交换技术概论课件

交换技术概论

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2012-2电话的产生发明者：

1847年生于英国苏格兰的亚历山大·格雷厄姆·贝尔，从小就对声学和语言学有浓厚的兴趣。时间：1876年3月10日现象：他发现一块铁片在磁铁前振动会发出微弱声音的，而且这种声音能通过导线传向远方。思考：他想，如果对着铁片讲话，不也可以引起铁片的振动吗?。这就是贝尔关于电话的最初构想，并最终实现。§1.1交换的基本概念1-3/89

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电话的出现： 把声音信号转换成电信号，利用金属导线作媒介

振动膜片电磁铁助听筒助声筒传送线图1-1贝尔第一部话机结构示意图1-4/89

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2012-2电话：是用电信号来传送人类语言信息的一种通信设备。这种通信方式称为电话通信。

称连接两个话机的这一对线为一条线路。这种概念现在仍然使用。？讨论：形成网，有何问题需要解决，如何解决？1-6/89

2012-2交换机的产生

用户线急剧增大；每个用户如何确定与其他用户通话的问题；每新增加一个的处理问题。没有实用价值。

用户数增多时：1-7/89

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解决办法：采用中央交换的方法

—在用户分布区域中心安装公共设备出现交换机，完成各个用户之间的接续当任意两个用户要通话时，由交换机将它们连通，通话完毕将线路拆除，供其他用户使用。1-8/89

2012-2？讨论：中央交换机应该解决哪些问题??

（必须的功能）？1-9/89

2012-2交换机必须的功能：及时发现用户的呼叫请求。记录被叫用户号码。判别被叫用户当前的忙闲状态。若被叫用户空闲，交换机应能选择一条链路将主被叫用户话机连通。通知被叫用户有电话呼叫。监测被叫摘机，使双方进入通话状态。能随时监视通话状态。能使任意两个电话进行通话；在同一时间内，能使若干对用户同时通话且互不干扰。1-10/89

2012-2？讨论：如何扩大范围？1-11/89

2012-2中继线用户线1-12/89

2012-2多台交换机组成的通信网络

利用汇接交换机互连多个端局交换机，疏导本交换区各交换机之间的互通业务。端局交换机用户交换机，在信令方式上相当于用户电话机1-13/89

2012-2电话交换网的一般结构

专门用来传送各交换机之间通信操作和维护信令的数据通信的分组交换网络。用户环路，常以模拟方式传送300-3400Hz话音信号。采用PCM时分复用，每个用户占用64kbit/s带宽，常以2Mbit/s或更高速率的复用群传送话音/数据。1-14/89

2012-2网状网星型网树型网环型网交换机与交换机的连接复合网1-15/89

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通信网的组成：终端交换机终端交换机传输终端设备：完成信号的发送和接受，信号变换、匹配；传输设备：完成信号的远距离传输，信号转换、匹配；交换设备：完成信号的交换，节点链路的汇集、转接、分配。交换设备是现代通信网的核心，起着关键性的作用。*！1-16/89

2012-2内容提要1.1交换的基本概念1.2交换的发展1.3交换方式1.4话务理论基础1-17/89

2012-2§1.2交换机的发展一、人工交换机阶段二、机电式自动交换机阶段三、电子式自动交换机阶段 *1-18/89

2012-2？讨论：根据前面提出的功能，逐个进行设计，组成实际的交换机？

先根据人工操作来考虑。1-19/89

2012-21.磁石交换机

1878年，美国新港市 （图在下页）

2.共电交换机(1882年)

手摇发电机

集中供电重要概念：中央馈电；两线传送； 摘、挂机；主叫、被叫；一、人工交换机阶段1-20/89

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2012-2用户号牌用户塞孔呼叫塞子应答塞子应答、振铃键话务员送、受话器塞孔手摇发电机绳路人工交换机*1-23/89

2012-2人工交换机的基本功能检测出主叫用户呼叫；建立电话交换机到主叫用户的临时通路，通过此通路获得被叫用户信息；通过振铃呼出被叫用户；为主、被叫建立通话通路；检测话终释放通路。1-24/89

