第2章 交換單元及交換網(wǎng)絡(luò)

第二章交換單元與交換網(wǎng)絡(luò)2.1引言2.2交換單元及其數(shù)學(xué)描述2.3交換單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理2.4交換網(wǎng)絡(luò)2.1引言交換的基本功能----在任意入線和出線之間建立連接;或者說是將入線上的信息分發(fā)到出線上去。在交換系統(tǒng)中完成交換這一基本功能的部分就是交換網(wǎng)絡(luò)，而交換網(wǎng)絡(luò)又是由各種交換單元構(gòu)成的。2.2交換單元及其數(shù)學(xué)模型一個有M條入線，N條出線的M*N的交換單元2.2.2交換單元的性能容量：所有入線可以同時送入的總信息量接口：由所傳送信號的形式而定。（用戶、中繼；光纖、雙絞線、同軸）功能：入/出線間建立連接的功能。點/點、多播、廣播。（對各種協(xié)議的支持)/協(xié)議分析網(wǎng)質(zhì)量：完成交換的情況、信息經(jīng)過交換單元的損傷。如：建立連接的時間；時延。2.3交換單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理2.3.1基本原理在交換單元內(nèi)部,要建立任意入線和任意出線之間的連接,最簡單最直接的想法就是使用開關(guān).在每條入線和出線之間都各自接上一個開關(guān),所有的開關(guān)就構(gòu)成了交換單元內(nèi)部的開關(guān)陣列.2.3.2原始實用交換單元:可采用開關(guān)元件直接構(gòu)成交換單元,如:繼電器電子開關(guān)時分復(fù)用的原理(1)話音的數(shù)字化---------PCM編碼(脈沖編碼調(diào)制------PulseCodeModulation)(2)數(shù)字話音的時分復(fù)用:為了提高傳輸通道的利用率,在傳輸過程中多采用復(fù)用方式------多個信號在一條傳輸通道上傳輸,稱為多路復(fù)用.

時分多路復(fù)用是利用各路信號在傳輸通道上占用不同的時間間隔的特征來互相分開各路信號的.(3)重要參數(shù)假設(shè)人的話音頻率范圍:300Hz~3400Hz采樣頻率:8000Hz;抽樣間隔:1/8000=125us每個抽樣樣值采用8位編碼;故對于每路數(shù)字話音,其信息速率為64Kbit/s當(dāng)采用北美體制進行時分復(fù)用時,其一次群由24時隙構(gòu)成,故北美體制一次群信息速率為24*64Kbit/s=1.544Mbit/s而當(dāng)采用歐洲體制(CEPT)進行時分復(fù)用時,其一次群由32時隙構(gòu)成,故歐洲體制一次群信息速率為32*64Kbit/s=2.048Mbit/s時分交換的實質(zhì)—時隙搬移時間接線器（T接線器）工作原理主要應(yīng)用在同步時分復(fù)用信號的交換,結(jié)構(gòu):由話音存儲器、控制存儲器組成工作方式：---輸入控制：控制寫入，順序讀出---輸出控制：順序?qū)懭?，控制讀出順序---受時鐘脈沖控制，按時間順序進行控制---受控制存儲器的控制（a）輸出控制方式（b）輸入控制方式1.共享存儲器型時分交換單元

這是一個順序?qū)懭肟刂谱x出結(jié)構(gòu)，時序電路按總線序號將同一時隙各總線上的數(shù)據(jù)并行寫入到相鄰的對應(yīng)存儲單元中。控制存儲器內(nèi)容寫入由處理機按照連接需求操作，單元號對應(yīng)數(shù)據(jù)接收方時隙序號，內(nèi)容指示發(fā)方時隙序號?？卮孀x出由時鐘順序控制。1.共享存儲器型時分交換單元

這是一個控制寫入、順序讀出方式交換單元結(jié)構(gòu)，話音存儲器的寫入地址由控制存儲器提供，話音數(shù)據(jù)讀出采用時鐘順序計數(shù)方式。時間接線器性能參數(shù)容量:可以用復(fù)用線上的時隙數(shù)N來衡量.等于話音存儲器的容量.因此,增加N就可以增加交換單元的容量.但是,在輸入復(fù)用信號幀長確定時.N越大,存儲器讀寫數(shù)據(jù)的速度就要越快,所以,N的增加是有限制的.設(shè)T接線器的輸入/輸出線的復(fù)用度為512，畫出在不同控制方式下將輸入線的TS10輸入的內(nèi)容A交換到輸出線的TS172的交換原理圖。2.3.4數(shù)字空間交換器（S接線器）作用:完成對傳送的同步時分復(fù)用信號的不同復(fù)用線之間的交換功能,而不改變其時隙位置。結(jié)構(gòu)：電子交叉矩陣、控制存儲器，見圖2.7工作原理：---輸入控制方式：控制存儲器控制同號輸入復(fù)用線上的所有交叉節(jié)點。-------入線選擇出線----輸出控制方式：控制存儲器控制同號輸出復(fù)用線上的所有交叉節(jié)點。-------出線選擇入線2.空分型交換單元

