第3章
电信交换

交换技术是通信网的核心技术。在通信网中，信息的交换是在通信的源和目的终端之间建立通信信道，实现信息传送的过程。为实现多个终端之间的相互通信，通信网往往是由多个交换节点构成的，交换节点通过多种组网形式，构成了覆盖区域广泛的通信网络。不同的通信网络由于所支持的业务的特性不同，其交换设备所采用的交换方式也各不相同。

本章学习目标

 理解电信业务网的分类与电话通信网结构。
 理解电路交换、分组交换的原理。
 了解数字程控交换机的基本组成。
 了解电话接续信令流程和信令类型。
 了解软交换相关概念、功能特点、主要协议及技术解决方案。
3.1电信业务网概述
电信业务网是向用户提供诸如电话、电报、传真、数据、图像等各种业务的网络，包括电话通信网、数据通信网、智能网、移动通信网、IP网等。其中交换设备是构成业务网的核心要素，其基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接接续和分配，实现一个呼叫终端(用户)与其所要求的另一个或多个用户终端之间的路由选择的连接。

3.1.1电信业务网分类
电话业务长期以来是电信网中的基本业务，使用最为广泛，因而电话网也一直是电信业务网的主体。随着计算机技术的出现和发展，人们对数据通信业务的需求不断增长。特别是近年来互联网技术的广泛应用，移动通信技术的飞速发展，人们对宽带、智能业务等需求都促进了其他各种类型业务网的发展。
1. 电话通信网
为公众提供电话业务而建立和运营的电信网称为公用电话交换网(PSTN)。PSTN包括本地电话网、长途电话网和国际电话网。电话通信网是我国覆盖范围最广、用户数量最多、应用最广泛的一种通信网络。
截至2005年上半年，我国电话用户总数已达7.1亿户，其中固定电话3.4亿户，移动电话3.7亿户，均居世界首位。
2. 移动通信网
移动通信是指移动中的用户利用无线频段与静止或移动中的用户实时交换信息的通信方式。移动通信系统种类很多，并有不同的分类方式。
1) 按使用环境分类
可分为陆地移动通信系统、海上移动通信系统和航空移动通信系统。
2) 按服务对象分类
可分为公众移动通信系统、专用移动通信系统和军用移动通信系统。
3) 按通信设备分类











可分为无绳电话系统、无线寻呼系统、集群移动通信系统、蜂窝移动通信系统。
近年来，移动通信得到了迅速的发展，蜂窝移动通信在经历了模拟系统(第一代)、数字系统(第二代)以后，正在向第三代移动通信系统发展。
3. 数据通信网
数据通信是指在终端以编码方式表示信息，在信道上以脉冲形式传送信息的通信。现代数据通信是指计算机之间、计算机和各种终端之间进行信息的交互，因此，数据通信有时也称为计算机通信。而计算机通信网也被归入数据通信网。

数据通信的历史短于电话通信，但对数据业务的广泛需求使其得到了飞速的发展。在基础数据业务网中广泛采用的有X.25网(分组交换网)、DDN(数字数据网)、FR(帧中继网)、ATM(异步传送模式)等。
互联网(IP)技术是一种采用TCP/IP协议的分组交换，采用无连接的传送方式，网络中各个节点独立地处理数据分组，根据分组头中的目的地址选路、传送数据，是目前业务量发展最快的数据多媒体通信网络。
数据通信网的发展方向是建设宽带IP网络。

4. 智能网
智能网(IN)实际上是一个以计算机和数据库为核心的平台，目的是为所有的通信网提供服务。

在传统的通信网络中，当需要提供新的电信业务时，每增加一种新业务就需要在交换机中增加新软件，不仅工作量大、成本高、投入运行时间长，而且软件繁杂、难以互通和维护、易引起错误。采用智能平台方式提供新的电信业务，可以将业务交换、业务控制、语音处理等功能都集中于一个平台之上，各功能块之间采用平台设计自定义的内部协议，无标准接口，实施速度快，但难以实现不同系统之间的互联。

