程控电话交换机在电信网络中的地位和作用。。

5.1.1的基本概念

1.“交换”

“交换”是指根据用户通信的需要，在通信网络中的大量用户终端之间相互传递语音、图像、数据等信息。从而可以在终端之间实现点对点、点对多点、多点到点或多点到多点等不同形式的信息交互。

显然，在通信网络中将有相当数量的用户终端。如果所有的用户终端一个接一个地互连，并由开关控制，就可以实现任意两个用户之间的通信。这种连接方式称为直连，如图5-1所示。

图5-1直接连接模式

在这种连接模式下，当有N个用户时，需要设置N*(N-1)对连接线。用户数量稍微增加，就会导致连接线路数量急剧增加，线路利用率不高，因为线路是每个用户专用的。同时，为了实现通信过程的可控性，需要在每个用户终端设置(N-l)个开关进行控制，所以这种互联方式既不经济，也不容易操作，只适用于极其简单和小规模的通信网络，没有实用价值。

为了解决上述问题，一个可行的办法是吸引一个公共互联设备——交换机来大量用户。所有用户终端都通过一对被称为用户线或用户环路的专用线路连接到交换机。交换机的作用是通过自身的控制功能实现任意两个用户终端的自由连接，交换机所在的位置称为交换节点。通过设置交换机，一方面大大减少了用户线数量，降低了网络建设成本；另一方面，由于呼叫连接和路由功能全部由交换机实现，也降低了控制的复杂度，提高了网络的可靠性。这种方法如图5-2所示。

图5-2切换连接模式

2.开关网络

显然，当用户数量多、分布区域广时，需要设置多个交换节点。每个节点的交换机按照一定的拓扑结构(如星形网络、环形网络、树形网络、混合网络等)通过传输线互连。)组成交换网络，如图5-3所示。

图5-3交换网络

图5-3中交换设备之间的连接线称为中继线。此时交换节点的位置类似于上面文章中的用户终端，多个交换节点不能直接连接，所以需要引入一个汇接交换节点，这个节点的交换设备称为汇接交换机。在交换网络中，任何直接与用户电话或终端相连的交换机都称为本地交换机。在语音通信网络中，本地交换机对应的交换局称为本地交换局或端局；配备汇接局的局叫汇接局，通信距离相对较远的汇接局也叫长途局，对应的交换局也叫长途局。在分组交换网络中，比如常见的IP网络，本地交换机对应的设备是边缘路由器(交换机)，汇接交换机对应的设备是核心路由器(交换机)，或者骨干路由器(交换机)。

电话通信网络一般采用分层网络结构，网络中的每个交换节点被分配一个层次，除最高层外的其它层的每个交换节点都必须连接到更高一层的交换节点。网络层级越多，呼叫需要转移的次数就越多。这样的网络不仅占用了大量的线路，也增加了网络管理的复杂性。因此，必须根据通信网络业务的地理范围和用户数量，合理规划交换网络的结构和网络拓扑。

3.交换设备的基本功能

以普通语音通信网为例，电话交换机应能实现以下呼叫连接方式:

(1)本地连接:同一交换机的两条用户线之间的连接；

(2)出局连接:交换机用户线与出局中继线之间的连接；

(3)入局连接:交换机的入局中继线与用户线之间的连接；

(4)转接连接:交换机的入中继和出中继之间的连接。

为了实现上述连接控制，电话交换设备的基本功能必须包括:

(1)及时正确地接收和识别沿用户线或中继线发送的呼叫信号和目的地址信号；

(2)根据目的地址选择正确的路由，连接通信双方的终端设备，称为呼叫建立；

(3)启动计费系统，监控用户状态变化，准确统计通信时长；

(4)通信结束后，根据接收到的释放信号及时解除连接，称为连接释放。

将电话交换机的例子推广到一般的电信交换系统，它具有四种基本的技术功能:接口功能、互连功能、信令功能和控制功能。

(1)接口功能:接口分为用户接口和中继接口，分别用于连接用户线和中继线到交换设备。采用不同交换技术的设备有不同的接口。例如，程控数字电话交换设备应具有与模拟用户线、模拟中继线和数字中继线相适应的接口电路；N-ISDN交换设备应具有适应2 B+D的基本速率接口和适应30 B+D的基本群速率接口；ATM交换设备应具有适应不同码率和不同业务的各种物理介质接口；IP交换设备需要提供能够承载IP帧的各种传输介质接口，如双绞线以太网接口、光纤以太网接口等。