由空分選擇開關(guān)和控制存儲器組成，輸入控制方式的選擇開關(guān)為一選多（譯碼器），控制存儲器按入線配置，內(nèi)容指明在對應(yīng)單元號的時隙期間打開通往對應(yīng)出線的開關(guān)。2.空分型交換單元

同樣由空分選擇開關(guān)和控制存儲器組成，輸出控制方式的選擇開關(guān)為多選一（選通器），控制存儲器按出線配置，內(nèi)容指明在對應(yīng)單元號的時隙期間選擇對應(yīng)入線接通出線?？辗中徒粨Q單元只能完成不同總線之間同一時隙的數(shù)據(jù)交換，交換過程中不改變數(shù)據(jù)原占用的時隙，不能單獨使用，作用是和時分交換單元配合以構(gòu)成更大容量的數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字空間交換器接線器性能參數(shù)分析容量：可以用數(shù)字空間交換器的輸入線數(shù)N與輸入線信號速率的乘積來衡量。因此，增加N及增加輸入線信號速率就可以增加交換單元的容量。但是，由于集成電路芯片的制作工藝限制，輸入線數(shù)N及輸入線上信息輸入速率的增加也同樣受到限制。2.3.5總線型交換單元工作原理：一般結(jié)構(gòu)如圖。包括入線控制部件、出線控制部件和總線三部分。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，分配到的輸入部件將輸入信號送到總線上。入線控制部件的功能：接收入線信號，進行相應(yīng)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。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?？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，其時隙的分配有一定的規(guī)則。3.共享總線型時分交換單元

16個交換端口在時鐘操作下，分時將流入的PCM數(shù)據(jù)和接收端口標(biāo)識放在總線上，與標(biāo)識匹配的端口接收數(shù)據(jù)、緩存，隨后經(jīng)TX轉(zhuǎn)送給下一級。

DSE內(nèi)部電路各模塊作用

緩存和時序轉(zhuǎn)發(fā)接收本時隙數(shù)據(jù)的端口地址。緩存和時序轉(zhuǎn)發(fā)接收本時隙數(shù)據(jù)的信道地址。端口地址匹配比較，匹配時產(chǎn)生寫信號將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)RAM。緩存數(shù)據(jù)，并按時序操作輸出數(shù)據(jù)。

DSE的交換工作原理

呼叫建立階段，外圍模塊按接續(xù)要求產(chǎn)生通道選擇字寫入端口RAM和信道RAM，這里，端口3的TS10上數(shù)據(jù)想交換到端口9的TS20。數(shù)據(jù)交換階段，端口RAM和信道RAM在時序操作下，自動將命令字按時序放在總線上。當(dāng)收到的端口地址數(shù)據(jù)與本端口號符合時，則產(chǎn)生寫信號并總線上的信道地址將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)RAM的對應(yīng)單元。在時序操作下，按序?qū)⒏鲉卧臄?shù)據(jù)讀出。2.4.2CLOS交換網(wǎng)絡(luò)模型大型交換系統(tǒng)可達幾十萬用戶端口，通常最大交換單元電路只能提供幾千個端口的交換容量，因此，必須按某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將多個交換單元組成更大容量的交換網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建大型交換網(wǎng)絡(luò)，須保證連接在網(wǎng)絡(luò)上所有終端都能兩兩互通，合理安排結(jié)構(gòu)以避免內(nèi)部阻塞，還要保證用最少的元件以使代價最低。為解決大型網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可用性、低內(nèi)部阻塞和低成本，通常利用數(shù)學(xué)方法來解決。1.多級交換網(wǎng)絡(luò)按照開關(guān)理論，電路交換單元看作多入和多出的開關(guān)陣列，作用是為某一入線選一合適的出口。單個交換單元，容量受電子器件工作參數(shù)限制，并且內(nèi)部控制復(fù)雜度隨容量增大而急劇增加，較難實現(xiàn)更大容量。大容量交換網(wǎng)絡(luò)，通常將多個單元電路組合起來，形成多級互通的交換網(wǎng)絡(luò)。1.多級交換網(wǎng)絡(luò)一個K級交換網(wǎng)絡(luò)，其交換單元命名為第1、2、…、K級第0、1、…、m－1單元，且滿足：所有入線都與第1級的不同交換單元連接；所有第1級單元都只與入線和第2級的不同單元連接；所有第2級單元都只與第1級單元和第3級單元連接；依此類推，所有第K級交換單元都只與第K－1級交換單元和出線連接。則稱其為多級交換網(wǎng)絡(luò)，或K級交換網(wǎng)絡(luò)。一個交換網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，可用拓?fù)鋱D或連接函數(shù)進行表示。