5. 窄带综合业务数字网
综合业务数字网(ISDN)的概念是在电话综合数字网的基础上演变而来的，于20世纪70年代提出。ISDN充分利用了已有电话网的网络资源，把数字化延伸到用户环路，从而实现在一个单一的网络中提供语音、数据、图像等综合的业务； 但ISDN的标准及其技术体系使其只能支持用户线接入速率低于2 Mbit/s的业务。

用户线接口速率低于2 Mbit/s 的网络定义为窄带综合业务数字网(NISDN)。

6. 宽带综合业务数字网
随着人们对业务需求的不断提高，要求网络能够传送高速数据、高清晰度图像等高速业务。ITUT定义了支持各种高速信息传送业务的网络——宽带综合业务数字网(BISDN)，用户线接口速率可达数百Mbit/s。
BISDN由于技术复杂等原因尚未获得预期的进展。
3.1.2电话通信网
电话通信是人们使用最普遍的一种通信方式，电话通信网的核心是电话交换局，电话交换采用适于实时、恒定速率业务的电路交换方式。

1. 电话通信过程
电话通信传递的信息是语音。其基本工作过程： 通话人发出的语音通过话机送话器变成电信号，然后通过线路传输至对方，对方话机受话器将电信号还原为语音，受话者能听到。在电话传输中，语音所产生的电信号(具有一定幅度和频带宽度的交流信号)是传输对象。
对于彼此之间都可能有通话需求的众多用户话机，若全部采用直接连线的方法，所需要的线对数将会很多。为解决该问题，可在用户分布区域的中心设置一台交换机(常称为总机)。每个用户只需一对线路和交换机相连，当任意两个用户需要通话时，交换机就将其接通； 通话完毕，再拆除连线。这就是电路交换的基本思想，既保证了较可靠的通信联络，又可以使线路费用大为减少。

从完成一次通话的连续过程来看，交换机应具备的最基本的功能如下。

（1） 在用户呼出阶段，电话机发送呼叫信号，交换机应能及时发现。
（2） 在数字接收及分析阶段，能辨识被叫用户。
（3） 在通话建立阶段，能发出信号将被叫用户呼出。
（4） 在通话阶段，能够把主叫用户和被叫用户连接起来，使其进行通话。
（5） 在呼叫释放阶段，当电话机发出中止话音信号时，交换机能随时发现并拆除连线。

2. 电话通信网基本构成
根据电话通信的需要，电话通信网通常由用户终端(电话机)、
交换机、通信信道、路由器及附属设备等构成。

1) 用户终端(电话机)
用户终端是电话通信网构成的基本要素，用户终端为通信用户所拥有。电话机的送话器和受话器主要完成通信过程中电／声和声／电转换任务； 二／四转换是指完成二线和四线转换的混合电路； 消侧音电路用于消除回声改善话音质量； 按键和振铃器用于发送通信地址(被叫号码)和呼叫被叫。电话机按其功能的不同，可分为扬声电话机、免提电话机、无绳电话机、录音电话机、可视电话机、投币电话机、磁卡电话机等，并有数字电话机、多媒体用户终端、IP电话机等新型电话机相继出现。
2) 交换机
交换机为电话通信网构成的核心部件，完成语音信息的交换功能，给用户提供自由选择通信对象的方便。交换机为通信服务部门所拥有。
3) 通信信道
通信信道是电话通信网构成的主要部分，为信息的流通提供合适的通路。通信信道为通信服务部门所拥有。
4) 路由器及附属设备
路由器等设备是为了电话通信网功能扩充或性能提高而配置。

