第2部分-交換單元及交換網(wǎng)絡話務理論

交換技術基礎學習要點：通信協(xié)議及網(wǎng)絡分層電信交換基本技術交換單元及交換網(wǎng)絡基本話務理論及通信網(wǎng)服務質量分層的好處

降低網(wǎng)絡設計的復雜度方便異構網(wǎng)絡的互連互通增強網(wǎng)絡的可升級性促進競爭和設備制造商的分工通信協(xié)議及網(wǎng)絡分層協(xié)議通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定稱為網(wǎng)絡協(xié)議(networkprotocol)，簡稱為協(xié)議。在分層結構中，協(xié)議指位于一個系統(tǒng)上的第N層和另一個系統(tǒng)的第N層實體通信（對等層）時所使用的一組規(guī)則或約定的集合網(wǎng)絡協(xié)議的組成要素語法數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式。語義需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。同步事件實現(xiàn)順序的詳細說明。通信網(wǎng)的體系結構通信網(wǎng)的體系結構(architecture)是指由其分層結構和相應的協(xié)議構成的一個集合電信交換技術基礎電信交換的基本技術包括接口技術、信令技術、控制技術和互連技術接口技術：用戶線和中繼線分別接在交換系統(tǒng)的用戶接口和中繼接口，不同類型的交換系統(tǒng)具有不同的接口，如模擬、數(shù)字、無線。接口技術主要由硬件實現(xiàn)信令技術：電信交換離不開信令。信令控制用戶間的呼叫連接，完成交換功能信令的本質是通信系統(tǒng)中各個組成部分之間，為了建立通信連接及實現(xiàn)各種控制而必須要傳送的一些信息信令協(xié)議或信令方式

電信交換技術基礎控制技術：控制功能控制交換接續(xù)，主要由由軟件實現(xiàn)互連技術：實現(xiàn)任意入線與任意出線之間的互連是交換系統(tǒng)最基本的功能按照不同交換方式的要求，可以是物理的實體連接，也可以是邏輯的虛連接交換系統(tǒng)是利用互聯(lián)網(wǎng)絡實現(xiàn)互連功能的，該互連網(wǎng)絡又稱為交換網(wǎng)絡（交換機構）

互連技術互聯(lián)技術涉及的內容有：拓撲結構：交換網(wǎng)絡具有一定的拓撲結構，拓撲結構說明的是網(wǎng)絡的幾何邏輯關系，時分結構：包括共享媒體和共享存儲器空分結構：由交換單元構成的單級或多級拓撲結構，“空分”的意思是指在拓撲結構內部存在著多條并行的通路，每條通路仍然可以采用時分復用的方式選路策略：交換節(jié)點內部的選路，即在交換網(wǎng)絡指定的入端與出端之間選擇一條可用的路徑互連技術控制機理多播方法：將某一入端的信息同時傳送到所需的多個出端，即點到多點通信阻塞特性：阻塞指在呼叫建立或用戶信息傳送時，由于交換網(wǎng)絡擁塞而使呼叫不能建立或用戶信息不能傳送而遭受損失的現(xiàn)象連接阻塞（電路交換）傳送阻塞（虛連接中的阻塞，帶寬不夠用）有阻塞和無阻塞可靠性保障：除了提高硬件的可靠性外，通常配置雙套冗余結構阻塞特性從阻塞的特性看，交換網(wǎng)絡可分為有阻塞網(wǎng)絡和無阻塞網(wǎng)絡，無阻塞網(wǎng)絡又分為：嚴格無阻塞：又稱為Clos網(wǎng)絡。是指無論交換網(wǎng)絡原先處于何種占用狀態(tài)，總可以建立任何出、入端之間的連接而無內部阻塞廣義無阻塞：對任何呼叫連接，只有遵循特定的選路規(guī)則才能做到無阻塞再配置無阻塞：指總可以通過對已建立連接所用的通路進行調整，以建立任何新的無阻塞連接交換節(jié)點高度抽象的系統(tǒng)結構

123456789*8#用戶接口功能互連功能中繼接口功能控制功能用戶線中繼線到其他交換機信令功能.

