第八节课-通信网与交换

第二章数字程控交换系统回顾一、通信系统的基本模型点到点的通信系统通信网是通信系统的一种形式。本节课中通信系统特指使用光信号或电信号传递信息的通信系统。为了更好地理解通信网，我们从点到点的通信系统开始介绍。克服时间、空间的障碍，有效而可靠地传递信息是所有通信系统的基本任务。实际应用中存在各种类型的通信系统，它们在具体的功能和结构上各不相同，然而都可以抽象成如图1.1所示的模型，其基本组成包括：信源、发送器、信道、接收器和信宿五部分。图1.1简单通信系统模型(a)模型图；(b)实例通信网需解决问题：任意两个用户间的通信通信网实现：任意两个用户之间提供点到点的连接（见图1.2a）构建网状网成本太高每一对用户之间独占一个永久的通信线路，信道资源无法共享难以实施集中的控制和管理。交换式网络（见图1.2b）图1.2通信网实现用户终端都通过用户线与交换节点相连交换节点之间通过中继线相连任何两个用户之间的通信都要通过交换节点进行转接交换在网络中，交换节点负责用户的接入、业务量的集中、用户通信连接的创建、信道资源的分配、用户信息的转发，以及必要的网络管理与控制功能的实现。交换式网络“交换”概念背后的思想是：按需分配让网络根据用户实际的需求为其分配通信所需的网络资源，即用户有通信需求时，网络为其分配资源，通信结束后，网络再回收分配给用户的资源，让其他用户使用，从而达到网络资源共享，降低通信成本的目的。从资源分配的角度来看，不同的网络技术之间的差异，主要体现在分配、管理网络资源策略上的差异，它们直接决定了网络中交换、传输、控制等具体技术的实现方式。简单的控制策略——资源利用率不高提高资源利用率——提高网络控制复杂度交换式网络优点：

(1)大量的用户可以通过交换节点连到骨干通信网上，由于大多数用户并不是全天候需要通信服务，因此骨干网上交换节点间可以用少量的中继线路以共享的方式为大量用户服务，这样大大降低了骨干网的建设成本。

(2)交换节点的引入也增加了网络扩容的方便性，便于网络的控制与管理。实际中的大型交换网络都是由多级复合型网络构成的，为用户建立的通信连接往往涉及多段线路、多个交换节点。二、通信网的定义和构成

1．定义什么是通信网？对于这样一个复杂的大系统，站在不同的角度，应该有不同的观点。从用户的角度来看，通信网是一个信息服务设施，甚至是一个娱乐服务设施，用户可以使用它获取信息、发送信息、娱乐等；而从工程师的角度来看，通信网则是由各种软硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。工程师希望这个系统应该可测、可控，便于管理和扩充。

这里，我们为通信网下一个通俗的定义：通信网是由一定数量的节点(包括终端节点、交换节点)和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。用户使用它可以克服空间、时间等障碍来进行有效的信息交换。

在通信网上，信息的交换可以在两个用户间进行，在两个计算机进程间进行，还可以在一个用户和一个设备间进行。交换的信息包括用户信息(如话音、数据、图像等)、控制信息(如信令信息、路由信息等)和网络管理信息三类。由于信息在网上通常以电或光信号的形式进行传输，因而现代通信网又称电信网。

应该强调的一点是，网络不是目的，只是手段。网络只是实现大规模、远距离通信系统的一种手段。与简单的点到点的通信系统相比，它的基本任务并未改变，通信的有效性和可靠性仍然是网络设计时要解决的两个基本问题，只是由于用户规模、业务量、服务区域的扩大，因此使解决这两个基本问题的手段变得复杂了。例如，网络的体系结构、管理、监控、信令、路由、计费、服务质量保证等都是由此而派生出来的。

2．通信网的构成要素实际的通信网是由软件和硬件按特定方式构成的一个通信系统，每一次通信都需要软硬件设施的协调配合来完成。从硬件构成来看：通信网由终端节点、交换节点、业务节点和传输系统构成，它们完成通信网的基本功能：接入、交换和传输。