3. 电话通信网结构
若需要在两部电话机之间进行通话，只需用一对线将两部电话机直接相连即可。若有成千上万部电话机需要互相通话，则需要把每一部电话机通过用户线连到电话交换机上。交换机根据用户信号(摘机、挂机、拨号等)自动进行话路的接通与拆除。
若一个城市只装一台交换机，称为单局制，大城市往往需要建立多个电话分局，分局间使用局间中继线互联。与用户线不同，中继线由各用户共用。分局数量太多时，需要建立汇接局，汇接局与所属分局以星型连接，汇接局间是全互联的。分局间通话需经过汇接局转接。
为了使不同城市用户能互相通话，还需建立长话局，长话局与市话分局或市话汇接局间以长(话)市(话)中继线相连。不同城市的长话局、长话汇接局间用长途中继线相连。
电话通信网常采用等级结构。等级结构是将全部交换局划分成两个以上的等级，低等级的交换局与高等级的交换局(管辖局)相连，各等级交换局将本区域的通信流量逐级汇集。
在长途电话网中，一般根据地理条件、行政区域、通信流量的分布情况等设立各级汇接中心。汇接中心是指下级交换中心间的通信需通过汇接中心转接来实现，在汇接交换机中只接入中继线。每一个汇接中心负责汇接一定区域的通信流量，逐级形成辐射的星型网或网状网。一般是低等级的交换局与高等级的交换局(管辖局)相连，形成多级汇接辐射网，最高级的交换局则采用直接互联，组成网状网。
在电话通信网中，由本地接入网、多级汇接网组成的网络结构称为等级制网络结构。等级制网络结构的电话网一般是复合型网，电话通信网采用该结构可将各区域的话务流量逐级汇集，达到保证通信质量和充分利用电路的目的。电话通信网的等级制网络结构如图31所示。



图31电话通信网的等级制网络结构


1) 本地电话网
本地电话网简称本地网，是在同一编号地区范围内，由若干个端局(或由若干个端局和汇接局)及局间中继线、用户线和话机终端等组成的电话网。本地电话网用来疏通本长途编号地区范围内任何两个用户间的电话呼叫以及长途发话、来话业务。
本地电话网的构成示意图如图32所示。



图32本地电话网的构成示意图


2) 长途电话网
长途电话网简称长途网。为有利于全网的网络管理和维护运行，目前我国长途网已由四级向二级逐渐转变。在二级长途网中，省级(含直辖市)交换中心的职能主要是汇接所在省的省际长途话务，以及所在本地网的长途终端话务； 地(市)级交换中心的职能是汇接本地网的长途终端话务。

3) 用户接入网
用户接入网是本地交换机与用户终端设备之间所实施的系统。用户接入网全部(或部分)取代传统的用户本地线路网，可以包含复用、交叉连接和传输功能。接入网可以采用星型、总线型、环型或复合型等网络结构形式，并实现光纤化和宽带化，以支持宽带多种业务的综合接入。

我国的电话通信网将进一步发展，形成由一级长途网和本地网组成的二级网络，实现长途无级网，届时我国的电话网将由长途电话网、本地电话网和用户接入网3个层面组成。

4. 电话通信网的性能指标
除了对一般通信网的性能要求外，电话通信网的主要性能指标有话务量和呼损率。
1) 话务量
话务量是电信业务流量的简称，表示电信设备承受的负载量，也表示用户对电信需求的程度。
话务量的大小与用户数量、用户通信的频繁程度、每次通信占用的时间长度，以及观测的时间长度(例如1分钟、1小时或是1天等)有关。单位时间内通信的次数越多，每次通信占用的时间越长，观测的时间越长，则话务量就越大。由于通信次数以及每次通信所占用时间等都在变化，所以话务量也是一个随时间变化的量。

话务量可以分为流入话务量和成功话务量。流入话务量的定义为单位时间(1小时)内平均呼叫次数和每次呼叫平均持续(占用线路)时间之积，表示每小时中平均线路占用的时间。成功话务量的定义为单位时间(1小时)内呼叫成功次数和每次呼叫平均持续(占用线路)时间之积。

