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第5章 信号的交换

  第5章 信号的交换 主要内容 1、交换技术概述 2、数字程控交换 3、ATM交换 4、以太网交换 5、光交换 1 §5.1 交换技术概述 一、交换与通信网 (一)通信网 【通信的目的是实现消息的传递。】 1.点对点通信 通信网 消息 终端 传输媒介 电信号 2 终端 消息 2、多终端互连式通信 问题: (1)N终端,需N(N-1)/2条线)终端距离很远时需大量的长途线个线个终端时,必须增设N条线路 【解决办法:采用通信网的形式】 3 3、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. 终端 结点 通信网 链路 4 4、交换式通信网 (1)由一台交换机组成的通信网 交换机 电话机 用户线)由多台交换机组成的通信网 通信网 中继线 用户线 ○:市话交换机(本地交换机) ◎:汇接交换机(当距离很远时,称长途交换机) ⊙:用户程控交换机(PABX,Private Automatic Branch Exchange) 6 电话网:核心/汇接交换机 本地/局交换机 IP网:核心/骨干路由器 边缘路由器 7 (二)交换 ——信息在不同的线路、终端或网络之间 的切换或分发的过程。 按交换方式可分为: 1、电路交换(CS,Circuit Switching)—— 信息从一条物理电路到另一条物理电路。 (实时,不能延时或延时很小,全程≤200ms) 特点:通话前要为通话双方建立一条通路,并 保持到通话结束再拆除。 (面向连接 CO,Connection Oriented) 8 2、报文交换(MS,Message Switching)— —电报报文从一条报路转换到另一条报路。 (非实时,可延时) 特点:采用存储-转发方式; (非面向连接/无连CL,Connectionless) 以报文为传送单元;报文的长短不 同,时延不同。 9 3、分组交换(PS,Packet Switching)—— 信包从一个数据终端分发到另一个数据 终端。 (非实时,可延时) 特点:采用存储-转发方式; (无连接/非面向连接) 以分组为传送单元; 分组的长度相同。 10 4、ATM交换 (Asynchronous Transfer Mode) —— 异步转移模式 特点:面向连接与分组交换相结合; 以信元(Cell)为传送单元; 信元的长度固定(53字节); 采用QoS(Quality of Service)机制。 5、光交换 11 二、交换设备的基本功能 (以电话网为例) ⑴本局接续 同一交换机两条用户线之间的连接。 ⑵出局接续 在交换机用户线与出中继线之间的连接。 ⑶入局接续 在交换机入中继线与用户线之间的连接。 ⑷转接接续 在交换机入中继线与出中继线 三、交换技术的发展 1876年 美国贝尔发明电线年 第一台人工磁石交换机 (借助话务员进行电话连接) 话机 用户线路 信号灯 塞孔 插塞 绳路 Cord Circuit 应答键 业务员 话机 话终 信号灯 振铃键 铃流源 14 2、 1892年 步进制交换机(史端乔交换机) Step-by-Step Switching System 利用话机拨号脉冲直接控制步进接线器的 上升和旋转。 No.31 No.25 用户电路 主叫 用户 第3层 第1触点 用户电路 被叫 用户 第2层 第5触点 绳路 ) 弧刷I (选择器/寻线器 弧刷II (选择器/终接器) 控制电路 15 步进接线年 纵横制交换机 (Crossbar Switching System) 以纵横接线 用户电路 用户电路 用户电路 用户电路 记发器 标志器 线年 美 贝尔系统 推出第一部商用程控交换机 5、1975年 法 开通第一部程控数字交换机 18 §5.2 数字程控交换 一、程控交换机的组成 用户电路 用户线 用户电路 交 换 网 络 (SN) 扫描与控制 接口电路 中央处理器 出中继器 中继线 入中继器 (话路部分) (控制部分) 存储器 (CPU) 输入与输出 设备 19 1、话路设备 完成主被叫之间的呼叫接续,具体 传递用户之间的线、控制系统 控制系统控制呼叫接续动作,程控 交换机的控制是通过运行在中央处理器 中的软件完成。 20 二、模拟用户电路的组成 具有BORSCHT功能: ⑴ B(Buttery Feeding)馈电 馈电电压 馈电电流 -48V 20~50 mA(使送话器 处于最佳工作状) (2)O(Overvaltage Protection)过压保护 防止用户线上的电压冲击或过压而损坏 交换机,通常设2~3级保护。 21 (3)R(Ringing)振铃 向被叫用户线)S(Supervision)监视 监视用户线通断状态(摘机,拨号,投 币话机的输入信号,挂机等), 一般通过对用户线上的直流信号进行扫 描检测完成。 22 (5)C(Codec)编解码 完成话音信号的A/D,D/A变换,包括滤波。 (6)H(Hybrid)混合 进行2/4线线双向信号转换成 收、发分开的4线单向信号。 编码器 模拟 用户线 数字信号 对用户线阻抗 进行匹配 数字信号 23 混合电路 平衡网络 解码器 (7)T(Test)测试 提供用户电路的测试端口,测试用户 线和用 户电路接口电路发生的混线,断线、接地、与电力 线碰接以及元器件损坏等各种故障,以便及时修复 和排除。 W1 1 1 3 2 N1 3 2 用户外线 N 内线测试 继电器 用户电路 3 2 外线测试 控制 外线 接点 内线测试 控制 内线项功能外,有的还有配合计费使用的 反极性功能、衰减控制、计费脉冲发送、投币话机 硬币集中控制等。 BORSCHT功能框图 测试 电路 a 用户 线路 b 测 试 T 振 铃 R 振铃 电路 过 压 保 护 O 带通 馈 电 B 监 视 S 混 合 H 平衡网络 低通 编 解 码 C 接交换 网络 控 制 系 统 25 三、呼叫处理的一般过程 (1)主叫用户A摘机呼叫 ● 主叫摘机检测、登记; ● 查明主叫类别; 【用户线类别,话机类型,服务类别(长途 权, 国际权,新服务等)不同类别将导致 不同的处理方式】 ● 存储块的分配。 【某呼叫发生后,有许多与该呼叫有关的信息 需保存,常用方法是对每个呼叫分配一个 存储块】 26 (2)发送拨号音,准备收号 ●选择一个空闲收号器以及与主叫用户 之间的空闲路由; ●选择一个空闲的主叫用户和信号音源 间的路由,向主叫发送拨号音; ● 监视收号器的输入信号,准备收号。 (3)收号 ●收号器收号; ●收到第1位号后,停发拨号音; ●对收到的号码按位存储; 27 ●对“应收位”、“已收位”进行计数; ●将号首送向分析程序进行分析(称预译 处理)。 (4)号码分析 ●在预译处理中分析号首,以决定呼叫类型 (本局、出局、长途、特服等),并决定该 收几位号; ●检查这个呼叫是否允许接通(是否限制用户 等); ●检查被叫用户是否空闲,若空闲则将其示忙。 28 (5)接至被叫用户 测试并预占空闲路由,包括: ●向主叫用户送回铃音的路由; ●向被叫用户送铃流的路由(如直接 控制用户电路振铃,则不用另找路由); (6)向被叫用户振铃 ●向被叫用户B送铃流; ●向主叫用户A送回铃音; ●监视主、被叫用户状态。 29 (7)被叫应答和通话 ●被叫摘机应答,停振铃和回铃; ●建立AB用户间通话路由,开始通话; ●启动计费设备,开始计费; ●监视主、被叫用户状态。 (8)话终,主叫先挂机 ●路由复原; ●停止计费; ●向被叫用户送忙音。 30 (9)被叫先挂机 ●路由复原; ●停止计费; ●向主叫用户送忙音。 31 四、数字交换网络的工作原理 (一)时隙交换的概念 1、时隙交换——输入复用线上任一时隙的 内容可以在输出复用线上任一时隙输出。 TS31 TS10 TS1 TS0 TS31 TS10 TS1 TS0 C B A 输入侧中继线 时隙 交换 A C B 输出侧中继线、复用线之间的交换(空分交换) ——任一输入复用线上的某一时隙的内容 可以在任一输出复用线上的同一时隙 输出。 PCM1 PCM2 PCM3 TS8 B TS3 A TS8 B PCM1 TS3 A PCM2 PCM3 PCMn … PCMn 输入侧中继线 … 数字 交换 网络 (二)数字交换网络的基本结构和工作原理 1、两用户的时隙交换 A B TS2 分路发 TS1 … A(TS1) 分路收 发送群设备 分路发 数 字 交 换 网 络 … 接收群设备 B(TS2) 分路收 B TS1 A TS2 34 2、时间接线器( T接线器,Time Switch ) ——用于时隙交换 (1)构成及工作原理 主要由话音存储器(SM:Speech Memory) 和控制存储器(CM:Control Memory)组成 【SM和CM都由RAM构成】 35 T接线 SM a b W R 对 应 输 出 时 隙 序 号 36 b 对 应 输 入 时 隙 序 号 a 1 2 30 31 TS30 TS2 a b 时钟 CM 30 2 0 1 2 30 31 R W CPU控制 时钟 SM:暂存数字语音信息, 每单元8bit,单元数(容量)等于输入复用线上 的时隙数,由写时钟控制,顺序写入。 CM:存储器的容量与SM的容量相等, CM存储的数据为SM的读出地址,由CPU控制写入, 读时钟控制顺序读出。 例:将TS2的内容a交换到TS30 写:将TS2的a写入SM的第2单元 将2(00010)写入CM的第30单元 读:在读TS30时,CM送出2,读SM第2单元的a (2)控制方式(略) 37 2、空分接线器(S接线器,Space Switch) ——用于不同PCM复用线的相同时隙的 交换 (1)构成及工作原理 主要由交叉点矩阵和控制存储器(CM)组成。 38 S接线 PCM2 PCM3 PCM4 14 12 13 23 24 34 44 33 22 输出 PCM1 PCM2 PCM3 PCM4 CM 入线 对 应 时 隙 号 31 CM4 CM3 CM2 CM1 出线 ①每条输出线对应一个CM 如 CM1对应输出线对应输出线。 ②CM中的数据为输入线号码,决定该输入线在相应 TS期间的输出。 例:在CM1的第7单元中写入2,则在TS7该数据被读出, 使输入线与输出线闭合) 【其他TS,则交叉点21断开】 ③在帧周期内,CM的各单元数据依次读出, 完成交换。 可见:S接线器不进行时隙交换,而进行同一时隙的空间 40 (2)控制方式(略) (三)数字交换网络 对大容量交换网络,只靠一级T接线器不 行,因为目前一级T接线端 脉码交换,而S接线器又不能单独使用, ∴要采用多级交换网络 如:TS,ST,TST,STS,TSST, SSTSS,TSSST,TTT等。 41 五、程控交换机的分类 1、根据服务范围不同分类 ⑴ 局用交换机 ⑵ 户用交换机 2、根据交换方式分类 ⑴ 空分交换 ⑵ 时分交换 3、根据交换的话音信号分类 ⑴ 模拟交换机 ⑵ 数字交换机 42 §5.3 ATM交换 异步转移模式(Asynchronous Transfer Mode) 一、ATM产生背景 现有: 电话网 ? ? 发展 数据网 ? ISDN(综合业务数字网) ? ??? 有线 已发展的N-ISDN(窄带综合业务数字网),使用频 带压缩技术,利用现有用户线kb/s数字信道和一条16kb/s数字信道)。 但不能传输图像,文件检索等业务。例如: 电视会议 :2Mb/s 广播电视: 34~140Mb/s 高清晰度电视 :140Mb/s 高保线kb/s 文件检索: 1~34Mb/s 高速文件传输:高于 1Mb/s 44 80年代后期,ITU-T提出B-ISDN 1988年,ITU-T推荐ATM为B-ISDN的信息 转移模式 1991.10,ATM论坛成立(以促进ATM尽早实用 为目的的非赢利民间组织) 【∴一般宽带网也称为ATM网络】 45 二、ATM的基本原理 1、ATM的基本特征 ATM用长度固定且较短(53字节) 的信元(cell)作为信息传送、交换、复用 的基本单位。 46 2、 ATM网络的基本结构 公用ATM网络 公用 ATM 交换机 NN1 公用 ATM 交换机 ATM 端点用户 AAL 公用 UNI 专用 UNI ATM 端点用户 话音 帧中继 CBR业务 AAL AAL AAL 专用 UNI 专用 ATM 交换机 专用 ATM 交换机 AAL AAL AAL AAL ATM 端点用户 AAL ATM 端点用户 专用ATM 网络 47 ?ATM结点交换机 ? ?端点用户设备【ATM终端,非ATM终端】 ATM网络主要由 ? ?传输设备 ?光纤传输链路 ? 【ATM网络的基本结构与电话网相类似,许多概 念的基本含义也和电话网中的相同】 ?网络与网络间的接口 NNI 两类重要的网络接口: ? ?用户与网络间的接口 UNI 48 3、ATM信元结构 信元:承载信息的基本单元 ?5字节信头 长度固定: 53个字节 ? ?48字节信息段(也称净荷) 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 结构: 信头 5字节 信元 净荷 48字节 GFC VPI VPI VCI CLP VPI VPI VCI VCI PT CLP HEC VCI VCI VCI PT HEC UNI信头结构 ATM信元 NNI信头结构 49 三、ATM交换原理(略) §5.4 以太网交换 一、交换式以太网(Ethernet)的工作原理 以太网交换机检测从以太端口来的数据包的源 MAC(MediaAccess Control,媒体访问控制)地址和 目的MAC地址,若数据包的MAC的层地址不在查找表 中,则将该地址加入查找表中,并将数据包发送给 相应的目的端口;若数据包的MAC层地址已存在于查 找表中,则直接向相应的目的端口转发。 50 二、以太网交换技术的类型 1、直通式(cut-through) ⑴ 原理 在输入端口检测到一个数据包时,检查 包头从而获取目的MAC(MediaAccess Control,媒 体访问控制)地址,启动内部的动态查找表转换 成相应的输出端口,在输入与输出的交叉处接通, 把数据包直接交换到相应的输出端口,实现交换 功能。 51 ⑵ 缺点 ①不能提供错误检测能力; ②不能将具有不同速率的输入/输出端口 直接接通(∵没有缓存); ③当以太网络交换机的端口增加时,交 换矩阵的规模与控制复杂度均迅速增 长,实现起来有一定难度。 52 2、存储转发式(store-and-forward) ⑴ 原理 先将输入端口的数据包存起来,然后进行 数据校检,在对发生误码的数据包进行处理后才取 出数据包的目的地址,并转换成相应的输出端口并 转发该数据包。 ⑵ 优点 ① 可以对数据包进行错误检测; ② 支持不同速度的输入输出端 口之间的转换; ③ 同时兼容高速端口与低速端口。 53 §5.4 光交换(略) 光交换技术是指不经过任何光/电转换, 在光域直接将输入光信号交换到不同的 输 出端。 光交换系统主要由输入接口、光交换 矩阵、输出接口和控制单元四部分组成。 END 54