第3章交换网络的结构及原理

第3章 交换网络的结构与原理
2. 多级接线器结构
多级接线器结构可以克服单级接线器结构存在的问题。 图3-2所示为n × nm的二级接线器结构，第一级接线器A的 入线数与出线数相等，是一个n × n的接线器，如果第一级 接线器A的n条出线接至n个1 × m的第二级接线器B的入线， 则第一级的每条入线将有nm条出线，于是1 + n个接线器便 构成了一个n × nm的交换网络。
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针对T接线器的讨论有以下几点说明：
(1) 不管是哪一种控制方式，话音信息交换的结果是一 样的。
(2) T接线器按时间开关时分方式工作，每个时隙的话 音信息都对应着一个SM的存储单元，因为不同的存储单元所 占用的空间位置不同，所以从这个意义上讲，T接线器虽是 一种时分接线器，但实际上却具有“空分”的含义。
需要强调的是，上述两种控制方式只针对话音存储器 (SM)，对于控制存储器(CM)来说，其工作方式都是“控制写 入，顺序读出”，即CPU控制写入，定时脉冲控制读出。
例如，某主叫用户的话音信号(A)占用TS10发送，通过T 接线器交换至被叫用户的TS50接收。图3-9(a)、(b)给出了两 种工作方式的示意图。
对于输出控制方式来说，其交换过程为：第一步，在定 时脉冲CP控制下，将HW线上的每个输入时隙所携带的话音 信息依次写入SM的相应单元中(SM单元号对应主叫用户所占 用的时隙号)；第二步，CPU根据交换要求，在CM的相应单 元中填写SM的读出地址(CM单元号对应被叫所占用的时隙 号)；第三步，在CP控制下，按顺序在输出时隙(被叫所占的 时隙)到来时，根据SM的读出地址，读出SM中的话音信息。
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(1) 在同一条PCM总线的不同时隙之间进行交换；
(2) 同一时隙在不同PCM总线之间进行交换；
(3) 在不同PCM总线的不同时隙之间进行交换。
在数字通信中，由于每一条总线都至少可传送30路(PCM 基群)用户的消息，因此我们把连接交换网络的入、出线叫做 PCM母线或HW(High Way)线。
第3章 交换网络的结构与原理 图3-4 一个nmk×nmk的三级接线器结构
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在三级接线器结构中，任何一个第一级接线器与一个第 三级接线器之间仍然只存在一条通路，但这条通路却是由 两条级间链路级联而成的。因此，当假设每条内部链路被 占用的概率是a时，每条链路空闲的概率是1 -a。两条链路 均空闲，则级联链路空闲的概率便为(1 -a)2。因此，三级 接线器结构的内部阻塞率为
图3-3 一个nm×nm的二级接线器结构 (a) 连线图；(b) 简化图
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在二级接线器结构中，由于第一级的每一个接线器与第 二级的每一个接线器之间仅存在一条内部链路，因此任何时 刻在一对接线器之间只能有一对出、入线接通。例如，当第 一级第1个接线器的1号入线与第二级第2个接线器的m号出线 接通时，第一级第1个接线器的其他入线都无法再与第二级 第2个接线器的其余出线接通。这种虽然入、出线空闲，但 因没有空闲级间链路而无法接续的现象称为交换网络的内部 阻塞。
示。 检测都比较简单。但是，为了控制投资，连接户外的用户电缆线路采用二线
制式来大幅减少电缆芯线，使得能够在一对铜线上传输双方向的信号。这两 部分之间的二线转四线功能就需要一个混合线圈来完成。
第3章 交换网络的结构与原理 图3-8 用户消息通过数字交换网络发送与接收的过程
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由于PCM信号是四线传输，即发送和接收是分开的，因 此数字交二换线是网指络模拟也电要话线收路、（家发里分的2开芯电，话进线）行，单而四向线路就是由指的传输接设续备音。频实 际中用户连消接配息线通、电过话数交换字机交、或换者网电话络机发的内送部与线路接。收设备的内过部的程音如频信图号3都-8是所
收发独立的，各占用一对线，即4线接口方式。这样电路稳定，使用维护、
例如，某T接线器的输入端PCM复用度为128，则SM的 单元数应是128个，每单元的字长是8 bit，CM单元数应是 128个，每单元的字长是7 bit。
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2. 时间(T)接线器的工作方式
如果话音存储器(SM)的写入信号受定时脉冲控制，而读 出信号受控制存储器(CM)控制，我们称其为输出控制方式， 即SM是“顺序写入，控制读出”。反之，如果话音存储器(SM) 的写入信号受控制存储器(CM)控制，而读出信号受定时脉冲 控制，我们称其为输入控制方式，即SM是“控制写入，顺序 读出”。
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3.1 交换网络的结构 3.2 数字交换网络的接续原理 3.3 多级交换网络