2012-2话务员的工作内容观察主叫呼叫请求，并判断该主叫是否有呼出权限；判断该被叫用户的忙闲状态；建立通路前，判断是否存在空闲的绳路等；通知被叫用户；监测双方通话状态。1-25/89

2012-2？讨论：

1.人工交换有哪些缺点？

2.针对人工交换机的缺点，如何改进？如何实现自动化？自动化首先需要解决哪些问题？1-26/89

2012-21.步进制交换机

1891年，美国史端乔发明 直接控制方式自动交换机的2个关键点：为每个话机编号，每个话机要能发出号码；交换机要能识别号码，并根据号码完成接续。解决办法：采用脉冲拨号盘，用断续的脉冲来表示号码；用上升旋转的机键接收号码—直接受号码脉冲控制。*二、机电式自动交换机阶段1-27/89

2012-2基本原理控制部分控制部分线弧预选器选组器终接器弧刷1-28/89

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2.纵横制交换机

1926年，瑞典研制成功。间接控制，将控制部分单独出来，公用。话路控制电路*号码接受器号码发送器1-31/89

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2012-2基本原理用户电路1用户电路2用户电路m绳路n绳路2绳路1标志器记发器1-33/89

2012-21.空分程控交换机

1965年，美国AT&T1ESS—第一部存储程序控制的空分交换机。话路部分：空分网络小型纵横继电器+电子元件

2.时分模拟程控交换机话路部分：PAM3.时分数字程控交换机话路部分：PCM

它是计算机与PCM技术相结合的产物。*三、电子式自动交换机阶段--存储程序控制。1-34/89

2012-2程控交换机的组成：交换网络用户电路出中继入中继信号设备I/O设备处理机存储器用户电路程控交换机结构图**！*1-35/89

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2012-2我国程控交换机的发展：引进情况（七国八制）1.F-150日本。福州、厦门、成都、贵阳、桂林、南宁、 西安、兰州、西宁…2.S-1240比利时1976。北京、上海、重庆、成都、广州、武汉…3.E10-B法国CIA-ALCATEL---阿尔卡特1981。4.DMS-100加拿大。北京、重庆、西安5.AXE-10瑞典爱立信。广州、重庆、浙江、辽宁6.EWSD德国西门子。7.NEAX-61日本NEC。8.5ESS-2000美国AT&T1992。1-37/89

2012-2我国自行研制情况：1.DS30：西安十所仿F-150生产，长途交换机2.PABX机：长邮长虹、桂林542、珠海…3.C5端局机：十所、重邮、万家乐、联想…4.HJD-04：巨龙（537厂、515厂等）5.SP30：大唐6.ZXT10：中兴7.C&C08：华为1-38/89

2012-2内容提要1.1交换的基本概念1.2交换的发展1.3交换方式1.4话务理论基础1-39/89

2012-2§1.3交换方式交换方式分类：电路交换报文交换分组交换(含ATM、IP交换、MPLS等)！1-40/89

2012-2一、电路交换语音通信的特点是差错率要求不高，但实时性要求很高针对语音通信的要求，电路交换采用面向连接的、独占电路的方式来满足实时性的要求。电路交换的基本过程包括“电路建立阶段”、“通话阶段”、“电路释放阶段”三个过程。电路建立阶段是根据用户所拨的被叫号码，由交换机负责连接起来的一条电路，在通话阶段该电路归该用户独占，即使他们不讲话，不传输信息，该电路也不能分配给其他用户使用。1-41/89

2012-2基本原理交换机A交换机B交换机C通话阶段（独占链路）建立阶段释放阶段通话立阶段证实呼叫建立呼叫建立证实释放请求释放请求释放证实释放证实电路交换过程示意图1-42/89

2012-2电路交换的分类机械接点、电子接点，只是材料结构上的变化空分位置化信道时分空分交换：模拟信号物理的实际电路并独占线路同步时分交换：数字信号帧结构方式分时共享独占时隙*1-43/89