软件设施则包括信令、协议、控制、管理、计费等，它们主要完成通信网的控制、管理、运营和维护，实现通信网的智能化。这里我们重点介绍通信网的硬件构成。

1)终端节点最常见的终端节点有电话机、传真机、计算机、视频终端和PBX等，它们是通信网上信息的产生者，同时也是通信网上信息的使用者。其主要功能有：

(1)用户信息的处理：主要包括用户信息的发送和接收，将用户信息转换成适合传输系统传输的信号以及相应的反变换。

(2)信令信息的处理：主要包括产生和识别连接建立、业务管理等所需的控制信息。

2)交换节点交换节点是通信网的核心设备，最常见的有电话交换机、分组交换机、路由器、转发器等。交换节点负责集中、转发终端节点产生的用户信息，但它自己并不产生和使用这些信息。其主要功能有：

(1)用户业务的集中和接入功能。通常由各类用户接口和中继接口组成。

(2)交换功能。通常由交换矩阵完成任意入线到出线的数据交换。

(3)信令功能。负责呼叫控制和连接的建立、监视、释放等。

(4)其他控制功能。路由信息的更新和维护、计费、话务统计、维护管理等。图1.3交换节点的基本功能结构

3)业务节点最常见的业务节点有智能网中的业务控制节点(SCP)、智能外设、语音信箱系统，以及Internet上的各种信息服务器等。它们通常由连接到通信网络边缘的计算机系统、数据库系统组成。其主要功能是：

(1)实现独立于交换节点的业务的执行和控制。

(2)实现对交换节点呼叫建立的控制。

(3)为用户提供智能化、个性化、有差异的服务。目前，基本电信业务的呼叫建立、执行控制等由于历史的原因仍然在交换节点中实现，但很多新的电信业务则将其转移到业务节点中了。

4)传输系统传输系统为信息的传输提供传输信道，并将网络节点连接在一起。通常传输系统的硬件组成应包括：线路接口设备、传输媒介、交叉连接设备等。传输系统一个主要的设计目标就是如何提高物理线路的使用效率，因此通常传输系统都采用了多路复用技术，如频分复用、时分复用、波分复用等。另外，为保证交换节点能正确接收和识别传输系统的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，这包括保持帧同步和位同步、遵守相同的传输体制(如PDH、SDH等)等。

3．通信网的基本结构在我们日常的工作和生活中，经常接触和使用各种类型的通信网。例如电话网、计算机网络等。电话网是目前我们最熟悉和最普及的通信网，它主要用来传送用户的话音信息；计算机网络则是办公场所最为常见的一种网络，它主要用于信息发布、程序和数据的共享、设备共享等(如打印机、绘图仪、扫描仪等)。Internet是计算机的互联网络，它将全球绝大多数的计算机网络互连在一起，以实现更为广泛的信息资源共享，目前Internet已成为电子商务和娱乐的一个基础支撑平台。上述网络虽然在传送信息的类型，传送的方式，所提供服务的种类等方面各不相同，但是它们在网络结构、基本功能、实现原理上都是相似的，它们都实现了以下四个主要的网络功能：

(1)信息传送。它是通信网的基本任务，传送的信息主要分为三大类：用户信息、信令信息、管理信息。信息传输主要由交换节点和传输系统完成。

(2)信息处理。网络对信息的处理方式对最终用户是不可见的，主要目的是增强通信的有效性、可靠性和安全性，信息最终的语义解释一般由终端应用来完成。

(3)信令机制。它是通信网上任意两个通信实体之间为实现某一通信任务，进行控制信息交换的机制，例如电话网上的No.7信令、Internet上的各种路由信息协议、TCP连接建立协议等均属此范畴。

(4)网络管理。它负责网络的运营管理、维护管理、资源管理，以保证网络在正常和故障情况下的服务质量。它是整个通信网中最具智能的部分。已形成的网络管理标准有：电信管理网标准TMN系列，计算机网络管理标准SNMP等。因此，从功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分：业务网、传送网、支撑网，如图1.4所示。图1.4现代通信网的功能结构