(2)互连功能:交换系统采用互连网络(也称交换网络)实现任意进线和任意出线的连接。对于不同的交换模式，连接可以是物理的(磁交换、数字程控交换、光交换)或虚拟的(分组交换、信元交换)。互连网络的拓扑结构和网络内的路由原则直接影响互连网络的服务质量。除了尝试设计无阻塞的网络拓扑外，还应配置两套冗余结构，以增强互连网络的故障恢复能力。

(3)控制功能:有效的控制功能是交换系统自动交换信息的保证。有两种基本的控制模式:集中控制和分散控制。区别在于微处理器的配置方案。现代电信交换系统大多采用分散控制，控制功能大多由软件实现。例如:程控电话交换机的地址信号识别和数字分析程序，ATM交换机的呼叫接纳控制和自动路由控制，IP交换机中的路由协议BGP和OSPF等。

(4)信令功能:信令是电信网络中的一种连接控制指令，通过信令使不同类型的终端设备、交换节点设备和传输设备协同工作。信令传输需要通过一系列标准化的信令协议来实现。由于交换技术的不断发展，信令协议和信令方法也根据不同的应用而不同。

5.1.2开关技术的发展

交换技术起源于电话通信，是现代通信网络中最常见、最常用的技术之一。自从上世纪初出现以来，交换技术一直在发展。交换技术的发展很大程度上反映了现代通信技术从人工到自动、从模拟到数字的发展。

1.模拟交换技术

第一个研究发明交换设备的人是一个叫阿尔蒙·B·史端乔的美国人，他是美国堪萨斯州一家殡仪馆的老板。他发现电话接线员，不管是有意还是无意，经常将他的业务电话连接到他的竞争对手，因此失去了他的许多业务。为此，他大发雷霆，发誓要发明一种不需要操作者接线的自动接线装置。从1889到1891，他致力于研究一种能自动连接电线的开关，结果，他成功了。18910年3月10日获得“步进式自动电话连接器”发明专利权。1892 165438+10月3日，由史端乔发明的连接器制成的“阶梯式自动电话交换机”在美国印第安纳州拉波特投入使用，这是世界上第一台自动电话交换机。从此，电话通信进入了一个新时代。但是自动电话的迅速发展是在20世纪。到20世纪20年代，世界上只有65，438+05%的电话是自动电话。随着自动电话技术的发展和进步，到20世纪50年代，世界上77%的电话是自动电话。

史端乔发明的自动电话交换系统为什么叫“步进制”？这是因为它依靠电话用户的拨号脉冲来直接控制交换机的机器逐步动作。比如用户拨“1”，发出一个脉冲(所谓“脉冲”就是短时电流)。这个脉冲使连接器中的电磁铁吸一次，连接器向前移动一步。当用户拨数字“2”时，发出两个脉冲，使电磁铁被吸引两次，连接器向前移动两步，以此类推。因此，这种交换机被称为“步进式自动电话交换机”

1919年，瑞典电话工程师Palmgren和Bertrand发明了一种叫做“纵横制连接器”的自动连接器，并申请了专利。1929年，世界上第一个大型纵横电话局在瑞典松兹瓦尔建成，拥有3500个用户。“纵横制”的名称来源于纵横制连接器的结构，由一些竖条、横条和电磁装置组成。控制设备可以通过控制电磁装置的电流来吸引相关竖条和横条的动作，使竖条和横条在某个交点接触，从而实现布线工作。

“纵横制”和“步进制”都是通过电磁机械作用连接的，所以属于“机电式自动电话交换机”，但纵横制的机械作用很小，使用贵金属的触点，所以比步进开关噪音小，磨损和机械维护工作量小，工作寿命更长。

另外，纵横制和步进制的控制方式也不同。步进系统称为直接控制系统，由用户直接拨号控制。纵横制之所以称为间接控制制，是因为用户在拨号时需要通过公共控制设备间接控制连接器的动作。间接控制模式比直接控制模式有明显的优势。比如其工作灵活，便于在由多个电话局组成的电话网络中实现灵活交换，实现长途电话自动化，配合新技术的使用，开通新业务等等。因此，它的出现把自动电话交换技术提高到了一个新的水平。

纵横制和步进制交换机在语音部分和控制部分都采用了机械技术，称为模拟交换机。随着电子技术特别是半导体技术的发展，人们开始将电子技术引入开关。起初在交换机的控制部分引入了电子技术，但在语音质量较高的语音部分仍然采用模拟技术，于是出现了空分电子交换机、时分电子交换机等准电子交换机。它们一般在语音通路中使用机械触点，在控制部分使用电子器件，一般归类为模拟开关。

