第2章交換單元與交換網(wǎng)絡

第2章交換單元與交換網(wǎng)絡1交換網(wǎng)絡的構成和分類交換單元交換單元的基本概念開關陣列與空間交換單元共享存儲器型的交換單元——時間交換單元共享總線型的交換單元——數(shù)字交換單元交換網(wǎng)絡CLOS網(wǎng)絡TST網(wǎng)絡DSN網(wǎng)絡BANYAN網(wǎng)絡主要內容2學習要點1、了解描述交換單元連接特性的方法。2、了解交換單元外部特性的描述指標。3、掌握三種典型的交換單元的結構、特性及工作原理。4、掌握TST網(wǎng)絡選擇內部時隙的對偶原則。5、了解CLOS網(wǎng)絡的構成方法及其特性。6、了解BANYAN網(wǎng)絡的結構及其特性。7、弄清楚嚴格無阻塞網(wǎng)絡、可重排無阻塞網(wǎng)絡、廣義無阻塞網(wǎng)絡的基本概念。3交換的基本功能是在任意的入線和出線之間建立連接。在交換系統(tǒng)中完成這一基本功能的部件就是交換網(wǎng)絡，它是交換系統(tǒng)的核心。交換網(wǎng)絡是由若干個交換單元按照一定的拓撲結構和控制方式構成的。

交換單元是構成交換網(wǎng)絡的最基本的部件。交換網(wǎng)絡有：空分、時分數(shù)字、模擬2.1交換網(wǎng)絡的構成和分類4交換單元的基本概念開關陣列與空間交換單元共享存儲器型的交換單元——時間交換單元共享總線型的交換單元——數(shù)字交換單元2.2交換單元52.2.1交換單元的基本概念入線出線控制端狀態(tài)端…………MXN的交換單元0011M-1N-16入線出線0011442323同步時分復用信號的交換兩種信號的交換7入線出線001221異步時分復用信號的交換0210001222兩種信號的交換8交換單元按使用需要的不同可分為：入線0M-1出線0N-1入線0M-1出線0N-1出線0N-1入線0M-1集中型（M>N）擴散型（M<N）連接型/分配型（M=N）9交換單元按信息流向分為：有向交換單元：當信息經(jīng)過交換單元時只能從入線進出線出，具有唯一確定的方向。無向交換單元：交換單元的每條線即可入也可出，其入線數(shù)必等于出現(xiàn)數(shù)。出線0N-1入線0M-1MXN有向交換單元入線/出線0N-1N無向交換單元…..…..102.交換單元的連接特性

連接特性是交換單元的基本特性，它反映了交換單元入線到出線的連接能力，通常我們用連接集合和連接函數(shù)來描述交換單元的連接特性

連接集合：入線集合：T={0,1,2,…,M-1}

出線集合：R={0,1,2,…,N-1}

定義：t∈T，即t是T的一個元

r∈Rt，Rt是R的一個子集，r是Rt的一個元

則集合c={t,Rt}為一個連接。11若r∈Rt，Rt中只含有一個元，則稱該連接為點到點連接。若r∈Rt，Rt中含有多個元，則稱該連接為一點到多點連接。若一個交換單元可以提供點到多點的功能，但Rt≠R，則稱其具有同發(fā)功能；若Rt=R，則該交換單元具有廣播功能。

交換單元的連接特性12

交換單元的連接特性一個交換單元的連接同時可有多個，這就構成了交換單元的連接集合：

C={c0,c1,c2,…}其中：起點集Tc={t;t∈ci,ciC}

終點集Rc={r;r∈Rt,Rt

ci

,

ci

C}

連接和連接集合是對應于某一時刻的連接集合的數(shù)目越多，連接能力就越強13

連接函數(shù)

一個連接函數(shù)對應一種連接，連接函數(shù)表示相互連接的入線編號和出線編號之間的一一對應關系，即存在連接函數(shù)f，入線x與出線f(x)相連接，0≤x≤M-1，0≤f(x)≤N-1。

連接函數(shù)實際上也反映了入線編號構成的數(shù)組和出線編號構成的數(shù)組之間的置換關系或排列關系，故連接函數(shù)也被稱作置換函數(shù)或排列函數(shù)。