1)业务网业务网负责向用户提供各种通信业务，如基本话音、数据、多媒体、租用线、虚拟专用网络（VPN）等，采用不同交换技术的交换节点设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。构成一个业务网的主要技术要素有以下几方面内容：网络拓扑结构、交换节点技术、编号计划、信令技术、路由选择、业务类型、计费方式、服务性能保证机制等，其中交换节点设备是构成业务网的核心要素。各种交换技术的异同将在下一节介绍。表1.1主要业务网的类型

2)传送网传送网是随着光传输技术的发展，在传统传输系统的基础上引入管理和交换智能后形成的。传送网独立于具体业务网，负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路，在这些节点之间提供信息的透明传输通道，它还包含相应的管理功能，如电路调度、网络性能监视、故障切换等。构成传送网的主要技术要素有：传输介质、复用体制、传送网节点技术等，其中传送网节点主要有分插复用设备(ADM)和交叉连接设备(DXC)两种类型，它们是构成传送网的核心要素。传送网节点与业务网的交换节点相似之处在于：传送网节点也具有交换功能。不同之处在于：业务网交换节点的基本交换单位本质上是面向终端业务的，粒度很小，例如一个时隙、一个虚连接；而传送网节点的基本交换单位本质上是面向一个中继方向的，因此粒度很大，例如SDH中基本的交换单位是一个虚容器(最小是2Mb/s)，而在光传送网中基本的交换单位则是一个波长(目前骨干网上至少是2.5Gb/s)。另一个不同之处在于：业务网交换节点的连接是在信令系统的控制下建立和释放的，而光传送网节点之间的连接则主要是通过管理层面来指配建立或释放的，每一个连接需要长期化维持和相对固定。目前主要的传送网有SDH/SONET和光传送网(OTN)两种类型。

3)支撑网支撑网负责提供业务网正常运行所必需的信令、同步、网络管理、业务管理、运营管理等功能，以提供用户满意的服务质量。支撑网包含三部分：

(1)同步网。它处于数字通信网的最底层，负责实现网络节点设备之间和节点设备与传输设备之间信号的时钟同步、帧同步以及全网的网同步，保证地理位置分散的物理设备之间数字信号的正确接收和发送。

(2)信令网。对于采用公共信道信令体制的通信网，存在一个逻辑上独立于业务网的信令网，它负责在网络节点之间传送业务相关或无关的控制信息流。

(3)管理网。管理网的主要目标是通过实时和近实时来监视业务网的运行情况，并相应地采取各种控制和管理手段，以达到在各种情况下充分利用网络资源，以保证通信的服务质量。另外，从网络的物理位置分布来划分，通信网还可以分成用户驻地网（CPN）、接入网和核心网三部分，其中用户驻地网是业务网在用户端的自然延伸，接入网也可以看成传送网在核心网之外的延伸，而核心网则包含业务、传送、支撑等网络功能要素。三、通信网的类型

1．按业务类型分按业务类型，可以将通信网分为电话通信网(如公共交换电话网络(

PSTN)、移动通信网等)、数据通信网(如X.25、Internet、帧中继网等)、广播电视网等。

2．按空间距离分按空间距离，可以将通信网分为广域网(WAN：WideAreaNetwork)、城域网(MAN：MetropolitanAreaNetwork)和局域网(LAN：LocalAreaNetwork)。

3．按信号传输方式分按信号传输方式，可以将通信网分为模拟通信网和数字通信网。

4．按运营方式分按运营方式，可以将通信网分为公用通信网和专用通信网。需要注意的是，从管理和工程的角度看，网络之间本质的区别在于所采用的实现技术的不同，其主要包括三方面：交换技术、控制技术以及业务实现方式。而决定采用何种技术实现网络的主要因素则有：用户的业务流量特征、用户要求的服务性能、网络服务的物理范围、网络的规模、当前可用的软硬件技术的信息处理能力等。四、通信网的拓扑结构图1.5通信网的拓扑结构

1．网状网网状网的结构如图1.5(a)所示。它是一种完全互连的网，网内任意两节点间均由直达线路连接，N个节点的网络需要N(N-1)/2条传输链路。其优点是线路冗余度大，网络可靠性高，任意两点间可直接通信；缺点是线路利用率低，网络成本高，另外网络的扩容也不方便，每增加一个节点，就需增加N条线路。网状结构通常用于节点数目少，又有很高可靠性要求的场合。

