程控交換與光纖通信第一章

第1章緒論1.1交換與通信網(wǎng)1.2交換原理1.3交換技術(shù)分類1.4交換技術(shù)演進(jìn)思考題1.1交換與通信網(wǎng)1.1.1交換機(jī)的引入僅涉及兩個終端的單向或交互通信方式稱為點(diǎn)對點(diǎn)通信。圖1.1點(diǎn)對點(diǎn)通信圖1.1點(diǎn)對點(diǎn)通信當(dāng)存在多個終端，且希望它們中的任何兩個都可以進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如圖1.2所示。這樣的一種連接方式稱為全互連式。全互連式連接存在下列一些缺點(diǎn)：

(1)當(dāng)存在N個終端時，需用N(N-1)/2條線對，線對數(shù)量以終端數(shù)的平方增加。

(2)當(dāng)這些終端分別位于相距很遠(yuǎn)的兩地時，兩地間需要大量的長線路。

(3)每個終端都有N-l對線與其它終端相接，因而每個終端需要N-1個線路接口。圖1.2多用戶全互連式連接

(4)增加第N+1個終端時，必須增設(shè)N對線路。當(dāng)N較大時，無法實(shí)用化。

(5)由于每個用戶處的出線過多，因此維護(hù)工作量較大。

解決方法：如果在用戶分布密集的中心安裝一個設(shè)備——交換機(jī)(switch，也叫交換節(jié)點(diǎn))，每個用戶的終端設(shè)備經(jīng)各自的專用線路(叫用戶線)連接到交換機(jī)上，如圖1.3所示，就可以克服全互連式連接存在的問題。圖1.3用戶通過交換機(jī)連接圖1.3中，當(dāng)任意兩個用戶之間要交換信息時，交換機(jī)將這兩個用戶的通信線路連通。用戶通信完畢，兩個用戶間的連線就斷開。有了交換設(shè)備，N個用戶只需要N對線就可以滿足要求，線路的投資費(fèi)用大大降低，用戶線的維護(hù)也變得簡單容易。盡管這樣增加了交換設(shè)備的費(fèi)用，但它的利用率很高，相比之下，總的投資費(fèi)用將下降。1.1.2通信網(wǎng)最簡單的通信網(wǎng)(communicationnetwork)僅由一臺交換機(jī)組成，如圖1.4所示。圖1.4由一臺交換機(jī)組成的通信網(wǎng)每一臺通信終端通過一條專門的用戶環(huán)線(或簡稱用戶線)與交換機(jī)中的相應(yīng)接口連接。交換機(jī)能在任意選定的兩條用戶線之間建立和釋放一條通信鏈路。當(dāng)用戶數(shù)量很多且分布的區(qū)域較廣時，一臺交換機(jī)不能覆蓋所有用戶，這時就需要設(shè)置多臺交換機(jī)組成如圖1.5所示的通信網(wǎng)。網(wǎng)中直接連接電話機(jī)或終端的交換機(jī)稱為本地交換機(jī)或市話交換機(jī)，相應(yīng)的交換局稱為端局或市話局；僅與各交換機(jī)連接的交換機(jī)稱為匯接交換機(jī)。當(dāng)通信距離很遠(yuǎn)，通信網(wǎng)覆蓋多個省市乃至全國范圍時，匯接交換機(jī)常稱為長途交換機(jī)。交換機(jī)之間的線路稱為中繼線。顯然，長途交換設(shè)備僅涉及交換機(jī)之間的通信，而市內(nèi)交換設(shè)備既涉及到交換設(shè)備之間的通信又涉及到交換設(shè)備與終端的通信。圖1.5多臺交換機(jī)組成的通信網(wǎng)圖1.5中的用戶交換機(jī)PBX(PrivateBranchExchange)常用于一個集團(tuán)的內(nèi)部。PBX與市話交換機(jī)之間的中繼線數(shù)目通常遠(yuǎn)比PBX所連接的用戶線數(shù)目少，因此當(dāng)集團(tuán)中的電話主要用于內(nèi)部通信時，采用PBX要比將所有話機(jī)都連到市話交換機(jī)上更經(jīng)濟(jì)。1.1.3面向連接網(wǎng)絡(luò)和無連接網(wǎng)絡(luò)