交換單元的連接特性14

函數(shù)表示形式

x表示入線編號（二進制表示），f(x)表示連接函數(shù)。

排列表示形式即輸入輸出對應表示形式t0，t1，…，tn-1r0，r1，…，rn-1

圖形表示形式連接函數(shù)的表示形式15直線連接：函數(shù)表示：I(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…

x1x0

排列表示（N=4）：0，1，2，30，1，2，3

圖形表示（N=4）：

00123123

交換單元常用的連接函數(shù)16交叉連接：函數(shù)表示：E(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…

x1x0

排列表示（N=4）：0，1，2，31，0，3，2

圖形表示（N=4）：

00123123

交換單元的連接特性17間隔交叉連接：

Ck(xn-1xn-2…xk

…

x1x0)=xn-1xn-2…xk

…

x1x00012312300123123N=4k=1N=4k=0

交換單元的連接特性18均勻洗牌連接：

σ(xn-1xn-2…xk

…

x1x0)=xn-2…xk

…

x1x0xn-10123N=84567301234567

交換單元的連接特性19蝶式連接：

β(xn-1xn-2…xk

…

x1x0)=x0xn-2…xk

…

x1xn-10123N=8456701234567

交換單元的連接特性20交換單元的性能

容量：交換單元所有入線可以同時送入的總的信息量接口：交換單元需要規(guī)定自己的信號接口標準，即信號形式、速率及信息流方向功能：點到點、同發(fā)、廣播質量：完成交換動作的速度、任何情況下是否能完成指定連接、信息經(jīng)過交換單元是否有損傷（時間、語義）212.2.2開關陣列與空間交換單元——開關陣列在交換單元內部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，就在每條入線和每條出線之間都各自接上一個開關，所有開關就構成了交換單元內部的開關陣列。22MXN有向交換單元01N-101M-1入線出線MXN有向矩形開關陣列開關陣列的工作原理出線0N-1入線0M-1…..…..23N無向方形開關陣列入線0N-1N無向交換單元01N-101N-1入線出線開關陣列的工作原理24全連接交換單元和部分連接交換單元01N-101N-1入線出線01N-101N-1入線出線2501M-1入線出線入線0M-1出線入線0N-1出線01N-1入線出線多路選擇器26多路選擇器27開關陣列的特性開關控制簡單，從入線到出線具有均勻的單位延遲時間。開關陣列適合于構成較小的交換單元（開關數(shù)反映了實現(xiàn)的復雜度和成本的高低）。交換單元的性能依賴于所使用的開關?？刂菩盘柡唵稳菀讓崿F(xiàn)同發(fā)和廣播功能28繼電器：其構成的交換單元是無向的，可交換模擬和數(shù)字信息，干擾和噪聲大、動作慢（ms級）、體積大（cm級）。模擬電子開關：一般利用半導體材料制成。如：MC142100、MC145100（4x4開關陣列）

只能單向傳送，且衰耗和時延較大。數(shù)字電子開關：由簡單的由邏輯門構成，用于數(shù)字信號的交換，開關動作極快且無信號損失。實際的開關陣列29

空間交換單元也稱為空間接線器（SpaceSwitch），簡稱為S單元或S接線器，用來實現(xiàn)多個輸入復用線與多個輸出復用線之間的空間交換，而不改變其時隙位置。2.3空間交換單元圖

S接線器的組成30S接線器的構成：交叉點矩陣、控制存儲器交叉點矩陣：開關陣列控制存儲器（CM-ControlMemory）：S接線器所含CM數(shù)量等于入（出）線數(shù)每個CM的所含有的存儲單元個數(shù)等于入（出）線上的復用時隙數(shù)每個存儲單元為n位bit,且滿足N≤2n,其中N

為入（出）線上數(shù)

空間交換單元的基本結構31空間交換單元的控制方式012012012TS12TS8TS12TS808121272TS8TS8輸入控制方式1TS12TS122032空間交換單元的控制方式012012012TS12TS8TS12TS808122TS8TS8輸出控制方式0TS12TS1220127332.4共享存儲器型的交換單元——時間交換單元01N-1輸入信號輸出信號共享存儲器型交換單元的一般結構工作方式：入線緩沖、出線緩沖34

