程控数字交换原理及应用

1、n程 控 数 字 交 n 换 原 理 n 与 应 用n 朱世华 西安交通大学出版社n 2004年3月14次印刷n 主讲人n艾尼瓦尔斯地克 前言n 随着数字技术的发展和电子计算机的普遍应用,传统的电话交换机正在发展成为一种能交换话音,数据和图像等多种业务的通用性的通信网组网设备.传统的机械式模拟交换机正逐步地被先进的程控数字交换机所取代.交换机的作用也由单一的链路接续变为能集信息交换,信息处理和信息数据库为一体的大型复杂设备.由于程控交换机应用的广泛性及所采用技术的先进性,它已成为各类信息处理与传输专业的必备知识.n本书从通信网的概念出发,介绍了程控数字交换机在现代通信网中的外部工作环境,由此引

2、出了交换机的内部基本组成,然后逐步对交换机的各个组成部分进行了较系统,深入的讨论.在讨论中,除给出基本原理外,还尽量采用了一些实际交换系统作为例子,为增长本书的工程参考价值,书中介绍了较多的专用集成电路原理与应用. 第一章 引论n1.1 交换与通信网n1.1.1点对点通信与通信网 通信的目的是实现信息的传递.在电信系统中,信息是以电信号的形式传输的.一个电信系统至少应由终端和传输媒介组成,如图1-1所示.终端将含有信息的消息,如话音,图像,计算机数据等转换成可被传输媒介接受的电信号形式,同时将来自传输媒介的电信号还原成原始消息;传输媒介则把电信号从一个地点传送至另一地点(例如,当传输媒介是一导

3、线时),或从一个时刻传至另一时刻(例如,当传输媒介是一存储器时).从通信网的观点看,这样一种仅涉及两个终端的单向或交互通信称为点对点通信.n 通信网n消息 消息n 图1-1点对点通信系统终端传输媒介终端电信号电信号当存在多个终端,且希望它们中的任何两个都可以进行点对点通信时,最直接的方法是把所有终端两两相连,如图1-2所示.这样一种连接方式称为全互连式.全互连方式存在下列一些缺点.(1)当存在N个终端时需要N(N-1)/2条连线,即连线数量随终端数的平方增加. 图1-2 4个通信终端的全互连形式(2)当这些终端分别位于相距很远的两地时两地间需要大量的长途线.(3)每个终端都有N-1根连线与其它

4、终端相接,因而每个终端需要N-1个线路接口.(4)增加第N+1个终端时必须增设N条线路. 解决上述问题的有效方法是采用如图1-3所示的通信网.每个终端通过一条专用线路与通信网的一个结点相连.通信网的作用是根据终端的要求,将一个终端发出的消息传送给与网络相连的任何其它一个或多个终端.通信网由必要的设备和传输媒介组成,这些设备和媒介统称为网络的资源.通常除网络接口外,通信网的资源由所有终端共享.依照通信网的组成形式及所配备的资源数量,通信网可能同时为所有的终端提供信道,也可能在任何时刻只允许一对终端进行点对点通信.n 通信网的内部结构和组成形式很多,其中一种重要的形式是电话通信中普遍采用的交换式通

5、信网.目前全世界电话网所连接的电话机数目已超过6亿门. 现行的电话网是根据话音通信的需要设计的,但由于它是那样的普及,以致一些数据,图像等非话业务,出于经济上的考虑,也常采用话音带信号形式(例如,利用调制解调器)通过电话网传输.随着数字通信,计算机和超大规模集成电路(VLSI)技术的发展,传统的电话网正在演变成为能同时传输各种高速,宽带数据和图像信号的数字通信网,即传统的电话网正向着综合业务数字网(ISDN)的方向发展.n1.1.2 交换式通信网 如图1-4所示交换机中每一台电话或通信终端通过一条专门的用户环线(或简称为用户线)与交换机中的相应接口连接.实际中的用户线常是一对绞合的塑胶线,线径

6、在0.40.7mm之间.若干对绞线之外再包n上多层抗拉,防水,屏蔽和防机械损伤的材料,形成所谓的双股电缆 根据IEEE的定义,交换机应能在任意选定的两条用户线之间建立和释放一条通信链路.换句话说,任一台电话机均可请求交换机在本用户线和所需用户线之间建立一条通信链路,并能随时命令交换机释放该链路.交换式通信网的一个重要优点是较易于组成大型网络.例如,当终端数目很多,且分散在相距很远的几处时,可用交换机组成如图1-5所示的通信网.网中直接与电话机或终端连接的交换机称为本地交换机或市话交换机,相应的交换局称为端局或市话局;仅与各交换机连接的交换机称为汇接交换机.当距离很远时,汇接交换机也称为长途交换

7、机.交换机之间的线路称为中继线.显然,汇接交换机可看作是一种仅具有网内通信功能的市话交换机.n 通信网上两个终端间的每一次成功的通信都包括以下三个阶段.1.呼叫建立. 由终端向交换机发出通信请求,并提供被叫站标志(电话号码),如果被叫站与主叫站不属于同一台本地交换机,则还应由主叫方交换机通过中继线向被叫方交换机或中转汇接机发送请求和电话号码信号,直至各交换机在相应的主,被叫用户线之间建立(接续)起一条贵通的通信链路.n2.消息传输 主,被叫终端间通过用户线及交换机内部建立的链路和中继线进行通信.n3.释放 任一方向本地交换机发出终止通信的命令,使链路涉及的各交换机释放其内部链路和占用的中继线,