信息在通信網(wǎng)中由發(fā)端至終端逐節(jié)點(diǎn)傳遞時，網(wǎng)絡(luò)有兩種工作方式：面向連接CO(ConnectionOriented)和無連接CL(Connectionless)。。

1.面向連接網(wǎng)絡(luò)圖1.6給出了面向連接網(wǎng)絡(luò)的傳送原理。圖1.6面向連接網(wǎng)絡(luò)的傳送原理呼叫請求呼叫接收清除請求假定A站有三個數(shù)據(jù)塊要送到C站，它首先發(fā)送一個“呼叫請求”消息到節(jié)點(diǎn)l，要求到C站的連接。節(jié)點(diǎn)1-2-3-6最終將“呼叫請求”消息投送到C站。如果C站準(zhǔn)備接受這些數(shù)據(jù)塊的話，它就發(fā)出一個“呼叫接受”消息到節(jié)點(diǎn)6，這個消息通過節(jié)點(diǎn)3、2和節(jié)點(diǎn)1送回到A站?，F(xiàn)在，A站和C站之間可以經(jīng)由這條建立的連接(圖中虛線所示)來交換數(shù)據(jù)塊了。此后的每個數(shù)據(jù)塊都經(jīng)過這個連接來傳送，不再需要選擇路由。據(jù)傳送結(jié)束后，由任意一端用一個“清除請求”消息來終止這一連接。面向連接網(wǎng)絡(luò)建立的連接有兩種:實(shí)連接和虛連接。用戶通信時，如果建立的連接由一條接一條的專用電路資源連接而成，無論是否有用戶信息傳遞，這條專用連接始終存在，且每一段占用恒定的電路資源，那么這個連接就叫實(shí)連接；如果電路的分配是隨機(jī)的，用戶有信息傳送時才占用電路資源(帶寬根據(jù)需要分配)，無信息傳送就不占用電路資源，對用戶的識別改用標(biāo)志，即一條連接使用相同標(biāo)志統(tǒng)計占用的電路資源，那么這樣一段又一段串接起來的標(biāo)志連接叫虛連接。顯然，實(shí)連接的電路資源利用率低，而虛連接的電路資源利用率高。2.無連接網(wǎng)絡(luò)圖1.7無連接網(wǎng)絡(luò)的信息傳送過程假定A站有三個數(shù)據(jù)塊要送到C站，它將數(shù)據(jù)塊1、2、3一連串地發(fā)給節(jié)點(diǎn)1。節(jié)點(diǎn)1需對每個數(shù)據(jù)塊做出路由選擇的決定。在以后通往C站路由的各節(jié)點(diǎn)上，都作類似的處理。這樣，每個路由雖都有同樣的目的地址，但并不遵循同一路由。另外，數(shù)據(jù)塊3先于數(shù)據(jù)塊2到達(dá)節(jié)點(diǎn)6是完全有可能的，因此，這些數(shù)據(jù)塊有可能以一種不同于它們發(fā)送時的順序投送到C站，這就需要C站來重新排列它們，以恢復(fù)它們原來的順序。面向連接網(wǎng)絡(luò)和無連接網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別如下：

(1)面向連接網(wǎng)絡(luò)用戶的通信總要經(jīng)過建立連接、信息傳送、釋放連接三個階段；而無連接網(wǎng)絡(luò)不為用戶的通信過程建立和拆除連接。

(2)面向連接網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)為每一個呼叫選路，節(jié)點(diǎn)中需要有維持連接的狀態(tài)表；而無連接網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)為每一個傳送的信息選路，節(jié)點(diǎn)中不需要維持連接的狀態(tài)表。