在控制功能管理下，按需求提供連接通路。依照呼叫用戶的需求，并結合交換設備的性能指標、資源狀態(tài)完成相應的接續(xù)操作，維持設備正常運行。接收終端的狀態(tài)及信令消息轉換成適合控制功能處理的消息格式，或相反過程。適配外部線路傳輸特性，信號格式轉換，協(xié)同信令功能收發(fā)信令。1、交換單元模型交換單元（SwitchElement--SE）是構成交換網(wǎng)絡的最基本的部件，若干個交換單元按照一定的拓撲結構和控制方式連接起來就可以構成各種各樣的交換網(wǎng)絡。交換單元對外的特性只有一組入線（信息輸入端）和一組出線（信息輸出端），如圖2.1所示。圖2.1M×N的交換單元交換單元及交換網(wǎng)絡若M=N，則稱對稱交換單元2、交換連接當有信號到達交換單元的某條入線需要進行交換時，交換單元可根據(jù)外部送入的命令或根據(jù)信號所攜帶的出線地址，在交換單元內部建立通道（稱內部通道）,將該入線與出線連接起來?！皟炔客ǖ馈蓖ǔ１环Q為“連接”—建立連接、拆除連接圖2.2交換連接示意圖入線0123401234出線對交換單元有多種分類方法，可以從不同的角度對交換單元進行分類，一般采用以下2種分類方法。（1）按照入線與出線上信息傳送的方向是單向還是雙向可以把一個交換單元分為有向交換單元與無向交換單元，如圖2.3所示。圖2.3交換單元分類1：有向與無向3、交換單元分類入端組和出端組內部不能相連M=N，且把相同編號的入端和出端合一起信息流動總是從入端到出端（2）按照交換單元入線與出線的數(shù)量關系可以把一個M×N的交換單元分為集中型，連接型以及擴散型，如圖2.4所示。圖2.4交換單元分類2：按照入線與出線數(shù)目4.交換單元的性能對于交換單元，我們通過以下幾個指標來描述其特性：（1）容量交換單元的容量，包含兩方面的內容，一個是交換單元的入線與出線數(shù)目，一個是每條入線上可以送入交換的信息量大小。因此交換單元的容量就是交換單元所有入線可以同時送入的總的信息量。（2）接口在不同的線路上允許傳送的信號往往不一樣，同樣，在不同的交換單元入端上可以接收的信號也往往不同。因此，需要規(guī)定交換單元的信號接口標準。（3）質量一個交換單元的質量主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是完成交換功能的能力，它通常指交換單元完成交換動作的速度，以及是否在任何情況下都能完成指定的連接；另一個是信息是否存在損傷，如信息經(jīng)過交換單元的時延或其它損傷,如誤碼率增加?；窘粨Q單元1、開關陣列在交換單元內部，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，所有的開關就構成了交換單元內部的開關陣列。若交換單元的每條入線能夠與每條出線相連接，則被稱為全連接交換單元；若交換單元的每條入線只能夠與部分出線相連接，則被稱為部分連接交換單元或非全連接交換單元。若交換單元是由空間上分離的多個小的交換部件或開關部件按一定的規(guī)律連接構成的，則稱為空分交換單元。開關陣列是一種空分交換單元。幾種典型的交換單元，有不帶存儲功能的開關陣列、總線，帶存儲功能的存儲型交換單元

開關陣列在拓撲結構上可排成方形或矩形二維陣列，并分別被稱為N×N方形開關陣列和M×N矩形開關陣列。位于第i行j列的開關記為Kij

圖2.5M×N有向矩陣開關陣列圖2.6M×N無向矩陣開關陣列任何給定的入線到出線的通道上只存在一個開關，即每條入線和出線的組合都對應著一個單獨的開關開關陣列的主要特性：（1）任何時刻，任何入線都可連至任何出線。開關控制簡單，具有均勻的單位延遲時間。（2）一個交叉結點代表一個開關，因此通常用交叉點數(shù)目表示開關數(shù)目。（3）一列開關只能有一個處于接通狀態(tài)。（4）一行開關部分或全部處于接通狀態(tài)時，開關陣列很容易地實現(xiàn)了同發(fā)功能和廣播功能（4）開關陣列組成的交換單元的性能取決于所使用的開關（5）開關陣列具有控制端（控制開關的通斷）和狀態(tài)端（接通或斷開），控制端和狀態(tài)端均可用二值電平“0”或“1”來表示