8、供其它呼叫使用. 当然,如果因网络中无空闲路由或被叫站占线而造成呼叫失败时,将不存在后两个阶段.在不同的阶段,用户线或中继线中所传输的信号的性质是不同的.在呼叫建立和释放阶段,用户线和中继线中所传输的是指导网络接续或拆线的命令,而在消息传输阶段,所有线路中传输的都是主,被叫终端之间的通信信息.我们称呼叫建立和释放阶段传输的信号为信令,而消息传输阶段的信号为消息.终端和本地交换机之间的信令称为终端信令或用户-网络信令,交换机之间通过中继线传递的信令称为局间信令或称为网络内部信令.图1-6是本局呼叫(即主,被叫终端连接着同一台交换机)的一个例子,它说明了一次通话过程的三个阶段,以及终端与交换机之间

9、的信令交互关系. 1.2 交换机的组成n 1.2.1交换网络 交换网络又称为接续网络,它可由一个或多个交换器组成.交换器的工作原理可用图1-8的例子说明.交换器左边称为入线,右边是出线.交换器的作用是根据需要使某一入线与某一出线连通.例如,当我们希望将3号用户线与1号中继线连通时,只需将网络交点x接通.又如1号线用户与2号线用户通话时,只需将交点y,z短接,即可使二者通过绳路连通.通过交换器,用户入线除n能与中继线相同或经过绳路互通外,还可与信令的收,发装置连接.例如,将w点短接可使1号入线与记发器连通,由记发器记录1号用户所拨出的电话号码.n因此,交换器可看作是一个有M条入线和N条出线的网络

10、,它有MN个交点,每个交点都可在控制系统的控制下连通或断开.n 1.2.2 接口 接口把来自用户线或中继线的各种不同的输入信令和消息转换成统一的机内信号,以便控制单元或交换网络进行处理或接续.早期电话交换机的接口仅有检测“摘机”信令的功能.用户利用电话机自带的电池或手摇发电机产生直流电压,向交换机发出呼叫(摘机)信号,驱动用户接口电路中声,光等信号装置.被叫电话号码则需由发话者口述,通知交换局内的话务员.这种自供电方式使得话机体积较大,电压不统一,不便于维护.为此,人们改用由交换机统一馈电,这称为供电方式.随之而来的是至今仍在使用的转盘拨号话机.图1-9(a).是说明这种话机工作原理的示意图.

11、电话线跨接到交换机接口中供电电源的两端. 当电话挂机时,话机内的电键J1断开,话机不消耗交换机电源.摘机后,J1闭合,话机中的送话器与交换机电源接通,获得所需的工作电流.交换机可由此电流检测到摘机状态.此时电话号码改用拨号盘发送:用户顺时针拨动号盘后,号盘在弹簧的作用下匀速回转,使弹簧电键J3时通时断,形成如图1-9(b)所示的脉冲“号码”信号.当电话挂机时,交换机发出的铃流通过电容C和电键J2,使电铃发声.用户摘机后,J1接通,J2断开,铃声停止.根据上述原理,与拨盘话机相对应的交换机接口至少应有下列一些功能:向话机馈电;检测摘机直流信号;接收话机拨出的号码,并将之传送给控制系统的记发器;完

12、成用户线与交换网络之间的话音信号传递;向话机发送铃流等.图1-10给出了CCITT建议的程控数字交换机模拟电话接口的功能结构.除上述各功能外,图中还包括防止外部高压的过压保护电路和实现模数变换的编解码器等.各功能的作用及实现电路将在第五章介绍.n1.2.3 控制系统n 交换机在整个通信网的枢纽,因而它的控制系统除担负着话路接续的控制外,还必须兼顾整个通信网的管理和控制.交换机控制系统的功能可分为两大类:呼叫处理;运行,管理和维护.(OAM)n呼叫处理是交换机控制系统的基本功能,它主要按照信令的指示控制交换网络完成接续和拆线,一般包括一下几个方面:n(1)接收终端或其它交换机发出的信令.例如,及

13、时检测到话机经接口系统发来的摘机信号;接收话机发出的电话号码等.n(2)指导呼叫过程进行.例如,通过接口向话机发出拨号音,提示用户拨号;或发出催挂音,促请用户挂机等.n(3)根据接收到的信号,完成线路的接续和拆除.例如根据收到的电话号码在交换网络中选择一条空闲的绳路,然后向交换网络发出闭合相应交点的命令.收到挂机信号时,则应释放相应的绳路与交换链路.n在OAM功能中,运行是指在具体安装一台交换机时,对它的配置和组态的控制.在现代交换机中,尤其在综合业务通信网中,交换机必须为不同类型的终端或中继线配备n不同的接口.操作员应能通过“运行”功能使控制系统事先了解交换机安装的各接口的类型和参数.此外,

14、它还应知道各接口线所对应的地址(电话号码等),整个交换机安装了多少个终端和中继线接口,等等. 管理主要对通信网中话务流量的控制.负责每一次呼叫选择一条最合理的路由.维护包括对交换机各部分故障的检测(发现故障),诊断(定位故障)和修复(排除故障).程控交换机的控制系统如同一般的计算机系统,包括中央处理器(CPU),存储器(MEM)和输入/输出(I/O)接口三个部分.但它接口的种类和数量都远大于一般的计算机系统.图1-11给出了一个典型的程控交换机控制系统的框图.交换机操作人员通过维护终端进行OAM操作,例如调用某单元电路的故障诊断程序,修改说明各接口类型,状态的数据(称为局数据)等.CPU则根据

15、各用户线或中继线接口输入的信令及系统中的局数据完成接续控制,输入各种控制命令等.1.3 。交换技术的发展与分类n 自1878年第一台交换机出现以来,交换机已经历n了许多代.交换机的发展通常是由于交换器交点技术n或控制技术的发展而引起的.大多数交换机的名称反n映了它所采用的某种新技术.本节将从接续技术,控n制方法和交换方式三个方面对交换机进行分类,同时n简要地回顾一下各种交换机的发展过程,特点及所采n用的主要技术.n1.3.1 模拟交换与数字交换n模拟交换和数字交换是就交换器所接续的信号而言的,即模拟交换器所接续的是模拟信号,而数字交换器接续的是数字信号. 数字交换是数字技术,尤其是数字传输技术

