现代交换原理复习

Chapter 2 基本交换原理

交换单元的基本概念和数学模型

交换设备的结构

有向
无向

交换单元的连接方式

连接

一个入端和一组出端, 如果出端只有一个, 称连接为一对一(点对点), 如果出端有多个, 称连接为一对多(点对多点)

同发

连接允许点对多点

广播

允许一个入端对全体出端的连接

出线冲突

不允许多对多或者多对一连接

交换单元在某一时刻一定处于某种连接方式

重排

前提: 不存在出现冲突, 无同发
写出全部出线, 空闲出线对应入线为$\Phi$
若连接表示为: ($\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n$), 则代表0号出端连接的是$\alpha_1$, 1号出端连接的是$\alpha_2$, …, 若$\alpha_n$对应的是$\Phi$, 则代表n号出端没有连接入端

思考

一个交换单元若满足
- 交换单元的入端数 M 等于出端数 N
- 没有空闲的入端和出端
- 没有点对多点的连接
  最多有多少种连接方式？
对于 M*N(N<=M) 的交换单元, 没有空闲的出端
- 不存在同发时, 最多有多少种连接方式？
- 存在同发时, 最多有多少种连接方式？

1: M * N

2:
不存在同发时: M * N

各类基本交换单元的结构及性质

开关阵列与空间交换单元

开关阵列

每条入线和每条出线之间有一个开关, 构成开关阵列
开关有接通、断开两种状态.控制对应的入线和出线是否连接.
每个开关都有一个控制端和一个状态端, 分别用于控制和表示开关的通断状态.
开关阵列的控制端构成控制方阵
开关阵列的状态端构成状态方阵
列代表的是出端的连接状况, 行代表的是入端的连接状况
特点:

由空间上分离的多个开关部件构成, 是一种空分交换单元
开关数量、交叉点数量是M*N
适于构造小的交换单元
容易实现同发和广播
为避免出线冲突, 每列开关只能有一个处于接通状态.(开关阵列同列只能有一个1)
无内部阻塞
均匀的单位延迟时间

2*2交叉连接单元(crossbar)

可避免出线冲突, 不支持同发
平行连接: 接通状态(bar)

交叉连接: 断开状态(cross)

空间(S)接线器

实现一个时隙内任意母线间的交换.
由电子交叉点矩阵、控制存贮器CM和控制电路组成.
分输出控制与输入控制方式.
输出控制方式中: CM行代表的是出端, 查表的方式与重排的方式类似
输入控制方式中: CM行代表的是入端, 其值代表出端
特点:

每个交叉点仅接通一个时隙, 属时分工作

交换的控制过程由硬件CM实现, 速度快

交换时延小且稳定

严格无阻塞

输出控制方式可自动避免出线冲突

输出控制方式易于实现同发和广播

共享储存器型的交换单元

共享储存器性质

适用于三类时分复用信号.

无内部阻塞: 存储器容量足够大.

有时延: 不同系统时延差别很大.

可以实现同发和广播.

交换速度与控制器有关——硬件速度快, 软件速度慢.

容量与入线速率和器件有关——若入线速率已经很高, 时分复用后母线速率更高, 存贮器的读写速度可能跟不上

时间(T)接线器

实现一条母线上的时隙交换(同步时分复用信号)
由话音存贮器 SM 、控制存贮器 CM 和控制电路组成
SM: 存放入线上各个时隙的话音数据
CM: 存放各个时隙的交换要求, 控制 SM 的读写过程
分输出控制与输入控制方式.
输出控制方式:

SM顺序写入, 控制读出

CM控制写入, 顺序读出
工作原理图:

输入控制方式:

SM控制写入, 顺序读出

CM控制写入, 顺序读出
工作原理图:

特点:

时分交换.

用于交换同步时分复用的信号 .

SM 划分为N个区域, 每个区域一个字节, 存放一个话音数据.各个区域间不共享

各个区域内无排队缓冲 .

交换的控制过程由硬件CM实现速度快

交换时延小且稳定.

严格无阻塞.

可避免出线冲突.

易于实现同发和广播.