(3)用戶信息較長時，采用面向連接的通信方式的效率高；反之，使用無連接的方式要好一些。1.1.5信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳送方式信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳送方式稱為傳送模式，包括信息的復(fù)用、傳輸和交換方式。復(fù)用方式和傳輸方式對交換方式有很大影響，因此本節(jié)介紹同步傳送模式STM(SynchronousTransferMode)和異步傳送模式ATM(AsynchronousTransferMode)。1.同步傳送模式STM采用同步時分復(fù)用STDM(SynchronousTimeDivisionMultiplexing)、傳輸和同步時分交換STDS(SynchronousTimeDivisionSwitch)技術(shù)。同步時分復(fù)用是指將時間劃分為基本時間單位，一幀時長是固定的(常見的為125μs)。每幀分成若干個時隙，并按順序編號，所有幀中編號相同的時隙成為一個子信道。該信道是恒定速率的，具有周期出現(xiàn)的特點(diǎn)。一個子信道傳遞一路信息。這種信道也稱為位置化信道，因?yàn)楦鶕?jù)它在時間軸上的位置，就可以知道是第幾路信道。對同步時分復(fù)用信號的交換實(shí)際上是對信息所在位置的交換，即時隙的內(nèi)容在時間軸上的移動，稱為同步時分交換。STM的優(yōu)點(diǎn)是一旦建立連接，該連接的服務(wù)質(zhì)量便不會受網(wǎng)絡(luò)中其它用戶的影響。但是為了保證連接所需帶寬，必須按信息最大速率分配信道資源。這一點(diǎn)對恒定比特率業(yè)務(wù)沒有影響，但對可變比特率業(yè)務(wù)會有影響，它會降低信道利用率。

2.異步傳送模式ATM采用異步時分復(fù)用ATDM(AsynchronousTimeDivisionMultiplexing)、傳輸和異步時分交換ATDS(AsynchronousTimeDivisionSwitch)技術(shù)。異步時分復(fù)用把需要傳送的信息分成很多小段，稱為分組。每個分組前附加標(biāo)志碼，說明分組要去哪個輸出端。來自同一用戶的信息劃分成的分組的標(biāo)志碼相同。各個分組在復(fù)接時可以使用任何時隙(子信道)。這樣，把一個信道劃分成若干子信道，用標(biāo)志碼標(biāo)識的信道稱為標(biāo)志化信道。這時，一個信道中的信息與它在時間軸上的位置(即時隙)沒有必然聯(lián)系。將這樣的子信道合成為一個信道的技術(shù)，稱為異步時分復(fù)用(也叫統(tǒng)計時分復(fù)用)。對異步時分復(fù)用信號的交換實(shí)際上就是按照每個分組信息前的路由標(biāo)記，將其分發(fā)到出線，這種交換方式叫異步時分交換(也叫存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換)。異步時分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)是能夠統(tǒng)計地、動態(tài)地占用信道資源。圖1.10對兩種時分復(fù)用信號進(jìn)行了簡單的比較。圖1.10兩種復(fù)用方式比較(a)同步時分復(fù)用；(b)異步時分復(fù)用1.2交換原理1.2.1交換節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)由終端、交換機(jī)和傳輸系統(tǒng)組成。終端只是信息產(chǎn)生的源點(diǎn)或接收信息的目的點(diǎn)。傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳送信息。網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜控制只能由交換機(jī)來完成，因此，交換機(jī)的性能決定了網(wǎng)絡(luò)的性能。無論何種交換機(jī)，在通信網(wǎng)中均完成如下功能：