16、发展的产物.早期的电话网是完全模拟的,即电话机产生的是模拟信号,用户线和中继线所传输的是模拟信号,交换机接续的也是模拟信号,如图1-12(a)所示.随着数字技术的发展和成熟,中继系统首先采用了数字传输.数字传输有许多优点:再生误码少,传输距离远,音质音量佳,易于(时分)复用,易于加密等.数字传输首先被引入到中继传输中的原因是,中继传输的距离一般较远,话务传输量大,传输质量要求高,因而它最能充分地利用数字传输的优点.引入数字中续传输后,电话系统变为如图 1-12(b)所示.因此,在市话交换机与中续线之间和汇接交换机与中续线之间,都必须有适当的模数(A/D)与数模(D/A)转换. 在图1-12(b

17、)中,由于模拟汇接交换机的存在,造成了二次模数,数模转换,使得音质,音量下降,成本提高.为此,人们首先解决了汇接交换机的数字化问题,如图1-12(c)所示.数字交换除能免除多次调制,解调外,还具有便于数字计算机控制,接续速度快,n可靠性高,便于模块化设计,配置灵活,易于扩充等许多优点.因此,人们很快又设计出了数字式的市话交换机,见图1-12(d).n 整个通信系统数字化的最后环节是完成用户环线传输的数字化,实现综合数字通信网(IDNIntegrated Digital Network).由于数字技术在终端中的普遍应用,IDN的建立将大大便利各类终端的入网.在图1-12(e)中,市话交换机通过数

18、字环线连接了数字电话,计算机终端,图像终端等各种不同的终端,这正是当前通信网发展的最高目标ISDN. 数字交换与模拟交换的接续方法有较大的不同.前面已经提到,交换器的作用是将指定输入线的信号传递到指定的输出线.最直接的方法是以机械的方式使交点连通.最早的磁石交换器通过人工插拔插赛来完成交点的通断.此后先后出现了各种便于自动控制的交换器,其中较典型的有步进式,全继电器式和纵横式等.这些名称仅反映了交换器的控制方式和动作原理的特点,它们的效果都是相同的,即实现交点的机械闭合和断开. 机械交换器的最大优点是交点的断通阻抗比很大,且能实现双向传输.它们的缺点是体积大,速度慢,寿命短,噪音高,可靠性较差

19、.为此,人们设计出了电子交换器.在这类交换器中,n交点的通断是通过一个有源固体器件(如晶体管,晶闸管等)的导通和截止来实现的.电子交点的速度虽然远比机械交点快,但它的断通阻抗比常不如机械交点,因而必须注意防止因交点截止阻抗不够高而引起串话.电子交点的其它缺点是,它通常只允许单向传输,且最大电流或电压受到固体有源器件的限制.n 上述各种交点闭合式交换器即可以接续模拟信号,也可以接续数字信号.但实际中的数字交换器常不采用交点闭合方式,而是仿效计算机总线技术,首先将输入的数字信号存储在一个固定的n缓存器中,然后在控制系统的控制下读出,经总线送到指定的输出端.数字交换器不存在串话问题,且由于使用了VL

20、SI存储器,成本较低.此外,这种交换方式特别适合于数字计算机控制.数字交换器一般仅允许单向传输.n1.3.2 从人工交换到程控交换n 在老式的磁石交换机中,整个控制过程都是由人工完成的.以呼叫处理为例,用户首先用手摇发电机发出呼叫信号,使相应的用户接口电路上的指示灯亮.话务员发现后,将自己的话路与呼叫者话路接通,问明被叫者姓名后(注意,不是电话号码),n选定一条空闲绳路,然后将铃流发生器与被叫话路接通.被叫方摘机,指示灯亮后,话务员拆断铃流,接通绳路,使发,受话双方通话.通话结束后,用户挂机,接口指示灯灭,话务员折除绳路,完成一次通话过程.n 人工交换机的操作劳动强度大,接线速度慢,人工费用高

21、,交换机不易扩大,不利于保密.在1889年,史端桥(A.B.Strowger)发明了第一台无需话务员接线的步进式自动交换机,并在三年后投入了使用.此后,随着技术的发展,交换机的自动控制方式先后主要经历了机电制,布控制和程控制三代.n 机电制控制系统的接续过程是依靠对进步电机等的控制来完成的.在布控系统中,存在许多由继电器或电子器件构成的控制单元电路,接续中所需的逻辑功能是通过适当设计这些控制单元之间的布线来完成的.机电制和布控制交换机中的控制系统所采用的器件和电路都较简单,因而它们的功能通常仅限于基本的呼叫接续处理,是人工交换机中话务员操作的自动化.n 程控交换机的全称是“存储程序控制”(SP

22、CStored Program Control)交换机.它是现代数字计算机,大规模集成电路和n数字传输技术的综合产物.在SPC交换机中,控制系统依靠事先存储在存储器中的程序和数据引导微处理机对各种信令进行适当的处理,对交换网络和接口实行必要的控制.由于微处理机功能的不断增强和集成电路成本的不断下降,人们已有可能用合理的造价生产出功能时分齐全的交换机.n SPC技术的引入使交换机的控制功能发生了根本的变化.它除能明显改善呼叫处理的速度,质量和效率外,还为网络运行,管理和故障诊断的全面自动化提供了可能.n 采用SPC技术的最大优越性在于,它能仅n通过改动或增加软件即达到改变交换机组态和工作性能的目