2.多級網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞內(nèi)部阻塞，由于網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部連接方式引起的入出線之間不能建立連接的情形，即某一出線為空閑狀態(tài)卻不能被連接。在多級交換網(wǎng)絡(luò)中，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同安排，將會出現(xiàn)內(nèi)部阻塞問題。2.多級網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞

第1級0號單元的0號入線與第2級0號單元1號出線已建立連接，第2級0號單元其他出線空閑。雖然第2級0號單元其他出線空閑，但第1級0號單元其他入線都不能與第2級0號單元其他出線建立連接，稱這種情形為內(nèi)部阻塞。無阻塞網(wǎng)絡(luò)①嚴(yán)格無阻塞網(wǎng)絡(luò)。不管網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，只要連接的起點和終點空閑，任何時刻都可在網(wǎng)絡(luò)中建立一個連接，且不影響網(wǎng)絡(luò)中已建立的其他連接。②可重排無阻塞網(wǎng)絡(luò)。不管網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，只要連接的起點和終點空閑，任何時刻都可在網(wǎng)絡(luò)中直接或者對已有連接重新選擇路由來建立一個連接。③廣義無阻塞網(wǎng)絡(luò)。指一給定的網(wǎng)絡(luò)存在著固有阻塞的可能，但也有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(luò)中已建立起來的連接。3.CLOS網(wǎng)絡(luò)

人們尋求使用元件最少、又能滿足阻塞要求，利用多級結(jié)構(gòu)構(gòu)造更大容量交換單元。CLOS于1953年在貝爾實驗室構(gòu)造了這個N×N無阻塞交換網(wǎng)絡(luò)，其交叉點數(shù)增長的速度小于。

3級CLOS網(wǎng)絡(luò)無阻塞條件CLOS利用數(shù)學(xué)歸納法從n＝2開始驗證，最壞情形，中間級將會有(n－1)×2個交換單元被占用，中間級至少要有(n－1)×2＋1個交換單元，即m≥2n－1時可確保交換網(wǎng)絡(luò)無阻塞。對于C(m,n,r)的CLOS網(wǎng)絡(luò)，如果m≥2n－1，則認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)是嚴(yán)格無阻塞的。對于3級CLOS網(wǎng)絡(luò)C(m,n,r)，當(dāng)2n－1＞m≥n時，則稱作是可重排無阻塞網(wǎng)絡(luò)。3級可重排無阻塞CLOS網(wǎng)絡(luò)

欲作如下交換連接C1C2C3C43級可重排無阻塞CLOS網(wǎng)絡(luò)

假定如圖已建立了連接C1和C3，雖然出線端2空閑，但不能建立連接C2，產(chǎn)生內(nèi)部阻塞。同樣，C4也不能建立。3級可重排無阻塞CLOS網(wǎng)絡(luò)

重排C1，可使網(wǎng)絡(luò)無內(nèi)部阻塞。2.4.3TST交換網(wǎng)絡(luò)TST網(wǎng)絡(luò)是由時間接線器T和空間接線器S聯(lián)合組成的一種CLOS型交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。常用的有三級結(jié)構(gòu)，是可重排無阻塞網(wǎng)絡(luò)。為了做到嚴(yán)格無阻塞，可以增加中間級S的級數(shù)來解決(如TSST)。圖2.23表示一個典型TST網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)。2.4.3TST交換網(wǎng)絡(luò)

TST交換網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)

輸入級T接線器由32組512單元的話音存儲器和控制存儲器組成。輸出級T接線器也由32組512單元的話音存儲器和控制存儲器組成。中間S接線器由32組空分開關(guān)和控制存儲器組成，每個控制存儲器有512個單元。該TST交換網(wǎng)絡(luò)可完成512×32個時隙話路的交換連接。TST交換網(wǎng)絡(luò)工作原理