在實際應用中，一般存在三種開關陣列：電磁繼電器、模擬電子開關與數(shù)字電子開關。電磁繼電器（利用繼電器的吸合與斷開控制交叉點）一般構成小型的交換單元，所構成的交換單元是雙向的，可交換模擬和數(shù)字信息，其缺點是干擾和噪聲大、動作慢（ms級）、體積大（cm級）。模擬電子開關一般由半導體材料制成，可雙向傳送信息，且衰耗和時延較大。但模擬電子開關的開關動作比繼電器快得多，構成的交換單元與繼電器構成的交換單元相比，體積小，一般用來代替繼電器構成小型的交換單元。數(shù)字電子開關由簡單的邏輯門構成，如數(shù)字多路選擇器或分配器來實現(xiàn)。其開關動作極快且無信號損失，用于完成數(shù)字信號的交換，目前得到廣泛的應用。選擇器…………01M-101M-1入線入線出線出線一列出線開關復接等效M選1選路器……01N-1入線出線分配器……N-110出線入線一行入線開關復接等效1選N分配器用N個M選1多路選擇器或M個1選N多路分配器，都可構成M×N的交換單元2、總線型交換單元共享總線型交換單元的一般結構如圖2.8所示，總線型交換單元有N條入線與N條出線，每條入線都經(jīng)過各自的入線控制部件連接到總線上去，同時每條出線也都經(jīng)過各自的出線控制部件連接到總線上去。

出線控制部件出線控制部件出線控制部件入線控制部件入線控制部件入線控制部件…………總線入線出線總線控制邏輯入線控制部件的功能是接收入線信號，進行信號的格式變換，放到緩沖存儲器中，在相應時隙到來時將輸入信號發(fā)送到總線上去，設輸入部件每隔τ時間獲得一個時隙，輸入端輸入的信號速率為V比特/秒，則輸入部件緩沖存儲器的容量至少應為Vτ比特。出線控制部件的功能是檢測總線上的信號，將屬于本端口的信息讀出到一個緩沖存儲器中，進行格式變換，然后由出線送出。設輸出部件每隔τ時間獲得一組信息量，且該組信息量為常數(shù)，輸出端輸出的信號速率為V比特/秒，則輸出部件的緩沖存儲器的容量至少應為Vτ比特?？偩€主要包括數(shù)據(jù)總線（傳送信號）和控制總線，由于數(shù)據(jù)線數(shù)的多少與交換單元的容量密切相關，因此通常把總線含有的數(shù)據(jù)線數(shù)叫做總線的寬度。總線時隙按一點的規(guī)則分配綜合，總線上的信號是一個同步時分多路復用信號，并且所有的輸入信號將被復合成一個信號。設總線型交換單元有N條入線，每條入線上傳送的同步時分復用信號的速率為V，則總線上的信號速率就是NV，因此當N增大時，總線上傳送的信息速率會增大，該速率以及入、出線控制電路的工作速率是有極限的，因此入出線數(shù)以及所傳送的信號速率不能超過一定的值。由于上述因素的限制，設總線上的一個時隙長度不能超過T，并且在一個時隙中只能傳送B個比特，則有下列等式成立：kNV=B/T（總線上單位時間內傳送的數(shù)據(jù)），k為時隙分配規(guī)則因子，k<=1（固定分配、按需分配）。3、共享存儲型交換單元共享存儲型交換單元適用于交換各種時分復用數(shù)字信號，包括同步時分復用信號和異步統(tǒng)計復用信號。