2012-2电路交换的优点信息的传输时延小，对一次接续而言，传输时延固定不变；信息以数字信号形式在数据通路中“透明”传输，交换机对用户的数据信息不存储、不分析、不处理，交换机在处理方面的开销比较小，对用户的数据信息也不需要附加用于控制的额外信息，也不做差错控制处理，信息的传输效率比较高。信息的编码方法和信息格式由通信双方协调，不受网络的限制。用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，业务过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫。1-44/89

2012-2电路交换的缺点电路的接续时间较长。整个通话期间，即使没有通话信息，电路资源也被通信双方独占，电路利用率低。通信双方在信息传输、编码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容。物理连接的任何部分发生故障都会引起通信的中断。存在呼损，即可能出现由于交换网络负载过重而呼叫不通。资源分配不灵活；传输链路带宽固定。1-45/89

2012-2二、报文交换为了克服电路交换中各种不同类型和特性的用户终端之间不能互通，通信电路利用率低以及有呼损等方面的缺点，提出了报文交换的思想。报文交换基本原理是“存储—转发”，不需要提供通信双方的物理连接，而是将所接收的报文暂时存储。1-46/89

2012-2报文交换基本原理

信息的格式是以报文为基本单位。一份报文包括三个部分：报头或标题(发信站地址、终点收信站地址及其他辅助信息组成)、正文(传输用户信息)和报尾(报文的结束标志)。

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2012-2报文交换如果A用户要向B用户发送信息，A用户不需要先连通与B用户之间的电路，而只需与交换机接通，由交换机暂时把A用户要发送的报文接收和存储起来。报文中除了用户要传送的信息以外，还有目的地址和源地址，交换机根据报文中提供的B用户的地址来选择输出路由，并将报文送到输出队列上排队，等到该输出线空闲时才将该报文送到下一个交换机，最后送到终点用户B。1-48/89

2012-2报文交换主要优点报文以存储转发方式通过交换机，输入输出电路的速率、码型格式等可以不同，很容易实现各种不同类型终端之间的相互通信。在报文交换的过程中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位进行多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高线路的利用率。用户不需要叫通对方就可发送报文，无呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。可以发送多目的地址的报文。1-49/89

2012-2报文交换主要缺点信息通过交换机时产生的时延大，而且时延不定、变化也大，不利于实时通信。交换机要有能力存储用户发送的报文，其中有的报文可能很长，要求交换机具有高速处理能力和大的存储容量。1-50/89

2012-2三、分组交换语音通信的特点：差错率要求不高，一般在10-6。实时性强，要求在ms级。突发性不高。数据通信的特点：对差错率要求极高，一般要求误码率达到10-9，同时还要做差错控制，保证数据的完全正确。实时性要求不强，可以在分钟甚至小时级。突发性高。1-51/89

2012-2？讨论：针对数据传输的特点和要求，如何改进电路交换和报文交换方式来满足数据通信的要求？突发性可靠率高时延要求不高借鉴生活中的运输系统。电路交换不利于实现不同类型的数据终端没备之间的相互通信，而报文交换信息传输时延又太长，不满足许多数据通信系统的实时性要求1-52/89

2012-2基本原理分组头(标题)地址、信息类型、编号标志化信道各个包分别独立传输不定长的数据包1-53/89

2012-2基本原理（续）1-54/89

2012-2分组交换涵盖范围分组交换是一种大类结合方式，后来发展起来的ATM、IP、MPLS等其他交换技术，从根本的交换思想和方式上来看都属于分组交换这个大类，只是具体的技术细节有所区别。1-55/89

2012-2分组交换的优点①加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。②简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。③减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。④由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。

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2012-2分组交换的缺点①尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大增大，增加了额外开销，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。③当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。1-57/89

2012-2四、ATM交换综合电路和分组交换的优点：定长与异步定长的数据包48Bytes5BytesATM(AsynchronousTransferMode)1-58/89

2012-2信息转移技术电路交换分组交换空分时分固定长度可变长度同步转移方式(STM)异步转移方式(ATM)X.25数据报空分信道虚信道标记时间位置异步时分(ATD)同步时分(STD)1-59/89