23、的.例如,交换机操作员可通过修改软件关闭某个用户线端口;开启某个终端的数据通信权力;改变某态话机的电话号码;甚至改变交换网络的内容,等等.SPC对话务处理能力的改善主要表现在以下三个方面:n(1)提高用户的呼叫能力,简化呼叫过程,缩短呼叫时间.n(2)提高用户的应答能力.n(3)提高通话能力.n 现代程控交换机的功能常多达数十种.n这些功能虽为用户带来极大的方便,但却对控制系统的设计提出了严重的挑战.交换机的设计重点已从早期的以交换器设计为主转移到了当前的以控制系统为主.n 在1959年,美国贝尔(Bell)实验室首先提出了数字交换方案,并公布了实验室样机ESSEX(Experimental

24、Solid State Exchange)的试验结果.此后,各国先后推出了各类数字和程控交换机,其中一些有代表意义的如表1-1所示.n1.3.3 电路交换与分组交换n 在电话网中,当用户需要通话时,交换机在呼叫期间在发,受话机之间建立一条临时通路.该通路必须在通话期间始终保持畅通,直至通话结束时才被释放.当两个用户位于不同的端局时,必须由本地交换机和汇接交换机在两个话机之间建立一条由两端用户线和若干条中继线组成的链路.这样一种在通话期间专用一条网络链路n的方法称为电路交换.n 电路交换较简单,很适合于交互式话音通信.但它有一个严重的缺点,即两个通信终端以及它们之间所有的交换和中继链路都必须在通

25、话前同时准备就绪,且在通话期间不再能被其它用户使用.在数据和计算机通信中,终端产生的数据通常是突发生的,即数据通常是成包地发生的,且包与包之间的时间间隔可能较长,因此电路交换就显得很不经济.例如一个计算机操作人员每秒钟仅能输入1020个字符,但一条标准的数字话音信道可传输64kb/s=8000字符/s .因此,如果在数据通信中使用电路交换,则信道利用率可能低达0.1% .早期的数据通信常采用消息交换.在消息交换中,终端发出的消息,如电报,信件,文件等被添加上地址和其它控制信息,形成报文后再送至交换机.交换机首先将收到的信息存储起来,并根据报头中的地址信息计算路由,确定输出线,待输出线空闲时,再

26、将存储的消息发出.这种交换方式又称为存储转发.n 消息交换的主要优点是两个终端间的线路和交换机不必同时空闲;中继线的利用率很高;除交换机存储器满以外,消息不会丢失.但消息交换机通常要求有足够大的存储器,且存在一定的传输延时,例如,当一条消息的发送时间需要Ts,传输中需经过N次交换时,传输延时将不小于NTs.因此,当消息较长时,所要求的交换机存储容量和传输延时都很大.基于这些原因,消息交换通常不适合于交互通信.n 上述三种交换方式的差别可由图1-13说明.电路交换每次通话接续一次,消息交换每传送一条消息接续一次,而分组交换则需为每个数据包接续一次.因此,就接续处理而言,电路交换最简单,而分组交换

27、工作最为频繁.电路交换要求在终端之间建立起一条点对点链路后,才能开始消息n传输.消息交换和分组交换则在接收到消息或数据之后才开始接续线路,因此,传输和交换相对独立,且传输时不必顾及后续线路和接收终端是否空闲.因此,它们是一种逐段传输,逐段交换的过程.n 为了减轻分组交换机的接续处理负荷,有时也在数据包传输开始之前有一个类似于电路交换的呼叫过程.该过程为随后的通信确定了一条固定的路由,因而相当于在通信网中建立起了一条虚拟链路.此后,数据传输仍按分组(包)进行,只是各交换机不必再为每个数据包计算传输路由. 表1-2中列出了交换机发展中一些具有代表性的交换机类型以及它们采用的主要技术.表中给出的只是

28、典型情况.例如,纵横制交换机在后期也开始采用SPC控制,只是由于交换机结构的限制,这些SPC系统仅仅模仿了原布控制系统的逻辑,因而在呼叫处理和OAM功能方面没有根本性的改善. 以下本书各章是这样安排的:第二章首先讨论相对独立的交换网络,包括网络的内容设计,话务量理论,交换网络的结构设计和数字交换网络的实现方法等.接口和n控制系统与整个通信网的关系十分密切,因此在讨论这两部分内容之前,我们将用两章的篇幅来介绍通信网.第三章介绍现存的国际和国内电话网的等级制结构,电话终端的编号制度,网内路由选择,数字网的同步,以及公共网中必不可少的计费系统等.第四章介绍整个通信网的神经系统信令系统.它是实现全球电

29、话以及其它业务自动通信的必要条件.我们将讨论各种通信终端的终端信令,以及国际和国内通信网中的各种局间信令系统.第五章讨论程控交换机的接口,包括信息终端和中继系统的种类,相应的接口功能要求,接口的控制,以及它们的实现技术等.控制系统是程控交换的难点和重点,我们将在最后三章中讨论.第六章讨论控制系统的软,硬件结构,主要特点及一般设计原理.第七章讨论呼叫处理过程及其设计方法. 习题n1-1 在交换式通信网中,两个终端的点对点通信都由哪些部分组成,与图1-1中的系统相比有哪些异同之处?n答:n1.通信的目的是什么?一个电信系统由哪些部分组成?n2.什么叫点对点通信?n3.说明图1-4.n4.通信网上两