共享存儲型交換單元的核心部件是存儲器，被劃分為N個單元，N路輸入數(shù)字信號分別送入存儲器的N個不同的單元中暫存，然后再分別輸出。

共享存儲型交換單元的工作方式有下列兩種輸入緩沖。N路信號順序寫入N個存儲單元，讀出時按照要求有控制有選擇的讀出所需單元的信號。輸出緩沖。N路信號按要求有控制有選擇的寫入N個存儲單元，讀出時按順序讀出，這種交換單元稱為輸出緩沖交換網(wǎng)絡1、交換網(wǎng)絡的基本概念交換網(wǎng)絡可分為單級交換網(wǎng)絡和多級交換網(wǎng)絡單級交換網(wǎng)絡是由一個交換單元或若干個位于同一級的交換單元構成的。需交換的信號在單級交換網(wǎng)絡中一次通過，即一次入線到出線的連接，只經(jīng)過一個交換單元...入線出線交換單元（a）一個交換單元...交換單元...入線出線交換單元...交換單元……（b）單級多個交換單元圖2.9兩種形式的單級交換網(wǎng)絡示例(b)中不同交換單元的入線和出線之間不能建立連接，不能算是真正的交換網(wǎng)絡交換網(wǎng)絡的基本概念將若干個交換單元按照一定的拓撲結構和控制方式連接起來，就構成了多級交換網(wǎng)絡，其基本結構如圖2.10所示多級交換網(wǎng)絡的三大基本要素：交換單元、交換單元之間連接的拓撲連接和控制方式圖2.10多級交換網(wǎng)絡的一般結構控制單元(1).多級交換網(wǎng)絡定義多級交換網(wǎng)絡由多級交換單元構成，如果一個交換網(wǎng)絡中的交換單元可以分為K級，順序命名為1,2,……，K級，并且滿足以下條件，則稱這樣的交換網(wǎng)絡為多級交換網(wǎng)絡（K級交換網(wǎng)絡）所有的入線都只與第一級交換單元的入線連接所有的第1級交換單元的出線都只與第2級交換單元的入線相連依次類推，第K-1級的出線只與第K級的入線相連，第K級交換單元的出線作為整個交換網(wǎng)絡的出線多級交換網(wǎng)絡的拓撲結構用三個參量來說明：交換單元的容量、交換單元的級數(shù)、交換單元之間的連接通路（鏈路）(2).內部阻塞（多級交換網(wǎng)絡會出線內部阻塞問題）....................................000001011111n-1m-1m-1n-1m-1n-1第1級第2級圖2.11nm×nm兩級交換網(wǎng)絡0101m-1n-1......第一級同一交換單元不同編號的出線分別接到第二級不同交換單元相同編號的入線上，交換網(wǎng)絡的nm條入線中的任何一條均可與nm條出線中的任一條接通特點：第一級的每一個交換單元與第二級的每一個交換單元之間僅存在一條鏈路，一旦被占用，其余任何入線與出線都無法接通(2).內部阻塞出、入線空閑，但因交換網(wǎng)絡級間鏈路被占用而無法接通的現(xiàn)象稱多級交換網(wǎng)絡的內部阻塞。若用計算機的術語，阻塞也可稱為沖突，即不同入線上的信息試圖占用同一條鏈路（級間鏈路）。單級交換網(wǎng)絡是不存在內部阻塞的，且它的控制比多級網(wǎng)絡簡單，時延短（時延與級數(shù)成正比），但交叉節(jié)點數(shù)C=N2，N增大，C增大很快。一般而言，交換網(wǎng)絡中交叉點越多，成本越高，建立連接的路徑也越多，阻塞的機會也越少，連接能力也越強。交換網(wǎng)絡拓撲設計的目標在滿足一定連接能力（無阻塞）的要求下，盡量最小化交叉數(shù)，容量相同的多級交換網(wǎng)絡比單級交換網(wǎng)絡相比，交叉點數(shù)會大大減少(3)、三種無阻塞網(wǎng)絡（1）嚴格無阻塞網(wǎng)絡：不管網(wǎng)絡處于何種狀態(tài)，任何時刻都可以在交換網(wǎng)絡中建立一個連接，只要這個連接的起點、終點是空閑的，而不會影響網(wǎng)絡中已建立起來的連接（2）可重排無阻塞網(wǎng)絡：不管網(wǎng)絡除用于何種狀態(tài)，任何時刻都可以在一個交換網(wǎng)絡中直接或對已有的連接重選路由來建立一個連接，只有這個連接的起點和終點是空閑的（3）廣義無阻塞網(wǎng)絡：指一個給定的網(wǎng)絡存在固有的阻塞的可能，但有可能存在著一種精巧的選路方法，使得所有的阻塞均可以避免，而不必重新安排網(wǎng)絡中已建立起來的連接CLOS網(wǎng)絡研究構成交換網(wǎng)絡的交叉點數(shù)目隨入線、出線數(shù)目增長較慢的方法，一直是交換領域研究的重點課題，這些方法的基本思想都是采用多個較小規(guī)模的交換單元按照某種連接方式連接起來從而構成多級交換網(wǎng)絡。CLOS網(wǎng)絡就是其中的一種，如圖2.12所示圖2.12三級CLOS網(wǎng)絡它由ClosC首次提出，一般使用在大型電話交換系統(tǒng)中，屬于多級交換網(wǎng)絡。假設CLOS網(wǎng)絡有M條入線與N條出線，如果M=N，我們稱這樣的CLOS網(wǎng)絡為對稱的CLOS網(wǎng)絡，否則為非對稱的CLOS網(wǎng)絡。對稱的CLOS網(wǎng)絡使用廣泛，在這里我們主要介紹對稱的CLOS網(wǎng)絡，下面所介紹的CLOS網(wǎng)絡除非特別說明一般指對稱的CLOS網(wǎng)絡。

