入控制。一、基于时分结构的典型交换单元

2、时间交换单元2.2交换控制单元输出控制。一、基于时分结构的典型交换单元

2、时间交换单元2.2交换控制单元实现示例：CCITT的PCM话音一次群信号电路交换，采用输出控制方式。一、基于时分结构的典型交换单元

2、时间交换单元2.2交换控制单元由入线控制部件，出线控制部件和总线组成，如下图示。入线控制部件负责接收入线信号并进行信号格式转换，进行信息缓冲存储，将缓冲信息在适当时刻送到总线上；出线控制部件负责从总线上检测出属于自己的信号并加以缓冲存储，将缓冲信息进行格式转换并由出线送出；总线通常由多条数据线和控制线组成，数据线负责在入线控制部件和出线控制部件之间传送信号，控制线负责控制各入线控制部件获得时隙和将信息发送到总线上以及控制出线控制部件读取属于自己的信息。一、基于时分结构的典型交换单元

3、共享总线型交换单元2.2交换控制单元工作原理：总线按一定规则给各入线控制部件分配时隙，各入线控制部件以同步或统计时分复用方式使用总线。当信号到达一入线控制部件的输入端时，该部件进行信号接收，对收到的信号进行格式转换且将转换后的信息放到输入缓冲存储器中，然后在总线分配给该部件的时隙上将缓冲信息发送到总线上去。与此同时，各出线控制部件处于监视总线上信息的状态，当一出线控制部件检测到总线上有属于自己的信息时，该部件就提取这一信息并将其存入输出缓冲存储器中，然后对该缓冲信息进行格式转换并从出线发送出去。通常，最常使用的总线时隙分配规则是按顺序把时隙分给各入线控制部件，而不考虑各入线控制部件是否有等待发送的信息。此分配规则简单，但效率较低。为提高效率，可制定只在入线控制部件有待发送的信息时才给其分配时隙的规则。这样可以有效利用总线资源，但由于其可能存在多个入线控制部件竞争总线资源等问题，所以其控制比较复杂。一、基于时分结构的典型交换单元

3、共享总线型交换单元2.2交换控制单元主要用来实现多个输入线与多个输出线之间信号的空间交换，而不改变原信号的时隙位置。这种交换单元主要由交叉点阵列及控制信号器件组成。控制信号控制交叉点阵列的操作动作。交叉点阵列具有开关操作功能，根据控制信号实现输入和输出线之间的信号转接。交叉点阵列的硬件实现有很多种形式，如继电器开关阵列、模拟电子开关阵列、数选器阵列等数字电子开关阵列等。下面，针对时分复用电信号，介绍一种典型的基于空分结构的交换单元——空间交换单元。二、基于空分结构的交换单元2.2交换控制单元主要用来实现多个输入复用线与多个输出复用线之间的同步时分复用信号的空间交换，而不改变信号的时隙位置。由交叉点矩阵和控制存储器构成。交叉点实现入线与出线之间的接续；控制存储器中存储所选择的输入或输出线的标号，其用于控制交叉点的接续。采用输入控制和输出控制两种方式之一进行工作。二、基于空分结构的交换单元2.2交换控制单元输入控制。二、基于空分结构的交换单元2.2交换控制单元输出控制。二、基于空分结构的交换单元2.2交换控制单元实现示例：CCITT的PCM话音一次群信号电路交换。采用4入线4出线空间交换单元结构，每个输入线上的信号都是CCITT的PCM话音一次群信号，交叉点接续使用数选器并采用输入控制方式。二、基于空分结构的交换单元2.2交换控制单元交换单元只适合交换规模较小的情况。当规模较大时，其软硬件实现通常都将相当困难。为了解决大规模的交换问题，通常使用交换网络。交换网络是由若干个小规模的交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式所构成的网络。根据实际情况设计交换网络的具体结构和控制方式等，可以使交换网络具有接续点到点连接或多点连接的能力。多级交换网络是一类典型的交换网络。本节在介绍多级交换网络定义的基础上，主要针对点到点连接情况，介绍一些典型的该类交换网络。2.3点到点多级交换网络对于一个交换单元可分为N级的交换网络，若其入线仅与第一级交换单元连接，所有第1级交换单元都只与入线和第二级交换单元连接，所有第n（1<n<N）级交换单元都只与第n-1级和第n+1级交换单元连接，所有第N级交换单元都只与第N-1级交换单元和出线连接，则该网络称为N级交换网络。多级交换网络的拓扑结构可用三组参量来描述，即每个交换单元的容量、交换单元的级数以及交换单元之间的连接。说明：一旦多级交换网络的拓扑结构确定下来，则其在硬件结构上是否存在固有的内部阻塞特性也就确定。然而，由于交换网络既涉及到硬件技术也涉及到软件技术，在实际使用中，交换网络的阻塞特性还要受软件技术影响。一、多级交换网络概念2.3点到点多级交换网络T-S组合型多级交换网络是由若干个T交换单元和S交换单元进行一定连接所构成的，其不但具有时隙交换功能，而且也具有空间交换功能。两种典型类型：1）T-Sn-T型交换网络