30、个终端间的每一次成功的通信都包括哪些阶段?n5.一台交换机由哪些部分组成?n6.请说明图1-8交换器的工作原理.n7.请说明图1-9的工作原理. 第二章 交换网络n交换网络的设计包括三个方面:n（1）在给定用户条件(如用户个数,电话使用的频繁程度等)和希望达到的服务质量后,如何确定交换网络的容量或入,出线数量;n(2)在已知网络的容量后,如何设计网络的结构;n(3)对于已知结构,如何实现数字接续,即将任意指定入线上的数字信号传递到任意指定的输出线. n 2.1 话务理论基础交换网络的作用是将任意入线与指定的出线接通,从而获得某种服务.例如在图1-8中三条用户线均可与中继线接通,实现与远端用户通

31、话.但另一方面,在任何时刻只能有一条入线与中继线接通,且在该入线占用中继线期间,其它用户的需求将得不到满足.我们把请求服务的用户称为源,而把中继线,绳路,记发器等被请求对象统称为服务器.在实际中,源的数目常大于服务器的数目.这是出于两点考虑:n(1) 在通常情况下,每个用户仅部分时间需要服务.换句话说,所有用户同时需要服务的可能性很小. (2)用户偶尔得不到服务或需要短时间等待是可以容忍的.显然,一个系统应配备的服务器数量与用户对服务的需求及所期望的服务质量直接有关.为此,有必要对服务需求和服务质量加以定量的描述. 2.1.1 话务量 在电话交换系统中,把源对服务器的需求量称为源的话务量而将服

32、务器所负担的话务量称为话务负荷,其定义是:n在时间T内,一个源(或服务器)所产生的(所负担的)话务量等于该期间内各次服务持续时间之总和.显然,话务量与两个因素有关:需求的频繁程度(称为呼叫强度)和每次服务所持续的时间(称为呼叫保持时间).设在所考查的时间T内,共发生了n次呼叫,每次呼叫的平均保持时间为 ,则根据定义,话务量应为 为了计算话务量密度,定义话务流量为其中 = n / T (2.3)是源的呼叫强度或单位时间内的平均呼叫次数, 是平均保持时间.话务流量代表了单位时间内服务时间之总和,它表现了单个源或服务器的占用率,永远小于或等于1.话务流量的单位是爱尔兰(Erlang),avh) 1

33、. 2()(hnhAavT)2 . 2()(/11爱尔兰erlhTnhTAAavavTavh话务量的量纲是时间,而话务流量是无量纲的.n 当话务量由N个统计特性相同的源产生时,话务流量变为其中 = N (2.5)是N个源产生的呼叫强度或单位时间内产生的平均呼叫次数. 由于A是一个服务器的占用率,A=NA代表了在任何时刻处于占用状态的服务器的平均个数.)4 . 2(11erlhhNNAAavavn另一方面,根据 ,A又等于在 期间,呼叫产生的平均个数.由于被占用的服务器的平均个数不随时间而变,因而A还代表了在 期间,呼叫结束的平均个数.n例2.1 设一个源在2小时内共发生了4次呼叫,各次呼叫持续

34、时间依次为600s,100s, 900s 和200s.则平均呼叫持续时间为话务量为话务流量为呼叫强度为 = n/T=2次/h 当有20个相同的源时,呼叫强度变为avhAavhavhhshav125. 04504/ )200900100600(hnhAavT5 . 0125. 04erlTAAT25. 02/5 . 0/1n = N =202=40次/hn话务流量变为n在式(2.4)中,如果取呼叫强度的单位为次/h,保持时间的单位为100s;我们可得到计量话务流量的另一种单位:百秒呼,简记为ccs.ccs是北美国家常用的话务量单位.由于在爱尔兰定义中保持时间的单位是小时,二者之间的关系为1erl

35、=36ccs (2.6) 在以下讨论中,我们主要使用话务流量.在不致引起误解的情况下,我们也常把话务流量简称为话务量.根据以上讨论,在已知和 的情况下,由式(2.4)计算话务量并不困难.但在实际中erlhAav5125. 040avhn 和h都是随时间和用户行为随机变化的.因而分析和h的统计特性常变得极其困难.呼叫强度主要受到下列一些因素的影响:n(1)时间 呼叫强度会随一年中不同的月份,一周中不同的日子,一日中不同的小时而变化.例如,每星期一,六的呼叫数量通常较多,而星期日则较少.每天内上午8:3011.00则会出现一个呼叫高峰.图2-1和图2-2给出了这两种变化的典型统计结果.此外,呼叫强

36、度还会在某些特定的时间或时刻,如学校开学,新年前夕等突然增加.n(2)突发事件 呼叫强度还会随突发事件急剧增加.例如,当某地发生地震,或举行大型运动会时,该地区的呼叫强度会突然增加.(3)话机普及率 每话机的呼叫强度与该地区的话机普及率,即人均占有的话机数成反比.在安装话机密度较小的地区,电话的利用率较高,因而呼叫强度相应较大.(4)用户遇忙时的表现 当用户呼叫却遇到网络或受话方正忙时,有些用户立即放弃呼叫,有些则会不断地重拨,造成系统拥塞时呼叫强度猛增.这些未成功的呼叫虽不占用交换网络的资源,却会大大增加控制系统的呼叫处理负荷.这些遇阻的呼叫称为呼损.分析用户遇忙时的行为常采用下列三种模型:

37、呼损清除(LCCLost Call Cleared)呼损保持(LCH Lost Call Held)呼损延迟(LCD Lost Call Delayed)其差别可用图2-3说明.图中假设三个源用一个服务器.(a)给出了三个源开始呼叫的时刻及保持时间;(b)给出了呼损清除的情况.当2号源于t2时刻产生呼叫时,发现服务器正忙,于是立即放弃呼叫请求,不再出现(呼叫2被清除);(c)显示了呼损保持时的情况.n当呼叫2产生时,服务器正忙,呼叫受损,但仍认为呼叫2将保持到原定时间才结束.因此在服务器的负荷中,仅一部分获得了成功的处理.呼叫3的情况相同;(d)说明了呼损延迟的情况.此时三个呼叫均未丢失,只是