2.电路交换

电路交换是最早开发的用于电话业务传输的交换技术。这种交换方式最大的特点是在通话前为双方建立一个通道，在通话过程中维持这个通道，直到通话结束后拆除。

电路交换技术的主要代表是程控交换。70年代初，在数字PCM传输大量应用的基础上，法国研制成功了直接交换PCM数字信号的交换机。控制采用程控方式，呼叫连接采用电子设备实现的时分交换方式。由于控制部分和连接部分都使用了电子器件，因此实现了全数字交换。这种全数字时分程控交换技术显示出各种优势，促使世界各国发展这种程控数字交换技术。其实现技术不断改进，使其性能更加优越，但成本却一直在下降。到80年代中期，它已经取代空分模拟程控交换机并处于鼎盛时期，程控数字电话交换机开始在世界范围内普及。在数字程控交换之后发展起来的分组交换、报文交换等技术，也属于数字交换技术的范畴。

3.包交换技术

电路交换技术主要适用于传输语音相关的业务，这种网络交换方式对于数据业务有很大的局限性。首先，数据通信非常突然，峰值比特率和平均比特率差别很大。如果采用电路交换技术，按峰值比特率分配电路带宽，会造成资源的极大浪费。如果按照平均比特率分配带宽，会造成大量的数据丢失。其次，与语音业务相比，数据业务对时延没有严格要求，但需要无差错传输，语音信号可以有一定程度的失真，但实时性必须高。早期的X.25技术，以及现在的以太网交换技术和IP交换技术都是典型的分组交换技术。

分组交换技术是根据数据通信业务的特点提出的一种交换方式。其基本特征是将待传输的数据按照一定的长度分割成许多小段数据，并在数据前加入相应的用于路由和校验数据的头字段，作为数据传输的基本单位，即分组。使用分组交换技术，不需要在通信前建立连接。每个节点首先接收上一个节点发送的数据包并存储在缓冲区中，然后根据包头中的地址信息选择合适的链路发送给下一个节点，这样在通信时就可以根据用户的要求和网络的容量动态分配带宽。分组交换比电路交换具有更高的电路利用率，但时延更长。从发送端发出的每个分组，都会根据分组内部的地址和控制信息，由分组交换网络传输到与接收端相连的交换机，但属于同一数据帧的不同分组的传输路径并不唯一，即每个分组交换机在通信时可以根据交换网络的当前状态，为每个分组选择不同的传输路径，从而避免线路拥塞造成的网络拥塞。相反，电路交换只能在建立通信的初始阶段选择路径。分组通过分组交换网络传输到接收端的交换机后，分组交换机的组装功能根据每个分组中携带的分组序列号对分组进行排列，并通过用户线将排列好的分组恢复为原始数据，发送到相应的接收端。

4.信息交换

消息交换技术类似于分组交换技术，它也采用存储转发机制。然而，在消息交换中，消息被用作传输单元。由于消息长度差异很大，长消息可能会造成很大的延迟，而且每个节点也很难分配缓冲区。为了满足各种长度消息的需要，达到高效的目的，节点需要分配不同大小的缓冲区，否则数据传输可能会失败。在实际应用中，报文交换主要用于短报文传输、实时性要求不高的通信业务，如公用电报网。消息交换比分组交换出现得早。分组交换以消息交换为基础，将消息分成分组进行传输，平衡传输延迟和传输效率，因而得到了广泛的应用。

5.ATM交换

随着分组交换技术的广泛应用和发展，出现了两大网络，即传送语音业务的电路交换网络和传送数据业务的分组交换网络。语音业务和数据业务的分开传输，促使人们思考一种新的技术来同时提供电路交换和分组交换的优势，同时为用户提供统一的业务，包括语音业务、数据业务和图像信息。于是，在20世纪80年代后期，CCITT提出了宽带综合业务数字网的概念和一种全新的技术——异步传输模式(ATM)。ATM技术结合了面向连接的机制和分组机制。在通信开始之前，需要根据用户的要求建立一定带宽的连接。然而，这种连接并不独占一个物理信道，而是在统计上将一个物理信道与其他连接多路复用。同时，包括语音、数据和图像信息在内的所有媒体信息都被分割并封装成定长分组，以便在网络中传输和交换。

ATM的另一个突出特点是它提出了一个完整的机制来保证QoS。同时，由于光纤通信提供了低误码率的传输通道，可以将流量控制和差错控制移到用户终端，网络只负责信息的交换和传输，从而降低传输时延。ATM非常适合传输高速数据业务。从技术上看，ATM几乎无懈可击，但ATM技术的复杂性导致ATM交换机的成本极高，并且没有在ATM技术之上推出新的业务来带动ATM市场，制约了ATM技术的发展。目前骨干网主要采用ATM交换机，主要利用ATM交换的高速特性和ATM传输的QoS保证机制，主要提供半永久连接。