以a、b兩用戶雙向交換為例，a用戶占用0#PCM總線的時隙2，b占用31#PCM總線的時隙511，時隙分配由用戶模塊確定。這里TST網(wǎng)絡(luò)的輸入T接線器采用順序?qū)懭肟刂谱x出方式，輸出T接線器采用控制寫入順序讀出方式，S接線器采用輸出控制方式。TST交換網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)

內(nèi)部時隙ITS由呼叫處理機按占用狀態(tài)任意選擇，為了方便處理，來往方向ITS以差半幀方式選擇。這里a-b選擇ITS7。內(nèi)部時隙選擇了ITS7，初級T為順序?qū)懭肟刂谱x出方式，那么，控存的7號單元應(yīng)寫入a輸入話音數(shù)據(jù)的時隙號2。S接線器采用輸出配置，為了將0號T接線器ITS7的數(shù)據(jù)接續(xù)到31號T接線器，因此須對CMC31的單元7寫入0。TST交換網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)

輸出T接線器采用控制寫入順序輸出方式，用戶b占用511號時隙，因此須對CM31的單元7寫入511。反向接續(xù)操作，ITS相差半幀，由于輸入級T和輸出級T采用互補的控制方式，因此控存內(nèi)容一樣，單元號相差256。雙向接續(xù)完成。2.4.4DSN網(wǎng)絡(luò)

采用多級多平面結(jié)構(gòu)，入口級DSE分為兩部分分別連接終端模塊，熱備用或負(fù)荷分擔(dān)，向上連接不同平面。選組級采用多平面結(jié)構(gòu)，最多4個平面，熱備用或負(fù)荷分擔(dān)，通路連接采用折疊返回方式，鏈路為入出雙向。各個DSE之間的連線按照已設(shè)計好的固定規(guī)律相連，例如，入口級到第2級，端口號－8＝平面號，DSE號或DSE號＋4＝第2級端口號。DSN工作原理建立連接時，首先由主叫終端模塊處理機產(chǎn)生選擇命令字，包括主被叫終端模塊的網(wǎng)絡(luò)地址ABCD和A′B′C′D′。選擇命令字經(jīng)入口級進入DSN，DSN中各相關(guān)DSE按照命令字要求，將相關(guān)控制命令存入端口RAM和信道RAM的對應(yīng)單元。選擇命令字經(jīng)相關(guān)級指定建立接續(xù)通路，再從折返點到被叫模塊自由選路。DSN工作原理DSN的接續(xù)通路建立不必歷經(jīng)所有級。D＝D′，C＝C′，B＝B′，A≠A′，B第1級DSE編號，主被叫終端連在同一第1級DSE上，折回點在第1級。D＝D′，C＝C′，B≠B′，表示主被叫經(jīng)不同第1級DSE接到同一第2級DSE上，折回點在第2級。D＝D′，C≠C′，表示主被叫通過不同的第1級、第2級DSE連到同一第3級，折回點在第3級。D≠D′，D位不同，不管其他位如何，折回點在第4級，需在全網(wǎng)內(nèi)建立通路。DSN工作原理

DSN地址D位不同，即主被叫處于不同的組（5和10），須全網(wǎng)接續(xù)。小結(jié)電路交換網(wǎng)絡(luò)，就是從物理層面上提供信號傳送通路，可采用數(shù)字信號存儲，用者選擇讀取的共享存儲器方式，也可以利用時分總線適者自取方式。時間接線器是數(shù)字交換技術(shù)的核心，可實現(xiàn)不同時隙、不同復(fù)用線之間的數(shù)據(jù)交換，受電子器件和模式限制，不能實現(xiàn)大容量交換?？臻g接線器只完成不同總線同一時隙數(shù)據(jù)交換，不能單獨使用，但和時間接線器聯(lián)合使用，可構(gòu)成大容量的交換網(wǎng)絡(luò)。多級互連是構(gòu)成大容量交換網(wǎng)絡(luò)的基本方法，其理論基礎(chǔ)是CLOS模型。123123123TS2TS310723313TS2TS31S(輸入控制)TS7TS2310312720313123232231731CMCMSMSMSMSMCMCMTS23TS7T(輸出控制)T(輸入控制)ABAB為減少選路次數(shù)，簡化控制，可使兩個方向的內(nèi)部時隙具有一定的對應(yīng)關(guān)系，通?？上嗖畎霂?，俗稱反相法，即：設(shè)：Nf=一幀的時隙數(shù)Na=A到B方向的內(nèi)部時隙數(shù)