2012-2五、IP交换IP交换控制器ATM交换机控制端口IFMPIFMPGSMPIP交换机结构*通用交换机管理协议流管理协议1-60/89

2012-2六、软交换与IMSSoftSwitch3GAccessAMGIADBroadbandAccessPSTNTMGSGPLMN分组核心网UMGUMGAppServerPolicyServeriOSSINSoftSwitchMRS1-61/89

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2012-2IP化通信网的发展方向网络的特征：低成本、结构简单、功能高、标准化程度高数字化综合化宽带化智能化标准化个人化全球化通信网！移动化1-64/89

2012-2内容提要1.1交换的基本概念1.2交换的发展1.3交换方式1.4话务理论基础1-65/89

2012-2§1.4话务理论基础在组建一个交换局时，首先要考虑的是该交换局的交换设备和局间中继线的配备数量。不可能为所有用户同时通话提供足够多的交换设备和中继传输电路，为什么？？应该配备多少交换设备和中继线路？？1-66/89

2012-2基本概念话务量的含义 话务量表示通话业务的数量，又称话务负载。由于用户的电话呼叫完全是随机的，因此话务量是一种随机变量，是一种统计量，它是设计交换设备、中继设备的基本依据。话务量三要素呼叫强度：λ（单位时间内平均发生的呼叫次数）占用时长：S（听拨号音、拨号、振铃、通话）考察时间：T话务量Y：它是三要素的乘积，Y=

·S·T。 话务量的大小与用户通话的频繁程度和通话占用的时间长度以及统计观察的时间长度有关。1-67/89

2012-2话务量强度A

对话务量而言，最关心的是单位时间内的话务量，称为话务量强度，用A表示。同时为了称呼方便，将话务量强度简称为话务量，它是度量通信系统繁忙程度的指标。因此话务量强度的定义为：

除了前面的定义之外，人们所说的话务量都是指话务量强度，后面所说的话务量也都是指话务量强度。1-68/89

2012-2忙时话务量 一天中最忙的一个小时的话务量。平均同时占用数9-1002415-161-69/89

2012-2话务量单位A＝λS；“e”作其量纲，读作“爱尔兰”。

、S采用相同的时间单位（小时），则A为“e”，1e=1小时呼。采用“分钟”，则A为“分钟呼”。采用“100秒”，则A为“百秒呼”。1e=1呼/小时=60呼/分钟=36呼/百秒用户线上的话务量一般为0.2e.它的含义是什么？

0.2e=0.2x60=12分钟呼。呼叫4次，每次占用3分钟 或者每次占用2分钟，呼叫6次；或者呼叫1次，占用12分钟。中继线上的话务量一般为0.7e.它的含义是什么？

0.7e=0.7x60=42分钟呼。有14次呼叫，每次占用3分钟。1-70/89

2012-2线束的概念不管交换网络内部如何连接，表现在交换系统外部则是若干入线和若干出线。入线可以通过交换网络连接到出线，这些出线可以组成一个线束或几个线束。话务负载是由用户出发、经交换网络的入线流向它的出线。因此入线是线束的负载源，把能连接到一定线束的负载源(入线)的总和称为“负载源组”。交换网络负载源组线束交换网络负载源组线束1线束21-71/89

2012-2线束的容量 线束中的出线数代表线束的大小，称它为线束的容量，用M表示线束的利用度 每条入线能够到达的出线范围，即每条入线能够选用的出线数量，称为利用度，用D表示。根据交换网络的线束构成的不同，可把线束分成两类：全利用度线束和部分利用度线束。1-72/89

2012-2全利用度线束：(D=M)

线束中的任一出线都能被使用这个线束的负载源组中的任一负载源所选用，这类线束称为全利用度线束。1514151N1-73/89

2012-2部分利用度线束：(D<M)

任一负载源仅能选用其线束中的部分出线，也就是说线束中的部分出线不能被全部负载源组中的任一负载源所选用，这类线束称为部分利用度线束。14611-74/89

2012-2爱尔兰公式服务质量指标指的是交换设备未能完成接续的电话呼叫业务量与用户发出的电话呼叫业务量之比，即呼叫损失率，简称呼损。话务量、呼损与交换设备数量之间存在着固有的关系，研究它们三者的固有关系的理论即是话务理论。爱尔兰在1918年首先应用概率论中的统计平衡理论，发表了立即制呼损计算公式。流入话务量：指在一个平均占用时长内，负载源发生的平均呼叫次数。也叫呼叫强度。完成话务量：指在一个平均占用时长内，交换设备发生的平均占用次数。也叫结束强度。1-75/89