2．星型网星型网的结构如图1.5(b)所示。星型网又称辐射网，该结构与网状网相比，增加了一个中心转接节点，其他节点都与转接节点有线路相连。N个节点的星型网需要N-1条传输链路。其优点是降低了传输链路的成本，提高了线路的利用率；缺点是网络的可靠性差，一旦中心转接节点发生故障或转接能力不足时，全网的通信都会受到影响。通常在传输链路费用高于转接设备，可靠性要求又不高的场合，可以采用星型结构，以降低建网成本。

3．复合型网复合型网的结构如图1.5(c)所示。它是由网状网和星型网复合而成的。它以星型网为基础，在业务量较大的转接交换中心之间采用网状网结构，因而整个网络结构比较经济，且稳定性较好。由于复合型网络兼具了星型网和网状网的优点，因此目前在规模较大的局域网和电信骨干网中广泛采用分级的复合型网络结构，但应注意在设计时要以转接设备和传输链路的总费用最小为原则。

4．总线型网总线型网的结构如图1.5(d)所示。它属于共享传输介质型网络，总线型网中的所有节点都连至一个公共的总线上，任何时候只允许一个用户占用总线发送或接送数据。该结构的优点是需要的传输链路少，节点间通信无需转接节点，控制方式简单，增减节点也很方便；缺点是网络服务性能的稳定性差，节点数目不宜过多，网络覆盖范围也较小。总线结构主要用于计算机局域网、电信接入网等网络中。

5．环型网环型网的结构如图1.5(e)所示。该结构中所有节点首尾相连，组成一个环。N个节点的环网需要N条传输链路。环网可以是单向环，也可以是双向环。该网的优点是结构简单，容易实现，双向自愈环结构可以对网络进行自动保护；缺点是节点数较多时转接时延无法控制，并且环型结构不好扩容，每加入一个节点都要破环。环型结构目前主要用于计算机局域网、光纤接入网、城域网、光传输网等网络中。五、通信网的业务目前各种网络为用户提供了大量的不同业务，业务的分类并无统一的方式，一般会受到实现技术和运营商经营策略的影响。业务应根据所依赖的技术、业务提供的信息类型、用户的业务量特性、对网络资源的需求特征等方面分类，如图1.6所示。好的业务分类有助于运营商进行网络规划和运营管理(例如对商业用户和个人用户制定不同的价格策略和资源分配策略)。这里我们借鉴传统ITU-T建议的方式，根据信息类型的不同将业务分为四类：话音业务、数据业务、图像业务、视频和多媒体业务。图1.6通信业务的带宽需求

1．电话业务目前通信网提供固定电话业务、移动电话业务、VoIP、会议电话业务和电话语音信息服务业务等。该类业务不需要复杂的终端设备，所需带宽小于64kb/s，采用电路或分组方式承载。

2．数据业务低速数据业务主要包括电报、电子邮件、数据检索、Web浏览等。该类业务主要通过分组网络承载，所需带宽小于64kb/s。高速数据业务包括局域网互连、文件传输、面向事务的数据处理业务，所需带宽均大于64kb/s,采用电路或分组方式承载。

3．图像业务图像业务主要包括传真、CAD/CAM图像传送等。该类业务所需带宽差别较大，G4类传真需要2.4～64kb/s的带宽，而CAD/CAM则需要64kb/s～34Mb/s的带宽。

4．视频和多媒体业务视频和多媒体业务包括可视电话、视频会议、视频点播、普通电视、高清晰度电视等。该类业务所需的带宽差别很大，例如，会议电视需要64k～2Mb/s，而高清晰度电视需要140Mb/s左右。目前通信网业务存在的主要问题是：大多数业务都是基于旧的技术和现存的网络结构来实现的，因此除了基本的话音和低速数据业务外，大多数业务的服务性能都与用户实际的要求存在不小的差距。