38、呼叫2和3分别受到了一定的延迟.上述三种模型的主要差别可概括为LCC:源话务量服务器负荷=成功处理的话务量LCH:源话务量服务器负荷成功处理的话务量 LCD:源话务量=服务器负荷=成功处理的话务量 在呼损延迟系统中,只要输入话务量不大于服务器的个数,呼叫将不会丢失.此时n延迟时间将变成一个重要指标.电话交换常采用前两种模型.呼损延迟则较适合于一般的数据交换或数字电话交换中的信令系统.n(5) 费率 通话费率同样会引起呼叫强度的波动.例如在我国,每天21:00以后,由于长途电话费率减半,可能会出现一个长途呼叫的高峰.呼叫保持时间h同样会因费率和同用户习惯而不同.除此之外,它还与下列因素有关:n通

39、话性质 在通常情况下,公务对话保持时间较短,而私人电话则一般通话时间较长.n通话距离 统计表明,长途电话的保持时间一般比本地电话的长,它近似与通话距离成正比.图2-4给出了典型的保持时间随距离变化的统计曲线.呼叫保持时间可划分为拨号,振铃和通话三个阶段.表2-1给出了典型的拨号和振铃时间的统计数据.由表可见,因系统忙或因受话方无人应答而n失败的呼叫保持时间的均值分别为28.9s和62.8s.应当指出,这些数据同样与被统计用户的情况有关.例如,对于电话不够普及,用户操作不熟练的地区,上述数值可能增加.此外,随着SPC控制的采用,这些时间都会有所下降.n由表2-1可见,在呼叫成功的情况下拨号和振铃

40、时间仅需约33s,保持时间主要由通话时间决定.图2-5给出了某国际长途线路中通话时长的统计曲线.其中黑点为实测结果,实线是一条负指数曲线.在工程实践中,常取通话保持时间t为负指数分布n其中 为平均保持时间.它的累积分布 )7 . 2(01)(/tehtpavhtavavh为或保持时间不大于单位时间的概率,即在单位时间内呼叫结束的概率为对它级数展开并忽略高次项,得到有时,我们也将 称为呼叫的离去率,相应地把 称为呼叫的到达率.于是式(2.4)可进一步写为A=/ erl (2.11)由式(2.10), 也可解释为单个服务器在单位时间内能够处理的呼叫个数的最大值,)8 . 2(1)(/000avht

41、ettPtF)9 . 2(/00avhtettPavheF/11) 1 ()10. 2(/1avh因此式(2.11)表示了实到呼叫个数与服务器处理能力之比,代表了服务器的占用率.2.1.2 服务等级 交换网络设计中的一个重要问题是,在给定平均话务量和所希望达到的呼损率后服务器的个数如何确定?换句话说,在已知平均话务量和服务器的个数后系统的呼损率是多少?呼损率有两种定义:(1)时间拥塞率服务器全忙的概率.(2)呼叫拥塞率呼叫产生但无服务器空闲的概率.令服务器个数为M,P(k)表示k个服务器正n忙的概率,则时间拥塞率和呼叫拥塞率分别为P(M)和P(M+1).显然,呼叫拥塞率小于时间拥塞率,但当服务

42、器数量很大时,二者的差别很小.系统所能达到的呼损率常称为服务等级简记作gos(grade of service).显然,它的计算与输入话务量的统计特性有关.由上节三种用户遇忙行为模型,可得到三种不同的计算结果:泊松分布,爱尔兰-B公式和爱尔兰-C公式.n1. 泊松(Poisson)分布 北美普遍采用泊松分布.这种分布是基于呼损保持(LCH)的假设,因此源产生的话务量不受服务器个数及其忙闲的影响.n设有N个源,共同产生话务量A erl,则由式(2.4),每个源所产生的话务量,亦即每个源忙的概率为 p=A/N (2.12)n显然,N个源中恰好有k个源忙的概率服从二项分布,即n当N时,n代入式(2.

43、13),我们得到泊松公式)!( !)13. 2()1 ()()1 ()(kNkNCNANACppCkPNkkNkNkkNkNk其中AkNkNkeNAkNC)1 (!n图2-6给出了当A=5 erl,N=20和N 时, P(k)的分布.不难看出,当k13时,P(k)可以忽略不计.因此,尽管有20个源,但我们只需提供13个服务器,即可使源在呼叫时发现无服务器空闲的概率足够小.n在已知话务量A和服务器个数M,且源的个数NM的条件下,由式(2.14)可求得时间拥塞率为n上式称为摩立那(Molina)公式.在已知输入话务量和服务等级后,服务器的个数常通)14. 2(!)(NekAkPAk)15. 2(!

44、AMkkTekAB过查表获得.表2-2给出了gos分别为0.1,0.01和0.001,话务量为13000erl时,所需服务器的数量.n2.爱尔兰-B(Erlang-B)公式 爱尔兰-B公式乃基于呼损清除(LCC)的假设.设系统有N个源,M个服务器.如果每隔时间t观测被占用服务器的个数一次,只要t取得足够小,两次观测到的个数相差应不超过1.于是系统中服务器占用个数的变化过程可用图2-7中的状态图来表示.这是一种特殊的马尔可夫(Markov)过程,称为“生死过程”(birth-death).图中 表示系统中恰好有n个服务器正忙的状态.由于时间间隔足够小,系统每次只能从一个状态 转移到与其相邻的状态