速率、带宽固定为64 kb/s

内部时隙与外部时隙的换算关系是:$ITS(HW_i, TS_j) = TS_j \times sum(HW) + HW_i$

总线型交换结构

输入部件: 接收入线信号, 进行格式变换并缓存, 在得到总线控制权时将信息送到总线.
输出部件: 检测总线上的信号, 取出属于本出线的信息, 格式变换, 送出线.
总线: 包括数据线和控制线.
特点:

无内部阻塞.

有时延: 不同系统时延差别很大 .

易于实现广播使用专用广播地址 .

交换速度与总线宽度特别是数据线宽度有关 .

总线上速率很高不能构造大规模的交换单元

交换网络的结构及特点

交换网络的一般结构

交换网络拓扑结构

每个交换单元的容量

交换单元的级数

交换单元之间的连接通路

多级互连网络

定义

如果一个交换网络的交换单元可以分为K级, 顺序命名为1, 2, 3, …, K级, 并且满足:

所有入线只与第1级交换单元连接

所有第1级交换单元只与入线和第2级交换单元连接

所有第2级交换单元只与第1级交换单元和第3级交换单元连接

以此类推所有第K级交换单元只与第K-1级交换单元和出线连接

则称该网络为多级互连网络或K级互连网络
要保证满足交换部件的基本要求: 任意入线可以到达任意出线

内部阻塞

严格无阻塞

只要入端、出端空闲, 就可以通过交换网络建立连接

可重排无阻塞

只要入端、出端空闲, 直接或通过对已有连接的重排, 就可以通过交换网络建立连接

广义无阻塞网络

存在选路方式使出端入端空闲时, 不必重排就可以通过交换网络建立连接

Banyan

基本单元

以交叉连接单元为基本单元, 原因是可以实现任意入端到任意出端.
例如在一个2*2的交叉单元中, 平行连接时, 0可以到0, 交叉连接时, 0可以到1
交叉连接单元并不是内部只能交叉连接

性质

入端与出端只有一条路径

$N \times N$的交换单元, 需要$\log_{2}N$级, 每级需要$\frac{N}{2}$个$2 \times 2$的交叉连接单元

"级"可以理解为列

"每级"可以理解为行

原理是1个一级交换单元可以到达2个二级交换单元, 并且是指数级递增的, 因此需要$\log_{2}N$级, 而一个$2 \times 2$交叉连接单元只能cover2个端口, 因此如果是$N$个端口就需要$\frac{N}{2}$行

自动选路: 以出端的二进制编码作为地址控制交叉连接单元的接续方式, 不再需要控制方阵.适于统计时分复用信号的交换

有内部阻塞, 但是可以通过增加级数解决, 代价是损失唯一路径和自动选路特性

降低内部阻塞概率方法

增加级数

构造排序 Banyan 网络

减少入线的信息量, 加大入线缓存

增加平面数构造多通道交换网络

CLOS

定义

前置信息:

一个$K$级互连网络第$k$级($1 \leq k \leq K$)有$r_k$个交换单元($1, 2, \dots, r_k$)第$j$个交换单元表示为$S(j, k)$

假设同一级的各个交换单元具有相同的入线数和出线数则$S(j, k)$的入线数可记为$m_k$, 出线数可记为$n_k$

如果一个多级互连网络的每个交换单元都与下一级的$r_{k + 1}$个交换单元有且只有一条连线则: $n_k = r_{k + 1}$, $m_k=r_{k - 1}$

严格无阻塞CLOS网络

构造条件: $r_2 \geq m_1 + n_3 - 1$

可重排无阻塞CLOS网络

构造条件: $r_2 \geq max(m_1 - 1, n_3 - 1)$

TST

感觉不是重点, 后续有需要再补充

Chapter 3 电话交换系统

电话交换机整体结构

交换机

信号监视——识别外线状态变化、接收号码

连接与控制——振铃控制、语音A/D、接续控制

话路部分

电话机

转换设备(叉簧)

挂机时, 将外线与振铃电路接通, 等待呼入

摘机时, 将外线与拨号电路、通话设备接通.