5．承载业务与终端业务目前，还有另外一种广泛使用的业务分类方式，即按照网络提供业务的方式，将业务分为三类：承载业务、用户终端业务和补充业务。

(1)承载业务：网络提供的单纯的信息传送业务，具体地说，是在用户网络接口处提供的。网络用电路或分组交换方式将信息从一个用户网络接口透明地传送到另一个用户网络接口，而不对信息做任何处理和解释，它与终端类型无关。一个承载业务通常用承载方式(分组还是电路交换)、承载速率、承载能力(语音、数据、多媒体)来定义。

(2)用户终端业务：所有各种面向用户的业务，它在人与终端的接口上提供。它既反映了网络的信息传递能力，又包含了终端设备的能力，终端业务包括电话、电报、传真、数据、多媒体等。一般来讲，用户终端业务都是在承载业务的基础上增加了高层功能而形成的。

(3)补充业务：又叫附加业务，是由网络提供的，在承载业务和用户终端业务的基础上附加的业务性能。补充业务不能单独存在，它必须与基本业务一起提供。常见的补充业务有主叫号码显示、呼叫转移、三方通话、闭合用户群等。图1.7承载业务和用户终端业务未来通信网提供的业务应呈现以下特征：(1)移动性，包括终端移动性、个人移动性；(2)带宽按需分配(3)多媒体性；(4)交互性。第2章电话通信网

——数字程控交换系统2.1电话网概述2.2电话通信网的特点2.3电话通信网分类2.4电话通信网的发展

2.1电话通信网概述

2.1.1电话通信的起源

1.电话的问世电话通信是我们生活中应用最广泛、使用最频繁的一种通信方式。电话通信的起源要追溯到1876年,由美国科学家贝尔发明。最初的电话通信只能完成一部话机与另一部话机的固定通信,如图2.1所示。这种仅涉及到两个终端的通信称为点对点通信。图2.1点对点通信点对点通信存在以下缺点：

(1)任意两个用户之间的通话都需要一条专门的线路直接连接,当存在N个终端时需要的传输线数为N(N-1)/2对,传输线的数量随终端数的增加而急剧增加。如图2.2所示。

(2)每个终端都有N-1对线与其他终端相接,因而每个终端需要N-1个线路接口。

(3)增加第N+1个终端时,必须增设N对线路。

(4)当终端间相距较远时,线路信号衰耗大。图

2.2多个终端的点对点通信

2.交换设备的诞生

1892年,美国人阿尔蒙·B·史端乔的提出了交换的设想。其基本思想是将多个终端与一个转接设备相连,当任何两个终端要传递信息时,该转接设备就把连接这两个用户的有关开关电路合上,通信完毕,再把相应的电路断开。我们称这个转接设备为交换机,如图2.3所示。

图

2.3有交换设备的通信

第一个阶段是人工交换阶段。第二个阶段是机电式自动交换阶段。第三个阶段是电子式自动交换阶段。第四个阶段是信息包交换发展阶段。当前在通信网中主要的业务是电话业务,因此电话网是通信网的基础,那么什么是电话通信网呢？

1.电话通信网的定义

电话通信网是以电路交换为基础,以电话业务为主体的电信网。在电话通信网中还可以包含一些非话业务,例如传真、数据等。如果把其他一些业务(如电报、图像等)都包括进去就是我们通常所说的综合业务数字网(ISDN)。

2.2电话通信网特点

2.电话通信网的组成

(1)终端设备位于电话网中的起点和终点,其任务是将含有信息的消息转换成可被传输媒介接受的电信号形式,同时将来自传输媒介的电信号还原成原始消息。此外,终端设备还用于产生和识别网内所需的信令,以便相互连系和应答。电话网中的终端设备主要指电话机。

(2)传输系统是传输媒介(传输线路)和传输设备的总称,其任务是把电信号从一个地点传输至另一地点。常用的传输媒介有电缆、

光缆等,相应的传输设备有PCM端机、

光端机等。

(3)交换设备承担了为所有终端提供连接通路的任务,它根据地址信息和信令进行网内链路的连接,以使电话网中的多对用户建立信号通路,实现任意通信双方的话音信号交换。早期的交换设备有人工交换机、步进制交换机、纵横制交换机、空分式模拟程控交换机等,目前先进的交换机有时分式数字程控交换机、ATM交换机等。在电话通信网中,当用户分布的地域较广时,就设置多个交换设备(如市话分局交换机设备),当电话网的范围更大时,就要引入汇接交换设备。一个典型的市话通信网如图2.4所示。