45、 或 ,nkk-1k+1n由状态 K 转移到更远状态的概率可以忽略不计.由状态 转移至 的概率被记作 ,至k-1的概率记作 , 状态不变,即未发生转移的概率为 (图中未画出).现在我们需要求出系统处于任一状态k的概率P(k).首先,我们通过一个例子说明生死过程的状态过渡和平衡概念.n 图2.7 LCC服务系统的状态转移过程kk+1kkkk1n例2.2 一个二状态单服务器系统的状态如图2-8(a)所示.其状态转移概率可写成矩阵形式n其中 为i个周期时系统所处的状态.设开机时系统处于状态0,即 其中 和 分别是系统在第0个周期恰好位于0和1的概率. 在第1个周期结束时,系统处于各状态的概率应是7

46、. 03 . 01 . 09 . 011) 1|1() 1|0()0|1()0|0(11001111iiiiiiiissPssPssPssPTis01 ) 1 ()0(000PPP)0(0P) 1 (0Pn在第二周期结束时n重复进行,我们最终得到如图2-8(b)所示.此时我们称系统已达到平衡状态.通过转移边界的概率之代数和为n当系统达到平衡状态后,通过转移边界的概率相等.即1.09.07.03.01.09.00101TPP16. 084. 0 .201270301090109070301090102TPTPP25. 075. 00TPP) 1 ()0(03 . 025. 01 . 075. 0

47、) 1 ()0(1010PPPP或)16. 2()() 1(1kPkPkkn由(2-16)得 利用递推方法,可得到n其中n利用 得到由式(2.4)和(2.5),每个源的呼叫强度为当系统处于状态k时,呼叫强度或呼叫到达率为) 1()(1kPkPkk)17. 2()0()0()(11021PaPkPkkkkk)18. 2(21110kkka1)0(0PaMkk)19. 2()(0MiikaakPNhAavv)20. 2()(NkNhAkNavvkn由式(2.10),并考虑观察间隔很小,因此对于i1,有 ,可求得呼叫离去率为n将式(2.20)和(2.21)代入式(2.18),可得n代入式(2.19)

48、,得n上式称为恩格塞特(Engset)公式.当N时,0i)21. 2(/avkhk)22. 2()(NkkkCNAa )23. 2()()()(0MiiNikNkNACNACkP! kNCkNkn式(2.23)变为爱尔兰-B(Erlang-B)公式n损失的总话务量为n爱尔兰-B公式已被CCITT认定为标均(CCITT建议Q.80),得到除北美外世界各国的普遍采用.附录A给出了计算爱尔兰-B公式的BASIC程序.表2-3给出了gos分别为0.1,0.01和0.001,话务量为13000erl时,所需服务器的数量.)25. 2(!)(0MiikiAkAkPM0iiMiAMA!)( MPBTn对于一

49、定的话务量范围,有时也采用计算服务器数量的经验公式nM=5.5+1.17A gos=0.01 (2.26)nM=7.8+1.28A gos=0.001 (2.27)n它们在5erlA 50erl之间相当准确(1个服务器).n3.爱尔兰-C(Erlang-C)公式n 爱尔兰-C公式则是基于呼损延迟(LCD)的假设.此时系统的状态转移过程可用图2-9表示.系统有M个服务器,Q个等待存储器.如果呼叫到达时,M个服务器全忙,则该呼叫被置于等待队列中.设N,则由式(2.20),有n代入式(2.18),得到 n将上式代入式(2.19),得)29.2(/)28.2(/QMkMhMMkhkhAavavkavk

50、)30.2()(!/QMkMMAMAMkkAaMkMkk)31.2()(!)!/()(!/)(010010QMkMMAMAiAMMAMkMAMAiAkAkPQjjMMiiMkkQjjMMiik 设等待队长Q,则有在一般情况下,Q应足够大,以使等待队列满员或存储器溢出的概率充分小.表2-4给出了等待存储器溢出概率P(M+Q) 时,各种话务量和服务器数量所对应的等待)33. 2()(!)!/()(!/)()32. 2()(10100QMkMAMMMAiAMMAMkAMMMAiAkAkPAMMMAMiMiMkkMiMikjj于是810队列的长度.例如,当输入话务量为5erl时,如取服务器个数为15(

51、M/A=3),则等待队长不小于9.表2-5给出的是单个服务器的情况下,不同话务量所需的存储单元数.n通常,LCD系统的呼损率,即存储器溢出率可忽略不计,系统性能主要用延迟时间来微量.可以证明,当排队消息按先到先服务(FIFOFirst In First Out)的原则处理时,系统的平均队长为n于是每消息的平均延时为)34. 2(1)(0jAMjMjPq)35. 2()(AMMhMqhdavav例2.3 已知一数字信令信道的传输速率为64kb/s,每条话路平均每小时产生20条信令消息,每消息长200bits.信令系统采用LCD设计.当设计容量为0.4erl时,每条信令信道可传送多少条话路的信令,

52、所需的存储容量和平均延时又各是多少?解:每话路产生的信令话务量为每条信令信道可载话路数为由表2-5可查得,等待队长为Q=20相应的存储容量应为R=Q200=20200=4kberlA5110736.1640003600202002304010736.14.04.051AN平均延时可由式(2.35)求得为n2.2 网络结构n一个nm(n条入线,m条出线)的交换器可表示成如图2-12(a)所示.当交点具有双向传输的能力时,也可以省去约一半交点,变成如图2-12(b)所示的三角形网络.相应地,图(a)中的交换器称为矩形网络.由于数字交换网络通常只能单向传输,本章讨论矩形结构.图2-12(c)(f)给