2）Sn-T-Sn型交换网络针对上述两种类型，分别介绍一种简单构成形式及其工作原理。二、T-S组合型多级交换网络2.3点到点多级交换网络由三级组成，第1级和第3级是T交换单元，负责信息时隙互换，第2级是S交换单元，负责对同一时隙上的信息进行空间交换，S交换单元的入线和出线数分别等于第1级T交换单元数目M和第3级T交换单元数目N，即其交叉点矩阵规模为M×N。为了设计简单起见，通常令T-S-T交换网络的第1级和第3级具有相同数量的T交换单元，即M=N，并且令各T交换单元容量相同。二、T-S组合型多级交换网络1、T-S-T型交换网络2.3点到点多级交换网络工作原理：T交换单元和S交换单元都有两种控制方式，在T-S-T交换网络中，通过确定各交换单元的适当控制方式组合使得T交换单元与S交换单元之间协同工作，就可以实现任一入线与出线之间的任意时隙内容的交换功能。值得指出的是，第1级各T交换单元在同一时隙上的输出不能去往S交换单元的同一输出端，否则会因竞争S交换单元的输出端而导致阻塞，为此，在确定第1级各交换单元控制存储器内容时，一定要兼顾考虑第2级S交换单元。同样，为了设计简单起见，通常也令T-S-T交换网络中第1级各交换单元采用同一种控制方式，并且令第3级各单元也采用同一种控制方式。基于上一节所介绍的T和S交换单元的工作原理，很容易认识T-S-T交换网络的工作原理。故在此不分别介绍该种网络在各种控制方式组合下的工作原理，而仅给出下面一个实例来说明。二、T-S组合型多级交换网络1、T-S-T型交换网络2.3点到点多级交换网络实现示例：2入线2出线的T-S-T交换网络，进行CCITT的32/30

PCM话音一次群信号的电路交换。令第1、3级T交换单元采用输出控制，第2级S交换单元采用输入控制。二、T-S组合型多级交换网络1、T-S-T型交换网络2.3点到点多级交换网络由三级组成，第1级和第3级是S交换单元，负责对同一时隙上的信息进行空间交换，第2级是T交换单元，负责信息时隙互换，该级T交换单元的数目分别等于第1级S交换单元的出线数目N0和第3级S交换单元入线数目M1。为了设计简单起见，通常也令M0=N0=M1=N1，并且令各T交换单元容量相同。二、T-S组合型多级交换网络2、S-T-S型交换网络2.3点到点多级交换网络工作原理：同样，由于T交换单元和S交换单元都有两种控制方式，故在T-S-T交换网络中，通过确定各交换单元的适当控制方式组合使得T交换单元与S交换单元之间协同工作，也可以实现任一入线与任一出线之间的任意时隙内容的交换功能。对于这种交换网络，也需要在已定各交换单元控制方式下，对一个呼叫请求考虑在各级交换单元控制存储器中如何协调放置其所对应的控制信息，以便避免由于控制存储器等资源使用冲突而导致的阻塞。考虑到借鉴前述的T-S-T交换网络工作原理很容易分析S-T-S交换网络工作过程，故在此对该网络的工作原理不再加以赘述。二、T-S组合型多级交换网络2、S-T-S型交换网络2.3点到点多级交换网络先看下图所示的三级交换网络，特点：任一级的每个交换单元都通过唯一一条链路分别与下一级的各交换单元相连，整个交换网络由每级交换单元数目r1、r2、r3、第一级一个交换单元的输入端数目m1和第三级一个交换单元的输出端数目n3等五个参数确定，并且根据连接链路的唯一性可知，n1=r2,m2=r1,n2=r3,m3=r2。该种网络由CLOSC.于1953年提出，被命名为CLOS网络。二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络该网络具有两个重要定理：定理2-1（ＣＬＯＳ定理）：当且仅当第二级交换单元数目

时，上述ＣＬＯＳ网络是严格无阻塞的交换网络。定理2-2（Slepian-Duguid定理）：当且仅当第二级交换单元数目

时，上述ＣＬＯＳ网络是可重排无阻塞的交换网络。二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络示例：假设有一组呼叫，令