6.光学开关

由于光纤传输技术的不断发展，目前光传输已经主导了传输领域。光传输速率一直在向每秒太比特量级进军，其高速宽带的传输特性使其难以适应基于电信号分组交换的交换模式，并且在这种模式下需要在中转节点进行光电转换，无法充分利用底层提供的带宽资源。在这种情况下，一种新的交换技术——光交换诞生了。光交换技术也是光纤通信技术的一种，是指不经过任何光/电转换，直接将输入光信号交换到光域的不同输出端。光交换技术的最终发展趋势将是光控制下的全光交换，它与光传输技术完美结合，即数据从源节点到目的节点的传输过程是在光域中进行的。

5.2数字程控交换

5.2.1呼叫处理的一般流程

首先，我们以主叫方的情况为例，说明数字程控交换机呼叫接续处理的一般过程。

(1)当用户摘机时，由于线路电压的变化，用户电路会检测到这个动作，交换机会调查用户的类别，以区分普通电话、付费电话、小交换机等。，找到一个空闲的号码接收器，并向用户发送拨号音；

(2)当用户拨号时，停止发送拨号音，启动号码接收器接收号码，并将接收到的号码逐位存储；

(3)分析预处理中的前缀，确定呼叫类别(市话、去话、长途、特服等。)并确定要接收的数量；当接收到完整有效的号码时，交换机根据该号码对号码进行分析；

(4)根据号码分析的结果，从被叫方所在的市话交换机查找是否有空闲线路和被叫状态。如果满足所有条件，则占用资源，并向主叫用户发送回铃音，给被叫用户振铃；

(5)被叫用户摘机后，语音在分配的线路上传输，同时启动计费设备进行计费，并监控主被叫用户状态；

(6)当一方挂机时，断开连接，释放资源，停止计费操作，向另一方发送忙音。至此，一个完整的正常调用流程完成。

5.2.2数字交换网络的工作原理

数字程控交换机的核心部件是交换网络，它具有以下特点。

(1)数字信号直接交换:在多个被叫用户的用户电路之间，用户的语音是以数字信号的形式存在的，不需要像模拟交换机那样进行多路/模拟和模拟/数字转换。而且数字信号很容易在集成电路中处理，因此可以设计出更高复杂度和更大规模的开关网络；

(2)根据主被叫号码进行交换；控制电路收到号码后，会对号码进行分析，并根据号码分析的结果产生相应的信息来选择呼叫连接的路由，通过各个交换机建立呼叫路由的过程就是交换过程。早期的步进切换，是根据用户的拨号脉冲来选择切换路由的。

(3)时隙交换:其实交换就是在不同的线路、不同的时隙上交换信息，把这些信号在不同的空间、不同的时间移动。例如，将入中继线路1上的TS5与出中继线路4上的TS18交换，如图5-4所示。

图5-4时隙交换

程控交换机的交换网络按交换网络的组织形式可分为时分交换网络、空分交换网络和混合交换网络。

1.时分交换

(1)时分交换对应T连接器，完成同一中继上不同时隙间的切换；

(2)组成:T型连接器由语音存储器和控制存储器组成，语音存储器用于存储输入复用线路上每个时隙的8-8位编码数字语音信号；控制存储器用于存储语音存储器的读或写地址，并用于控制语音存储器各单元内容的读或写顺序；

(3)根据语音记忆的读写控制方式不同，可分为顺序写控制读和控制写顺序读两种。

(1)顺序写入控制读出:语音存储器中的内容按时隙到达的顺序写入，但其读出由控制存储器控制，语音存储器中的内容根据交换要求在哪个时隙读出；

(2)控制写入顺序和读取:语音存储器的写入由控制存储器控制，即根据出局中继的目的时隙确定入局中继每个时隙内容写入语音存储器的位置，而读取则是从语音存储器中顺序读取。

时分交换的原理如图5-5所示。

图5-5时分切换模式

2.空分交换；

(1)空分交换又称S-switch，用于不同中继的同一时隙内容的交换。

(2)构图；空气分离交换器由交叉节点矩阵和控制存储器组成。交叉节点矩阵提供了每个输入中继线与任何输出中继线交叉的可能性，并且这些交叉点的关闭时间由控制存储器控制。空气分离交换器还包括输出控制和输入控制。