53、出了(a)中交换器的几种常用的简化表示方法.msAhdav2 . 54 . 0164000/2001n一个nm的矩形交换器共有nm个交点.当n和m很大时,交点数将变得很大. 在数字交换中,这意味着存储器的存取速度必须很高,因而造成交换器制作困难,成本提高.为克服这一问题,大容量的交换器常用若干个较小的交换器组成.例如,当N=2000,话务量为200erl时,为达到0.01的服务等级,由表2-3可查得服务器的个数为M=221,交点数为2000221=442000.如果将输入的源分为两组,使用2个交换器,每组1000个,则每组输入话务量变为100erl.再次利用表2-3,可求得每组的出线数应为11

54、7.此时交点数减少为21000 117=234000,比单个交换器节省了208000个交点.n但这种方法存在两个问题:首先,服务器的总数由221增加到234.这时因为交换器变小后,效率会降低,造成在同样输入话务总量的情况下,服务器总数的增加;其次,两组源无法互相享用对方的服务器.这些问题都可通过多级网络解决.n2.2.1 多级网络n实用中的多级网络常是方形网络,即整个网络的入线数与出线数相等.如果一个nn的交换器的n条出线如图2-13那样接至n个1m的交换器的入线,则第一级的每条入线将有nm条出线.于是这n+1个交换器构成了一个n nm的交换网络.如果把第一级 n交换器增加到m个,同时把第二级

55、每个交换器的输入线数也增加到m,我们可得到如图2-14(a)所示的二级网络. 网络的nm条入线中的任何一条均可与nm条出线中的任一条接通,因而它相当于一个nm nm的交换器.但与单一的交换器相比,这种二级交换网络有两点重要的不同:首先,二级网络每一对出,入线的接续需要通过两个交点和一条级间链路,增加了控制交点闭合和搜寻空闲路径的难度;其次,在单一交换器中,只要有一对出,入线空闲,交换器便总可将二者接通.但在二级网络中,由于第一级的每一个交换器与第二级的每一个交换器之间仅存在一条链路,任何时刻在一对交换器之间只能有一对出,入线接通.例如,当第一级第一个交换器的1号线与第二级第二个交换器的m号出线

56、接通时,第一级第一个交换器的任何其它入线都无法再与第二级第二个交换器的其余出线接通.这种虽然出,入线空闲,但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象称为网络的内部阻塞.交换器的级间链路称为网络的内部链路.为便于表达,图2-14(a)中的网络常画成(b)的形式.n为便于计算网络的内部阻塞概率,假设整个交换网络的输入话务量为A,各交换器n每条出线的话务负荷相等,则每条内部链路被占用的概率可近似为a=A/nm (2.36)n网络的内部阻塞率应等于所需链路被占用的概率,因此n当网络的输入线数进一步增加时,可按相同的方法将二级网络扩展为三级,四级或更多级.图2-15给出了一个三级网络.此时任何一个第一级

57、交换器与一个第三级交换器之间仍然只存在一条通路,但它现在由两条级间链路级联而成.因此,当仍假设每条内部链路的话务量是a时,每条链路空闲的概率是1-a.两条链路均空闲,因而级联链路空闲的概率为(1-a).因此,上述三级)37.2(aBin网络的内部阻塞率是比较式(2.37)和(2.38),n一般地说,当按上述原则构成交换网络时,级数越多,内部阻塞率将越高.n减小内部阻塞率的一种方法是增加级间链路数.图2-16给出了这样一种网络.由于级间链路增加到L条,内部阻塞率将减少为n但此时第二级交换器将相应地增大到LmLm.同理,一个L重连接的三级网络的)38.2()1 (12aBi223)2()1 (1i

58、iBaaaaB)39.2(LiaB 内部阻塞率将是nL重连接法的主要缺点在于,为减小网络的内部阻塞率,必须增大第二级交换器的容量.减小内部阻塞率的另一种方法是采用混合级.图2-17给出了这样一种网络.它的前两级是如图2-14的二级网络,但第二级网络的nm条出线并未像图2-15那样连到nm个交换器,而是仅连接了m个交换器.不难看出,第一级中任何一个交换器与第三级中的任一交换器之间现在有了n条链路.因此,网络的内部阻塞)40.2()1 (12LiaBn率下降为n网络的任何一条入线经第一级交换后将有n条出线,经第二级交换后有nm条出线,而经第三级后仍有nm条出线.为此,我们将前两级称为发散级,而第三

59、级称为混合级.采用发散级的目的是使交换网络满足出,入线数量要求,而混合级则可改善网络的内部阻塞率. 式(2.37)(2.41)仅是网络内部阻塞率的近似计算公式.事实上,当网络的内部链路达到一定的数量时,可以完全消除内部阻塞.图2-18给出了一个三级无阻塞网络.第一级有3个59交换器,第二级有9个3 3交换器,而第三级有3个9 5交换器.)41. 2()1 (1 2niaBn现假设第一级的某个交换器A的一条空闲入线欲与第三级中的某个交换器B的一条空闲出线接通.在最坏的情况下,当交换器A的入线希望接通时,它的其余4条入线已占用了它9条出线中的4条,于是这条入线尚有5条出线与交换器B相同.再假设交换

60、器B的其余4条出线均已占用,而它们使用的入线又恰好是A,B之间剩余5条链路中的4条,于是A,B之间仅存在一条通路.换而言之,只要网络的出,入线空闲,则必存在内部链路使二者连通.上述网络称为克劳斯(Clos)网络.n对于一般情况,Clos已证明,当第一级有m个交换器,每个交换器有n条入线,而第三级有k个交换器,每个有j条出线时,一个三级无阻塞网络应满足.n第一级有m个 n (n+j-1) 交换器n第二级有n+j-1个 m k 交换器n第三级有k个 (n+j-1)j 交换器n上述原则可推广到任意奇数级网络.例如,将三级Clos网络第二级中的每一个交换器都用一个三级Clos网络代替,我们可得到一个五