2012-2呼损的计算方法 呼损是指由于交换机内部链路或者中继线不足引起的阻塞概率，是衡量通信系统质量的重要指标之一，呼损可用小数表示，也可用百分数表示。按时间计算的呼损：E

E＝线束处于全忙的概率=按呼叫计算的呼损：B

B＝一个呼叫发生后被损失掉的概率=1-76/89

2012-2爱尔兰公式爱尔兰分布条件下（N→∞，N》m）

爱尔兰公式在交换设备计算中非常有用，为了书写方便，常用Em(A)表示。Em(A)的含义：线束容量为m的全利用度线束流入话务量为A（单位为e）时，按爱尔兰呼损公式计算的呼损为Em(A)。1-77/89

2012-2为了应用方便，按爱尔兰呼损公式的计算之值列成表，只要知道E、m、A三个量中任意两个，通过查表就可求出第三个量的值。Em(A)----爱尔兰呼损表第一部分：已知m、A，求E。

Em(A)=E20(11.5)=0.006866第二部分：已知m、E，求A。设Em(A)=0.030，m=48由表二查出A=40.018e1-78/89

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为了应用方便，按爱尔兰呼损公式的计算之值列成表，只要知道E、m、A三个量中任意两个，通过查表就可求出第三个量的值。Em(A)----爱尔兰呼损表第一部分：已知m、A，求E。

Em(A)=E20(11.5)=0.006866

第二部分：已知m、E，求A。设Em(A)=0.030，m=48由表二查出A=40.018e

爱尔兰表1-79/89

2012-2呼损是流入话务量A和出线数m的函数，当呼损一定时，流入话务量A和出线m之间的关系如图所示。1-80/89

2012-2该曲线表明：当E一定时，中继线越多所能承担的话务量就越大；当话务量A一定时，出线数m越多，呼损E就越小；即呼损越小，为处理相同话务量所需要的出线数越多；当出线数m一定时，话务量越大则呼损就越大；或者说，m一定时，允许的呼损越大，能承担的话务量就越大；当线束m很大时，话务量A与出线数m呈现线性关系，每线承担的话务量趋于一个常数；1-81/89

2012-2线束的利用率线束的利用率表示线束使用效率的高低，即线束的平均使用效率。在单位时间内，线束空闲的时间越短，占用时间越长，其利用率就越高。从前面的概念知道，线束被占用就是该线束承担着话务量，因此也可以说，线束承担的话务量越大，线束的利用率就越高。从这个概念出发，线束利用率在数值上可以用每条出线承担的平均话务量来表示。如果用

来表示线束的利用率，则有：1-82/89

2012-2怎样才能提高线束的利用率呢？首先分析一下m、E、

之间的关系。m与

的关系（E不变） 设E＝0.01，改变m的值，分别用爱尔兰公式求出对应的A，然后用（1.5）式求出

。m＝5时，A＝1.361e，则

＝1.361*(1-0.01)/5＝0.269m＝10时，A＝4.461e，则

＝4.461*(1-0.01)/10＝0.442m＝20时，A＝12.031e，则

＝12.031*(1-0.01)/20＝0.596m＝50时，A＝37.901e，则

＝37.901*(1-0.01)/50＝0.750m＝80时，A＝65.36e，则

＝65.36*(1-0.01)/80＝0.809m＝100时，A＝84.06e，则

＝84.06*(1-0.01)/100＝0.832m＝150时，A＝131.58e，则

＝131.58*(1-0.01)/150＝0.8681-83/89

2012-2根据上述结果，可以看出:在呼损一定的条件下，当线束较小时，其利用率较低；当线束容量增大时，其利用率逐步升高；当线束容量大到一定程度后，其利用率的提高就很慢，这是因为线束的利用率已经趋于饱和。因此在通