(1)接入功能：完成用戶業(yè)務(wù)的集中和接入，通常由各類用戶接口和中繼接口完成。

(2)交換功能：指信息從通信設(shè)備的一個端口進(jìn)入，從另一個端口輸出。這一功能通常由交換模塊或交換網(wǎng)絡(luò)完成。

(3)信令功能：負(fù)責(zé)呼叫控制及連接的建立、監(jiān)視、釋放等。

(4)其它控制功能：包括路由信息的更新和維護(hù)、計費(fèi)、話務(wù)統(tǒng)計、維護(hù)管理等。雖然具體交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)受到業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式的限制，但實(shí)現(xiàn)交換的基本成分均包含路由表、轉(zhuǎn)發(fā)表(可選)、交換模塊(分為空分型、共享存儲器型和總線型等)和相關(guān)控制信令(路由信息交換信令、轉(zhuǎn)發(fā)表的建立控制信令、局間端到端的連接建立信令等)，見圖1.11。圖1.11交換節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)(a)面向連接；(b)無連接1.路由表終端、交換機(jī)和傳輸線之間的連接形式多種多樣。如果用線表示傳輸線，用點(diǎn)表示終端或交換機(jī)，那么用點(diǎn)和線的組合就可以描述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)要正確完成指定的交換功能，基本的前提是網(wǎng)絡(luò)中的每一個交換節(jié)點(diǎn)都必須擁有當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。為便于敘述，我們將交換節(jié)點(diǎn)中存儲的到網(wǎng)絡(luò)中每一個目的地的路由信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為“路由表”，交換節(jié)點(diǎn)依靠它進(jìn)行尋址選路。

2.轉(zhuǎn)發(fā)表在無連接網(wǎng)絡(luò)中，由于每一個分組都攜帶目的地網(wǎng)絡(luò)地址，交換節(jié)點(diǎn)只需要根據(jù)路由表就可以完成從入端口到出端口的交換。在面向連接網(wǎng)絡(luò)中，連接建立階段傳遞的控制數(shù)據(jù)中包含目的地地址，沿途交換節(jié)點(diǎn)以目的地地址為關(guān)鍵字，查找路由表，就可以確定到指定目的地相應(yīng)入端口的信息應(yīng)該交換到哪一個出端口，交換節(jié)點(diǎn)同時將該信息保存到一張數(shù)據(jù)表中，以維持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的連接狀態(tài)，這張表就是轉(zhuǎn)發(fā)表。在用戶數(shù)據(jù)傳輸階段，用戶數(shù)據(jù)無需攜帶目的地地址，交換節(jié)點(diǎn)將根據(jù)已經(jīng)建立好的轉(zhuǎn)發(fā)表實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換。實(shí)際上，轉(zhuǎn)發(fā)表記錄的是一個交換節(jié)點(diǎn)當(dāng)前維持的連接在該交換節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)交換時要走的內(nèi)部通道信息。在廣域網(wǎng)中，對于CL型的網(wǎng)絡(luò)，由于每個節(jié)點(diǎn)無需創(chuàng)建并維持連接狀態(tài)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需一張路由表就可以完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；而CO型的網(wǎng)絡(luò)則需要兩張表：路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表。其中，路由表建立的是交換機(jī)之間的連接，而轉(zhuǎn)發(fā)表控制交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。3.交換模塊交換功能是交換系統(tǒng)最重要的基本功能之一。完成這一基本功能的部件是交換模塊，也叫交換網(wǎng)絡(luò)(switchingnetwork)。如果不考慮交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那么交換網(wǎng)絡(luò)對外的特性是一組入線和一組出線。N條入線和N條出線組成的交換網(wǎng)絡(luò)用N×N表示。交換網(wǎng)絡(luò)的作用是將任意入線的信息交換到指定出線去。交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理見圖1.12。圖1.12交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理1.2.2基本交換單元交換網(wǎng)絡(luò)由基本交換單元構(gòu)成。基本交換單元有如下幾種：空分陣列、共享總線型交換單元和共享存儲器型交換單元。

1.空分陣列

1)一般結(jié)構(gòu)空分陣列由一組入線、一組出線以及連接入線和出線的開關(guān)(交叉點(diǎn))組成，因此也叫開關(guān)陣列，見圖1.13。

圖1.13空分陣列在交換單元內(nèi)部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，只需通過控制開關(guān)的閉合就可實(shí)現(xiàn)，因此控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

2)主要特點(diǎn)