通过直流回路的通断表明用户的摘挂机状态

极性保护: 交换机向用户提供直流电, 该电路保证: 无论外部a、b线极性如何, 内部电路c、d的极性固定

通话设备(送话、受话、2/4变换、消侧音)

模拟话音信号通过用户线送给交换机

用户电路功能

馈电(Battery feeding): 向用户提供直流馈电电流, 馈电电压 48V

过压保护(Overvoltage pretection): 保证ab线上的内线电压在0~48V之间

振铃控制(Ring control): 控制是否向用户线发送25Hz铃流信号

监视(Supervision): 监视用户环路的通断状态

编译码和滤波(CODEC & filters): 模拟话音信号与 64Kbps 数字话音信号转换

混合电路(Hybrid circuit): 2/4变换

测试(Test): 控制是否进行内外线的故障检测

模拟用户接口与用户模块

模拟用户接口

功能要求同用户电路功能

用户模块

用户电路: 每条用户线有一个用户电路, 完成信号采集、动作驱动、话音传输等功能.

交换电路: 用户级交换和话务集中(集中比为2:1 或 4:1)

收号器: 接收用户的DTMF号码, 各种交换机设计不同, 收号器可能位于中央交换网络侧

扫描存贮器: 接收各个用户电路的扫描信息, 送用户处理机

信号分配存贮器: 接收用户处理机对各用户电路的指令, 控制各用户电路继电器的动作

用户处理机: 与中央处理机协调控制用户电路和交换电路的工作

通信电路(信号提取插入): 负责收发用户处理机与中央处理机间通信的信息

网络接口: 负责把用户的话音和处理机来的通信消息合并在一起送到中央级的数字交换网络

数字中继接口

交换网络与话路连接

数字交换

基本功能: 实现任意两个用户间的语音交换, 即:任意母线上任意时隙间的交换

数字交换网络

时间(T)接线器: 实现一条母线上的时隙交换

空间(S)接线器: 实现一个时隙内任意母线间的交换.

数字交换单元DSE

TST组合交换网络

T级联网络

软件部分

局数据

公用硬件配置情况: 出/入中继、信号设备、收号器等的数量、类别、机内位置

公用设备的忙闲情况

局间环境参数: 局向数, 每局向的出入中继数和类别

迂回路由设置：出/入局迂回路由表

各种号码: 本地编号计划、字冠长度、本局局号

交换机类别: 市话、长话、汇接

复原方式

计费信息: 计费方式、费率

接用户交换机情况

特服和新业务提供情况

话务量、接通率等统计数据和计费数据

用户数据

用户情况:普通正常、呼出拒绝、呼入拒绝、临时接通

用户类别: 单线用户、PABX 用户、公用电话、数据传真用户

话机类别: 脉冲/DTMF

出局权限类别: 禁止呼出、限本地、限国内、限国际

新业务权限和已登记的新业务

计费类别: 专用计数器、定期、立即、营业厅、免费

费率等级

各种号码: 电话薄号码、机内设备号、母线时隙号、密码

用户状态数据: 忙、闲、闭锁、测试维修

其他临时数据: 呼叫状态、拨号脉冲计数、已收号码、使用话路等

呼叫处理原理

任务分级与调度

程序级别	程序功能	启动方式	响应速度
故障级	故障识别和故障紧急处理	硬件中断启动	立即响应
周期级	按一定周期进行的各种扫描和驱动	时钟中断启动	在严格时限内响应
基本级	分析处理和各种无时限任务	事件队列启动	在一定时限内响应

呼叫处理能力(BHCA)

概念

在保证规定的服务质量标准的前提下: 控制部件处理机系统在单位时间内能够处理的最大试呼次数.
以最大忙时试呼次数表示, 简写BHCA

计算模型

$t = a + b \times N$
t(系统开销): 时间资源的占用率
a(固有开销): 与呼叫次数、话务量无关的系统开销, 如: 任务调度和扫描开销
b: 处理一次呼叫的平均开销, 包括操作系统部分和呼叫处理部分开销
N: 呼叫次数
$\star b \times N$(非固有开销): 处理所有呼叫的系统开销