時間交換單元也稱為時間接線器（TimeSwitch），簡稱為T單元或T接線器，用來實現(xiàn)時隙交換功能。所謂時隙交換是指入線上各個時隙的內容要按照交換連接的需要，分別在出線上的不同時隙位置輸出。時間交換單元35T接線器主要由話音存儲器（SM:SpeechMemory）和控制存儲器(CM:Controlmemory)構成。SM用來暫存話音的數(shù)字編碼信息，故每個單元至少應為8比特。SM的容量等于輸入復用線上每幀的時隙數(shù)。CM的容量等于SM的容量；設CM每個單元的比特數(shù)為n，SM的單元數(shù)為N，則有2n=N，N也就是復用線上的時隙數(shù)。時間交換單元的基本結構36時間交換單元的控制方式372.5共享總線型交換單元——數(shù)字交換單元38入線控制部件的功能：接收入線信號，進行相應的格式變換，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：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，進行格式變換，放在緩沖存儲器中，由出線送出，形成出線信號。共享總線型交換單元39總線：一般包括多條數(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傳送信號；控制線用于控制各入線控制部件獲得時隙和發(fā)送信息，以及出線控制部件讀取屬于自己的信息。

總線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，其時隙的分配有一定的規(guī)則。共享總線型交換單元40數(shù)字交換單元（DSE）412.6交換網(wǎng)絡交換網(wǎng)絡是由若干個交換單元按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網(wǎng)絡。交換網(wǎng)絡的三個基本要素是：交換單元、不同交換單元間的拓撲連接和控制方式。42交換網(wǎng)絡的一般結構……控制單元出線入線……交換單元交換單元交換單元交換單元交換網(wǎng)絡43單級交換網(wǎng)絡和多級交換網(wǎng)絡交換網(wǎng)絡按拓撲連接方式可分為：單級交換網(wǎng)絡多級交換網(wǎng)絡出線0N-1入線0M-1單級交換網(wǎng)絡交換單元44單級交換網(wǎng)絡和多級交換網(wǎng)絡如果一個交換網(wǎng)絡中的交換單元可以分為N級，順序命名為第1,2,…,N級，并且滿足：所有入線都只與第1級交換單元連接；所有第1級交換單元都只與入線和第2級交換單元連接；所有第2級交換單元都只與第1級和第3級交換單元連接；依此類推，所有第N級交換單元都只與第N-1級和出線連接；則稱這樣的交換網(wǎng)絡為多級交換網(wǎng)絡，或N級交換網(wǎng)絡。45多級交換網(wǎng)絡(nmxnm兩級交換網(wǎng)絡)……………O1n-1O1n-1…O1n-1O1m-1O1m-1O1m-1……………………OO11m-1n-11級2級46多級交換網(wǎng)絡的拓撲結構可用三個參數(shù)來說明：每個交換單元的容量交換單元的級數(shù)交換單元間的連接通路（鏈路）單級交換網(wǎng)絡和多級交換網(wǎng)絡47多級交換網(wǎng)絡的內部阻塞

若出、入線空閑，但因交換網(wǎng)絡級間鏈路被占用而無法接通的現(xiàn)象，稱為多級交換網(wǎng)絡的內部阻塞。嚴格無阻塞網(wǎng)絡：不管網(wǎng)絡處于何種狀態(tài)，任何時刻都可以在交換網(wǎng)絡中建立一個連接，只要這個連接的起點、終點是空閑的，而不會影響網(wǎng)絡中已建立起來的連接。48可重排無阻塞網(wǎng)絡：不管網(wǎng)絡處于何種狀態(tài)，任何時刻都可以在交換網(wǎng)絡中直接或對已有的連接重選路由來建立一個連接，只要這個連接的起點、終點是空閑的，而不會影響網(wǎng)絡中已建立起來的連接。廣義無阻塞網(wǎng)絡：指一個給定的網(wǎng)絡存在著固有的阻塞可能，但又可能存在著一種精巧的選路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排網(wǎng)絡中已建立起來的連接。多級交換網(wǎng)絡的內部阻塞4913421342C1C1C2C21，2，3，44，2，1，3