国际通用的话务量单位是原CCITT建议使用的单位，称为“爱尔兰”(Erl)。1 Erl就是一条电路可能处理的最大话务量。若对某条电路观测1小时，该电路被连续不断地占用了1小时，话务量就是1 Erl(也可称作“1小时呼”)。若有100条电路，在1小时内平均每条电路的占用时间为0.7小时，则其话务量为0.7 Erl(或0.7小时呼)。

2) 呼损率
由于一般的通信网并不能保证所有呼叫都能够成功地被转接到对方用户，所以必然会有少量的呼叫失败，即发生“呼损”。呼损率是指损失话务量与流入话务量之比。呼损率越小，成功话务量就越大。

一个电话网的流入话务量取决于客观需求，在设计电话网时应将流入话务量作为给定条件之一。呼损率和电话网的设计能力有关，例如，交换机和中继线等设备的容量都直接和呼损率有关。设备容量越大，呼损率越小，网络的性能当然越好，但是投资和运行费用也大。所以，在网络性能和经济性之间需综合考虑。
5. 电话通信系统
在固定电话通信系统中，主要应用的技术包括PCM编码、时分复用、交换、复接、数字信号的基带传输、信令与同步等。固定电话通信系统框图如图33所示。



图33固定电话通信系统框图


3.2交换技术基础
交换技术是伴随着通信网的演进而发展的，即交换技术必须与终端业务、传输技术相适应。作为通信网中心节点的交换设备，或称交换系统，在通信网中占有重要地位。

3.2.1电信交换的作用
通信的目的是实现任意时间、任意地点和任意用户之间信息的传递。当用户数量增加，用户分布范围较广时，需要在用户分布密集的中心安装一个交换设备，该设备应能完成任意两个用户之间交换信息的任务。

1. 交换的引入
在仅涉及两个终端的单向或交互通信的点对点通信系统中，若信息以电信号的形式传输，系统至少由终端和通信电缆组成。终端将话音、图像、数据等信息转换为电信号形式，同时将来自通信电缆的电信号还原； 通信电缆则把电信号从一个地点传送至另一个地点。
当存在多个终端，并希望其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，该连接方式称为全互联式。在实际应用中，全互联式仅仅适合于终端数目较少、地理位置相对集中且可靠性要求很高的场合。

引入交换设备后，交换设备与所连接的用户终端设备以及其间的传输线路一起，构成了最简单的通信网。每个用户终端设备都用各自专用的线路连接在交换设备上。当任意两个用户之间需要交换信息时或通信完毕，交换设备就把连接这两个用户的相应开关接点合上或者断开。引入了交换设备，对N个用户只需要N对线即可满足要求，线路的投资费用大大降低。多个交换设备可构成实用的大型通信网。

例如，在由多个交换节点组成的电话通信网中，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。当连接距离很远时，汇接交换机也称为长途交换机。用户终端与交换机之间的线路称为用户线，其接口称为用户网络接口，交换机之间的线路称为中继线，其接口称为网络接口。

2. 交换的基本功能
由电话交换推广到一般电信交换系统，接口功能、连接功能、
控制功能和信令功能是电信交换系统必须具有的4项基本功能，如图34所示。



图34通信交换系统的基本功能


1) 接口功能
接口分为用户接口和中继接口，分别将用户线和中继线终接到交换网络。采用不同交换技术的设备具有不同的接口。例如，程控数字电话交换设备要具有适配模拟用户线、模拟中继线和数字中继线的接口电路； ATM交换设备则要求具有适于不同码速率、不同业务的各种物理媒介接口。
2) 连接功能
通过交换网络可实现任意入线和任意出线之间的连接，连接可以是物理的也可以是虚拟连接。网络的拓扑结构以及选路原则将直接影响交换网络的服务质量。无阻塞的交换网络和配置双套冗余结构的设计，将增强交换网络的故障防卫能力。
3) 控制功能
有效的控制功能是交换系统实现信息自动交换的保障。控制功能的基本方式有集中控制和分散控制两种。现代电信交换系统多采用分散控制方式，且控制功能多以软件实现。
4) 信令功能
信令是电信网中的接续控制指令，通过信令可以使不同类型的终端设备、交换节点设备和传输设备协同运行。信令的传递需要通过规范化的一系列信令协议实现，由于交换技术的不断发展，信令协议和信令方式也因不同的应用而有所差别。