图

2.4典型的市话通信网结构

3.电话网特点电话网最初的设计目标很简单,就是要支持话音通信,因此话音业务的特点也就决定了电话网的技术特征。归纳起来,电话网的特点有以下几点:

(1)同步时分复用。在电话网中,广泛采用同步时分复用方式。它是将多个用户信息在一条物理传输媒介上以时分的方式进行复用,来提高线路利用率。在复用时,每个用户在一帧中只能占用一个时隙,且是固定的时隙,因此每个用户所占的带宽是固定的。这一点与话音通信的恒定速率是相适应的。

(2)同步时分交换。在交换时,直接将一个用户所在时隙的信息同步地交换到对端用户所占用的时隙中,以完成两用户之间话音信息的交换。

(3)面向连接。在用户开始呼叫时,先要为两用户之间建立起一条端到端的连接,并进行资源的预留(预留时隙)。这样,当双方用户进入通话状态在进行用户信息传输时,不需要再进行路由选择和排队过程,因此时延非常小,最大时延不超过125μs。

(4)接口功能:能连接不同种类和性质的终端设备。

(5)运行、管理和维护功能:通过信令系统和维护软件实现对电话网的配置以及对性能、故障、安全、统计、计费等的管理与维护。

1.按照电话网所管辖的范围分类

(1)公用电话网：它又叫公众网,指的是由国家电信主管部门经营的、向全社会开放的通信网。公用电话网又可以按地理范围划分为国际长途电话网、国内长途电话网、本地电话网、城市电话网和农村电话网等。

(2)专用电话网:它是为具有特殊业务性质的单位进行内部通信所设置的通信网,有各行业自己的通信特点。常见的专用网有军队网、公安网、铁路网和银行交易通信网等。

2.3电话通信网分类

2.按照不同的信号类型分类按照不同的信号类型分为数字网、模拟网和数模混合网。

(1)模拟网:指的是通信网的三要素都是按模似信号工作的。

(2)数字网:指的是通信网的三要素都是按数字信号工作的。

(3)数模混合网:指的是通信网的三要素中有用模似信号工作的,也有用数字信号工作的。

3.按照传输媒介分类

按照传输系统中所使用的传输媒介分为有线传输网和无线传输网。

(1)有线传输网：有载波传输系统、PCM传输系统、光纤传输系统等。

(2)无线传输网:有微波传输系统、

卫星传输系统等。

4.按照网络结构分类

根据电话网交换节点互连的不同方法分为树型结构、星型结构、环型结构、网状结构、总线结构、

蜂窝结构等。

5.按照复用方式分类

(1)频分复用方式:是指把传输频带分割成若干部分,每个部分均可作为一个独立的传输信道使用,每个用户所占用的仅仅是其中的一个频段。

(2)时分复用方式:是指把传输信道按时间分割成若干部分,每个部分均可作为一个独立的传输信道使用,每个用户在信道上所占用的仅仅是其中的一段使用信道时间。随着复用技术的发展，还有码分多址、

空分多址等方式。

6.按照用户业务和管理业务分类

按照用户业务和和管理业务分为业务网和支撑网。电话网属于业务网。支撑网是在业务网的基础上,为增强业务网的功能,保证全网服务质量,快速、方便、经济、灵活地提供新的电信业务而设置的附加网络结构。支撑网包括信令网、同步网、智能网和管理网。

(1)信令网。它是专门用来传输信令的公共网络,可实现网络节点间信令的传输和转接。

(2)同步网。为提高数字信号传输的完整性,必须使数字设备中的时钟速率同步。同步网的功能就是使全网中的数字交换系统和数字传输系统工作于相同的时钟频率。

(3)管理网。在业务网中为防止由于某一路由或局站(节点)的阻塞而引起全网阻塞,必须对网络实行自动监控。管理网的功能就是对网络运行进行实时监测,保证网络安全运行,控制异常状态的扩散。同时做好网络设备的调度,以达到在任何情况下,最大限度地使用网络中一切可以利用的设备。

(4)智能网。它