(1)開關(guān)陣列的交叉點(diǎn)數(shù)是交換單元的入線數(shù)和出線數(shù)的乘積。當(dāng)入線數(shù)和出線數(shù)增加時，交叉點(diǎn)數(shù)目會迅速增加，因此開關(guān)陣列適合構(gòu)成較小的交換單元。

(2)當(dāng)某條入線和與其連接的所有出線間的一行開關(guān)部分或全部處于接通狀態(tài)時，開關(guān)陣列很容易實(shí)現(xiàn)多播和廣播功能。同樣，若某條出線對應(yīng)的一列開關(guān)部分或全部接通，若干條入線同時接至一條出線，則必然產(chǎn)生出線沖突，所以一列開關(guān)只能有一個處于接通狀態(tài)。2.共享總線型交換單元1)一般結(jié)構(gòu)共享總線型交換單元包括入線控制部件、出線控制部件和總線三部分。交換單元的每條入(出)線經(jīng)各自的入(出)線控制部件與總線相連?？偩€按時隙輪流分配給各個入線控制部件和出線控制部件使用，分配到總線的輸入部件將輸入信號送到總線上，見圖1.14。圖1.14共享總線型交換單元的一般結(jié)構(gòu)2)主要特點(diǎn)入線控制部件的功能是接收入線信號，將信號的格式進(jìn)行相應(yīng)變換，然后放在緩沖存儲器中，并在分配給該部件的時隙上把收到的信息送到總線上。出線控制部件的功能是檢測總線上的信號，并把屬于自己的信息讀入一個緩沖存儲器中，再將信號格式做相反變換，形成出線信號送出。總線包括多條數(shù)據(jù)線和控制線。數(shù)據(jù)線用于在入線控制部件和出線控制部件間傳送信號?？刂凭€用于控制各入線控制部件以獲得時隙和發(fā)送信息，并控制出線控制部件讀取屬于自己的信息。總線時隙分配要按一定的規(guī)則。最簡單也最常用的規(guī)則是：不管各入線控制部件是否有信息，只是按順序把時隙分給各入線。比較復(fù)雜但效率較高的規(guī)則是：只在入線有信息時才分配給入線時隙。因此共享總線型交換單元既可以用于同步交換也可以用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換，這取決于時隙分配原則。3.共享存儲器型交換單元

1)一般結(jié)構(gòu)

共享存儲器型交換單元的一般結(jié)構(gòu)如圖1.15所示。它的核心部件是存儲器，它被分成N個區(qū)域，N個輸入數(shù)字信號分別存入N個不同區(qū)域，再分別讀出以實(shí)現(xiàn)交換。圖1.15共享存儲器型交換單元的一般結(jié)構(gòu)圖1.15共享存儲器型交換單元的一般結(jié)構(gòu)2)工作方式(1)入線緩沖。若存儲器中的N個區(qū)域是和各路輸入信號一一對應(yīng)的，即第1路輸入信號送到第1個存儲區(qū)域(編號為0)，第2路輸入信號送到第2個存儲區(qū)域(編號為1)等等，則稱交換單元是入線緩沖的。

(2)出線緩沖。若存儲器中的N個區(qū)域是和各路輸出信號一一對應(yīng)的，即第1個存儲區(qū)域(編號為0)的數(shù)據(jù)作為第1路輸出信號，第2個存儲區(qū)域(編號為1)的數(shù)據(jù)作為第2路輸出信號等等，則稱交換單元是出線緩沖的。共享存儲器型交換單元既可用于同步交換也可用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換，但它們的具體實(shí)現(xiàn)有所不同。1.2.3交換機(jī)的物理結(jié)構(gòu)圖1.16交換機(jī)的組成框圖用戶接口和中繼接口：用戶通過用戶線連接到交換系統(tǒng)的用戶接口，交換局間通過中繼線連接中繼接口。根據(jù)傳輸線上的信號不同，用戶接口和中繼接口又有模擬和數(shù)字之分。通過用戶或中繼接口可以將來自不同終端(如電話機(jī)、計算機(jī)等)或其它交換機(jī)的各種傳輸信