3.2.2基本交换原理
交换节点中所传送的信号，与节点交换技术密切相关。不同的信号对交换有不同的要求，其交换与传送需选用最适合的交换技术，如光信号的传送需经过光交换，而电信号的传送则需经过电交换。

1. 交换节点的基本组成
交换节点是指通信网中的各类交换机，主要包括交换网络、通信接口、
信令单元和控制单元，如图35所示。




图35交换节点的基本组成



1) 交换网络
交换网络主要用于提供用户通信接口之间的连接，采用与硬件有关的交换结构，在控制单元的控制下完成整个连接的建立和释放过程。
在不同的交换方式中，可有物理连接或逻辑连接。

物理连接： 指用户通信过程中，无论用户有无信息传送，交换网络始终按照预先分配的物理带宽资源保持其专用的接续通路。
逻辑连接： 只有在用户有信息传送时，才按需分配物理带宽资源，提供接续通路，因此逻辑连接也称为虚连接。
2) 通信接口
交换系统的通信接口一般分为用户接口和中继接口两类，通信接口技术主要由硬件来实现，不同类型的交换系统具有不同的通信接口。终端用户通过用户线连接到交换系统的用户接口，交换机之间通过中继线连接到中继接口。
3) 信令单元
电信交换必须利用信令实现任意用户之间的呼叫接续，完成交换功能。信令处理过程必须采用一系列规范化的标准协议来实现，不同的交换系统可以采用不同的信令方式，信令方式也在不断发展。
4) 控制单元
交换系统在控制单元的控制下完成各种接续连接，目前控制系统主要采用计算机存储程序控制。控制技术的实现与处理机控制结构有关，它将直接影响交换系统的性能和质量。

2. 交换节点中传送的信号
目前，使用较多的是采用时分多路复用技术的数字信号。该数字信号主要有两种，即同步时分复用信号和统计时分复用信号。
1) 同步时分复用信号
时分复用采用时间分割的方法，把一条高速数字信道分成若干低速数字信道，构成同时传输多个低速信号的子信道。

同步时分复用是指将时间划分为基本时间单位，1帧占用时长为125 μs。每帧分成若干个时隙，并按顺序编号，所有帧中编号相同的时隙将成为一个恒定速率的子信道，传递一个话路的信息。该信道也称为位置化信道，根据它在时间轴上的位置，可以区分不同的话路。

对同步时分复用信号的交换，是话路所在位置上的交换，即时隙内容在时间轴上的移动。同步时分复用的基本原理如图36 所示。



图36同步时分复用的基本原理



2) 统计时分复用信号
统计时分复用(异步时分复用)信号涉及分组、路由标记和统计复用的概念。
分组是把需要传送的信息分成很多小段。每个分组前附加标志码(路由标记)，标志所分发的输出端。各个分组在输入时使用不同的时隙，可将它所占的信道容量视为一个子信道(该子信道可以是任何时隙)。此时，一个信道被划分成了若干子信道，称为标志化信道。

统计复用器是将上述子信道合成一个信道的复用器，它有一个存储器把接收到的信息按先后顺序分组发送，称为统计复用。
对统计时分复用信号的交换，实际上就是按照每个分组信息前的路由标记，将其分发到出线上。统计时分复用的基本原理如图37 所示，其中X、Y、Z为标志。



图37统计时分复用的基本原理



分组交换中的统计复用信号使用的分组长度不相等，所以各个子信道速率不固定，不适于采用硬件交换单元。