1、3級CLOS網(wǎng)絡3級CLOS網(wǎng)絡非常容易理解，而且應用廣泛，除非特別指明，我們一般說CLOS網(wǎng)絡也指3級CLOS網(wǎng)絡，更多級的CLOS網(wǎng)絡可以由3級CLOS網(wǎng)絡遞歸構造而成。一個N×N的3級CLOS網(wǎng)絡的基本結構如圖2.13所示，N為入線數(shù)與出線數(shù)。

圖2.13三級CLOS網(wǎng)絡其中，入線N被劃分為r組，每組有n條入線，即N=r×n。第一級共有r個n×m的交換單元，r組入線正好分別接入交換網(wǎng)絡中第一級r個交換單元；假設第二級也恰好有m個r×r的交換單元，那么第一級的每一個交換單元也就有m條輸出，分別接到第二級中的m個交換單元，那么可以看出第二級的每一個交換單元共有r條輸入線；第三級交換單元是m×n規(guī)模的，共有r個，第二級交換單元的r個輸出分別連接到這第三級的r個交換單元，每一個交換單元都與下一級的各個交換單元有連接且僅有一條連接，這就是一個3級CLOS網(wǎng)絡。m，n，r決定了交換單元的容量，稱為網(wǎng)絡參數(shù)，記為C(m,n,r)2、3級CLOS網(wǎng)絡嚴格無阻塞條件假定輸入級第一個交換單元的某條入線要與輸出級第r個交換單元的某條出線建立連接。在最不利的情況下，輸入級第1個交換單元的n-1條入線和第r個交換單元的n-1條出線均已被占用，而這些占用都是通過中間級不同的交換單元完成的。也就是說在最不利的情況下，可選擇的鏈路已被占用（n-1）×2條，為了確保無阻塞，至少還應存在一條空閑鏈路，即中間級至少要有（n-1）×2+1=2n-1個交換單元，于是得到：3級CLOS交換網(wǎng)絡嚴格無阻塞的條件是：

m≥2n–1

當輸入級交換單元的入線數(shù)不等于輸出級交換單元的出線數(shù)時，則嚴格無阻塞的條件是：（非對稱CLOS網(wǎng)絡）

m≥(n入-1)+(n出-1)+1=n入+n出-1

1n-11n-11n1nabn-1忙n-1忙可用圖CLOS網(wǎng)絡的無阻塞條件第1級第2級第3級1r如圖,如果要確立一條從a~b的信息交換通路，那么最不利的情況是：第1級與a相連的交換單元除去a之外所有剩余的n-1條入線均有信息要交換，那么第1級與a相連的交換單元中n-1條輸出線均處于忙狀態(tài)，并且所有的n-1條輸出線都連接到第2級不同的交換單元上；最后一級與b相連的交換單元除b以外所有的n-1條出線也均有信息要交換出來，并且對第2級來說需要另外的n-1個交換單元，且這些交換單元都要有一條出線連接到b相連的交換單元上；那么在最壞的情況下，共需要(n-1)+(n-1)=2n-2個可供選擇的第2級交換單元，這時為了確保鏈路無阻塞，完成a~b的信息交換，至少還應存在一條空閑鏈路，即中間級交換單元要有2n-2+1=2n-1個3、3級CLOS網(wǎng)絡可重排無阻塞條件3級CLOS網(wǎng)絡可重排無阻塞的條件是:

m≥n

其中m為CLOS網(wǎng)絡第2級所需要的交換單元的個數(shù)，n為CLOS網(wǎng)絡第1級交換單元入線數(shù)或第3級交換單元的出線數(shù)。非對稱CLOS網(wǎng)絡可重排無阻塞的條件是：

m>=max(n入,n出)話務理論基礎

話務量的基本概念話務量是表達電話網(wǎng)內機線設備負荷數(shù)量的一種量值，所以也稱為話務負荷。話務量反映了話源對所使用的電話通信設備數(shù)量上的要求話務量的基本概念話務量三要素呼叫強度：單位時間內發(fā)生的平均呼叫次數(shù)λ占用時長：每次呼叫平均占用的時間長度S考察時間：對通話業(yè)務的觀測時間長度T話務量Y=λST話務量的大小表現(xiàn)了機線設備的繁忙程度話務量的基本概念話務量單位：愛爾蘭，用Erl表示，并規(guī)定若λ、S均采用h（小時）為時間單位，則A的單位為Erl。例：一條電路被連續(xù)不斷地占用了1h，話務量就是1Erl。話務量的基本概念電話話務量特性隨機性：話源產(chǎn)生的呼叫是隨機的。波動性：話務量的值每時每刻都在變化。忙時話務量：一天中通信設備最繁忙的那一個小時稱為忙時，忙時的平均話務量簡稱為忙時話務量忙時話務量是交換系統(tǒng)設計的重要依據(jù)話務量強度：單位時間內的話務量，簡稱話務量，一般用A表示交換系統(tǒng)處理話務的方法呼叫工作制指當用戶呼叫不能立即接通時，發(fā)送忙音，此次呼叫失敗主要用于電路交換接待工作制也稱等待系統(tǒng)或排隊系統(tǒng)分組交換采用此種方式流入話務量（A入）：指話源產(chǎn)生的話務量。設某設備群上的所有入線，在1h內發(fā)生的呼叫次數(shù)為λ

（λ即呼叫發(fā)生強度），其平均占用時長為S，則A入=λS完成話務量（A完）：指某群設備受理并完成呼叫處理的話務量設λ’為接受處理的呼叫數(shù)（或完成接續(xù)的呼叫數(shù)），其平均占用時長為S，則A完=λ’S呼叫工作制：A損=A入-A完接待工作制：A完=A入流入話務量和完成話務量線群與呼損一群（或一組）為話源（業(yè)務源）服務的設備及其出線，這一總體稱為線群。…………1N1V線群的模型入線出線線群與呼損線群中的出線數(shù)代表線群的大小，稱它為線群的容量，用M表示每條入線能夠到達的出線范圍，即每條入線能夠選用的出線數(shù)量，稱為利用度，用D表示全利用度線群（D=M）：任何入線對所有出線都有接續(xù)路由，只要出線空閑，就可接續(xù)部分利用度線群（D<M）：任一負載源只能選用其線群中的部分出線呼損工作制系統(tǒng)中，用戶關心的是服務質量，即打不通電話的概率有多大服務質量指標指的是交換設備未能完成接續(xù)的電話呼叫業(yè)務量與用戶發(fā)出的電話呼叫業(yè)務量之比，即呼叫損失率，簡稱呼損。話務量、呼損與交換設備數(shù)量之間存在著固定的關系，研究它們三者的固有關系的理論即是話務理論線群與呼損1、呼損的計算方法

呼損是指由于交換機內部鏈路或者中繼線不足引起的阻塞概率（1）按時間計算的呼損E=出線全忙的時間與總的考察時間的比值=