可重排無阻塞網(wǎng)絡5013421342C1C1cc2cc2可重排無阻塞網(wǎng)絡51CLOS網(wǎng)絡為了減少交叉點總數(shù)而同時具有嚴格的無阻塞特性，CLOSC.很早就提出一種多級結構，推出了嚴格無阻塞的條件，這就是著名的CLOS網(wǎng)絡?！?n…1n1n1n……1…1m

1r11rmmmm11111111rrrr3級CLOS網(wǎng)絡52在最壞情況下，中間級會有（n-1）X2個交換單元被占用，因此中間級至少要有（n-1）X2+1=2n-1個交換單元，即m≥2n-1時，可確保無阻塞（嚴格無阻塞）。CLOS網(wǎng)絡53TST網(wǎng)絡TST網(wǎng)絡是在電路交換系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種交換網(wǎng)絡，它是三級交換網(wǎng)絡，兩側為T接線器，中間一級為S接線器，S級的出入線數(shù)決定于兩側T接線器的數(shù)量。第1級T接線器：負責輸入母線的時隙交換。S接線器：負責母線之間的空間交換交換。第2級T接線器：負責輸出母線的時隙交換。54123123123TS2TS310723313TS2TS31S(輸入控制)TS7TS2310312720313123232231731CMACMASMASMASMBSMBCMBCMBTS23TS7T(輸出控制)T(輸入控制)ABABCMC55為減少選路次數(shù)，簡化控制，可使兩個方向的內部時隙具有一定的對應關系，通常可相差半幀，俗稱反相法，即：設：Nf=一幀的時隙數(shù)Na=A到B方向的內部時隙數(shù)

Nb=B到A方向的內部時隙數(shù)則：Nb=Na+Nf/2TST網(wǎng)絡完全無阻塞的條件：m（內部時隙數(shù)）=2n（輸入時隙數(shù)）TST網(wǎng)絡56關于T-S組合網(wǎng)絡T-S(n)-TT-S-T網(wǎng)絡：AXE10，F(xiàn)ETEX-150，E10B，5ESS等T-S-S-T網(wǎng)絡：NEAX61T-S-S-S-T網(wǎng)絡：EWSDT-S-S-S-S-T網(wǎng)絡：4ESS(長途)S-T(n)-S57BANYAN網(wǎng)絡Banyan網(wǎng)絡的基本結構Banyan網(wǎng)絡的基本特性BATCHER-BANYAN網(wǎng)絡基于banyan的多通路結構Benes網(wǎng)絡58banyan網(wǎng)絡可分為一些子類，L級banyan是其中的一類，其特征是只有相鄰級之間才有鏈路相連，即任何輸入到任何輸出之間的通路都經(jīng)過L級。L級banyan網(wǎng)絡又可分為規(guī)則banyan和不規(guī)則banyan。規(guī)則banyan是指構成banyan網(wǎng)絡的各個交換單元都是等同的，而不規(guī)則banyan則不然。如果規(guī)則banyan中的各個交換單元不僅是等同的，而且每個交換單元的入線數(shù)等于出線數(shù)，則稱此規(guī)則banyan為矩形banyan。1、Banyan網(wǎng)絡的基本結構59通常將由2X2的交換單元構成的單通路網(wǎng)絡稱為banyan網(wǎng)絡。banyan網(wǎng)絡是基于樹型的拓撲結構，但每一個交換單元卻是基于crossbar的結構。2X2的交換單元也具有bar和cross兩種狀態(tài)。1、Banyan網(wǎng)絡的基本結構6001234567012345678x8的3級banyan網(wǎng)絡61樹型結構特性：從banyan的任一輸入端口引出的一組通路形成了2分支樹，級數(shù)越多，分支越多，級數(shù)k=㏒2N，N=總入線數(shù)/出線數(shù)，即2k=N。單通路特性：

banyan的任一入端到任一出端之間，具有1條且僅有一條通路。自選路由特性：自選路由，即是給定出線地址，不用外加控制命令，就可選到出線?？梢允褂脤诔龆颂柕亩M制碼的選路標簽來自動選路。2、Banyan網(wǎng)絡的基本特性6201234567012(010)3(011)4(100)5(101)678x8的3級banyan網(wǎng)絡10110(011)(010)(100)(101)Banyan網(wǎng)絡的自選路由特性63可擴展性：

banyan的構成具有一定的