呼叫已经建立起来连接。

二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络三级CLOS网络可以递归分解来构造更大奇数级的CLOS网络，以达到进一步降低交叉点数量的目的。假设构造一个N×N交换网络。令N=p×q。则根据前述定理，首先构造严格无阻塞和可重排无阻塞三级网络，如下图所示。一个递归构造的五级严格（可重排）无阻塞CLOS网络可以通过将该图所示的严格（可重排）无阻塞三级CLOS网络中的任一级的各交换单元用三级严格（可重排）无阻塞CLOS子网替换来实现。这一递归构造方式可以重复进行，以便进一步降低单个交换单元的规模，直到各级交换单元不能再继续分解为止。二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络对于上述递归构造多级CLOS网络的方法，有一种特殊情形，即，通过将N因子分解为，可以最终递归构造出一个含有级、每级包含N/2个2×2交换单元的交叉点复杂度大约为的可重排阻塞CLOS网络，该种网络被称为Benes网络。二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络3、CLOS网络2.3点到点多级交换网络Cantor网络在整体角度上可以认为包括三级，第一、二和三级分别为解复器、Benes网络和复用器，且每一级上的各单元结构完全相同。令Cantor网络的规模为，且令该网络第二级有m个结构完全相同的Benes网络，每个Benes网络的规模为；第一级上含有N个规模为的解复器，第i（）个解复器的输入对应Cantor网络的第i个输入且其m个输出中第j（）个输出与第j个Benes网络的第i个输入通过一条链路连接；第三级上含有N个规模为的复用器，第i（）个复用器的输出对应Cantor网络的第i个输出且其m个输入中第j（）个输入与第j个Benes网络的第i个输出通过一条链路连接。二、T-S组合型多级交换网络4、Cantor网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络4、Cantor网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络4、Cantor网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络4、Cantor网络2.3点到点多级交换网络二、T-S组合型多级交换网络4、Cantor网络2.3点到点多级交换网络基本结构。Banyan网络是一种多级空分交换网络，其基本构成元素是交换单元。使用４个2×2交换单元可以构成一个规模为4×4的二级Banyan网络，如下图，其中，两级间通过均匀洗牌方式加以连接。二、T-S组合型多级交换网络5、Banyan网络2.3点到点多级交换网络使用２个4×4

Banyan网络和４个2×2交换单元可以构造一个规模为的三级Banyan网络，如图２-18所示，其中，第２和第３级间通过均匀洗牌方式连接。多级Banyan网络的构造是有规律的，即利用较小规模的Banyan网络以及均匀洗牌连接方法，可以递归构造规模更大规模的Banyan网络。二、T-S组合型多级交换网络5、Banyan网络2.3点到点多级交换网络Banyan网络主要特性。(1)对于规模为N×N的Banyan网络，依据前述网络构造方法，易见，必有，且其具有级，每级含有N/2个2×2交换单元，整个网络含有个2×2交换单元。(2)Banyan网络具有路径唯一性。(3)Banyan网络具有自选路特性。(4)Banyan网络是一种有内部阻塞的交换网络。二、T-S组合型多级交换网络5、Banyan网络2.3点到点多级交换网络2.4多点连接交换网络一、基本概念

从数学角度认识点到点连接问题。令I是M个输入的集合，O是N个输出的集合，则一组点到点连接可被定义为

其中，各

是互不相同的，且各

也是互不相同的。数学上，该C实际上表示一对一映射，如图a所示。如果去除上述有关各i的限制，但仍然要求各互不相同，则表示一对多映射，如图b所示，这种情形被称为组播(Multicasting)。如果去除上述有关的限制，则会形成多对一、多对多等形式的映射及连接。2.4多点连接交换网络二、紧凑超集中器及超集中器的构建

1、紧凑超集中器

M×N交叉点交换矩阵即可实现（紧凑）超集中器的功能。当M、N不大时，可以使用这种单级构建方式。对于较大的M、N，使用两级递归分解法构建紧凑超集中器。假设M和N分别能够为p和q整除，我们构建一个如图所示的三维二级结构。2.4多点连接交换网络二、紧凑超集中器及超集中器的构建

1、紧凑超集中器其中，第一级有p个水平面，每个水平面是一M/p×q紧凑超集中器；第二级有q个垂直面，每个垂直面是一个p×N/q紧凑超集中器。在该图中，令坐标{i,j,k}代表第k级第j个面的第i个输出，那么，该网络的输入和输出分别可表示为{i,j,0}和{i,j,2}。并且令{i,j,k}以排为主进行排序，即如果，则，如果，那么若，则。为了保证该网络不发生阻塞现象，假设个输入中至多有个是激活的。我们考虑两种情形：1）q=N，2）q=M/p

。可以证明，在这两种情形下，如果使用合适的连接方法，则其能实现紧凑超集中器的功能。2.4多点连接交换网络二、紧凑超集中器及超集中器的构建

2、超集中器超集中器可通过紧凑超集中器来实现。将两个紧凑超集中器背靠背连接在一起，即构成一个超集中器。2.4多点连接交换网络三、拷贝网的构建

1、分配网分配网是紧凑超集中器的镜像映射

。2.4多点连接交换网络三、拷贝网的构建

1、分配网

对于分配网，有下述定理成立：定理