空分交换的原理如图5-6所示。

图5-6空分切换模式

3.复合开关网络:

对于大规模交换网络，需要在同一中继线的不同时隙和不同中继线的相同时隙之间进行交换，因此需要将时分交换和空分交换结合起来，形成复合交换网络。

(1)TST交换网络:这是应用最广泛的大型交换网络形式。其中，输入T连接器用于完成同一入局中继线不同时隙间的交换；s连接器负责不同总线之间的空分交换；输出T连接器负责同一输出中继线不同时隙之间的交换。每个开关采用哪种控制方式可以随意选择，输入/输出T开关需要利用开关内部的空闲时隙来完成交换；

(2)STS交换网络:首先输入S开关将时隙信号切换到内部空闲链路；然后T交换机将该链路上的信号切换到所需的时隙；最后，输出S连接器将这个信号切换到所需的链路；

(3)多级交换网络:除了上述两种三级交换网络外，还有多级交换网络。例如，由TSST组成的四级网络和由TSST组成的五级网络。

(4)交换网络集成:随着数字交换技术的发展，一些芯片厂商推出了交换网络集成芯片。目前2048×2048和4096×4096的交换芯片都是非常成熟的商用芯片。

5.2.3程控交换机组成

1.基本成分

电话交换机主要由两部分组成:话路设备和控制设备。

(1)语音设备:完成主叫和被叫之间的呼叫连接，具体传输用户之间的语音信号。用户电路、交换网络、出局中继电路和入局中继电路都属于语音通道设备；

(2)控制系统:控制系统控制上述呼叫连接动作，程控交换机的控制由运行在中央处理器中的软件完成。控制系统的功能包括两个方面:一方面，它处理呼叫；另一方面，它管理、监视和维护整个交换系统的运行。控制系统的硬件由三部分组成:一是中央处理器(CPU)，可以是通用数字计算机的中央处理芯片，也可以是交换系统的专用芯片；第二个是存储器，存储常用程序、正在执行的程序和交换系统的执行数据；第三，输入输出系统，包括键盘、打印机、外部存储器等。，可以根据指令打印出系统数据，存储异常运行程序，并在程序运行时转移到内存中。

2.用户电路的组成

用户电路是交换网和用户线之间的接口电路。它的作用是:一方面，它向交换网络传输语音信息(模拟或数字)；另一方面，用户线上的其他信号(如振铃等。)与开关网络隔离，以避免损坏开关网络。用户电路的功能可以用罗宋汤来概括，对应的功能对应不同的功能模块，下面解释。

(1)馈电B:向用户电话供电。在中国，供电电压为-48V或-60V。如果用户线路距离很长，馈电电压可能会增加。

(2)过压保护O:用户线是外线，可能受到雷击或与高压线碰撞，所以必须设置过压保护电路，保护交换机内部。通常用户线在布线时已经安装了气体放电装置，但是通过气体放电装置的电压可能还是几百伏，过压保护电路主要针对的就是这个电压；

(3)振铃R:因为振铃电压比较高，国内是75V 15V，所以还是通过电子元件控制振铃继电器来实现，振铃电流是通过继电器触点的通断来控制的。也有利用高压电子器件实现振铃功能的开关；

(4)监测S:通过监测用户线的直流电流来确定用户线环路的通断状态，然后检测用户状态，如摘机、挂机、拨号和通话；

(5)编码滤波C:完成模拟语音信号与数字信号的转换，包括采样、量化、编码三个步骤。此外，它还负责滤除语音频带以外的频率成分；

(6)混合电路H:混合电路完成两线制和四线制之间的转换功能。用户线的模拟信号是双线双向的，但PCM中继线的信号是四线单向的。因此，两线/四线转换应在编码前或解码后完成；

(7)测试T:将用户线连接到测试设备，测试用户线。

用户电路除了上述七项基本功能外，还具有极性切换、衰减控制、充电脉冲传输、专用电话控制(如投币电话)等功能。

5.2.4程控交换机分类

(1)根据服务范围的不同，可分为本地交换和用户交换。前者完成多个本地交换局或汇接局之间的交换。通过接入中继线与其他交换局连接。后者通过本地用户线直接与用户连接，这些用户的呼叫汇接后，通过中继线与其他交换局连接；

(2)根据切换方式的不同，可分为空间切换和时间切换。这实际上是交换网络的工作方式。实用的大型电话交换机往往采用混合交换方式；

(3)根据交换的语音信号不同，可分为模拟交换机和专用小交换机。前者包括机电开关和空分开关。后者交换的对象都是编码的数字信号。