第3章 交换网络的结构与原理
3.1 交换网络的结构
从外部看，交换网络相当于一个由若干入线和若干出线 构成的开关矩阵，如图3-1所示。
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在图3-1中，由每条入线 和出线构成的交叉接点 类似于开关电路，平时 是断开的，当选中某条 入线和出线时，对应的 交叉接点才闭合。实际 中的开关矩阵叫接线器， 接线器的入线接主叫用 户接口电路，出线接被 叫用户接口电路或各种 中继接口电路。
Bi3 = 1 -(1 -a)2
(3.3)
比较式(3.2)和式(3.3)不难发现：
Bi3 > Bi2
可见，增加级数虽然扩大了交换网络可接续的容量，但也增
加了网络的内部阻塞率。
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3. 减小内部阻塞率的方法 减小内部阻塞率的方法通常有两种：扩大级间链路数 和采用混合级交换网络。 1) 扩大级间链路数 扩大级间链路数的方法如图3-5所示。
第3章 交换网络的结构与原理 图3-5 一个x重连接的二级交换网络
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图3-5所示的级间链路扩大到了x条，其内部阻塞率将减少为
Bi = ax
(3.4)
同理，一个x重连接的三级交换网络的内部阻塞率为
Bi = 1 -(1 -ax)2
(3.5)
扩大级间链路数可减小网络的内部阻塞率，但这是以 增大第二级接线器B入、出线数目为代价的，如图3-5所示 的第二级接线器B入、出线数目将相应地增大到xm×xm。
(3) CPU只需修改CM单元内的内容，就可改变信号交换 的对象。但对于某一次通话来说，占用T接线器的单元是固 定的，这个“占用”直至通话结束才释放。
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(4) 话音信号在SM中存放的时间最短为3.9 μs，最长 为125 μs。
(5) CM各单元的数据在每次通话中只需写一次。
图3-1 交换网络示意图
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3.1.1 交换网络的线束利用度 交换网络的线束利用度分为两种不同的情况：全利用度
线束和部分利用度线束。 1. 全利用度线束 任一条入线可以到达任一条出线的情况叫全利用度线束。 2. 部分利用度线束 任一条入线只能到达部分出线的情况叫部分利用度线束。 可见，与部分利用度线束相比，全利用度线束的接通率
(6) 当CM第K个单元中的值为j时，输入的第j时隙将被 转移到输出的第k时隙。由此引起的延时为
D = k -j(TS)
例如，当k = 3，j = 1时，信号交换的延时为 D =3 -1 = 2(TS) = 7.8 µs
再如，当k = 1，j = 3时，信号交换的延时为 D =(32 -j) + k = (32 -3) + 1 = 30TS = 117 µs
高，但出线的效率低。
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3.1.2 交换网络的结构设计 交换网络的结构分单级接线器结构和多级接线器结构。 1. 单级接线器结构 单级接线器结构如图3-1所示，一个n × m的接线器存在
n × m个交叉接点。如果交换网络的n和m数值很大，则交叉 接点数必然变得很大。在数字交换中，这意味着对存储器的 存取速率要求很高。
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对于输入控制方式来说，其交换过程为：第一步， CPU根据交换要求，在CM单元内写入话音信号在SM的地 址(CM单元号对应主叫用户所占用的时隙号)上；第二步， 在CM控制下，将话音信息写入SM的相应单元(SM单元号 对应被叫用户所占用的时隙号)中；第三步，在CP控制下， 按顺序读出SM中的话音信息。
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第3章 交换网络的结构与原理 图3-6 混合级交换网络
第3章 交换网络的结构与原理 图3-7 三级无阻塞交换网络
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3.2 数字交换网络的接续原理
数字交换实质上就是把PCM系统有关的时隙内容在时 间位置上进行搬移，因此数字交换也叫做时隙交换。当连 接数字交换网络只有一套PCM系统时，交换仅在这条总线 的30个话路时隙之间进行。为了扩大数字信号的交换范围， 要求数字交换网络还应具有在不同PCM总线之间进行交换 的功能。具体来说，数字交换网络应具有如下功能：
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2) 控制存储器
控制存储器(CM，Control Memory)又称为地址存储器， 其作用是寄存话音信息在SM中的单元号，如某话音信息存 放于SM的2号单元中，那么在CM的单元中就应写入“2”。通 过在CM中存放地址，从而控制话音信号的写入或读出。一 个SM的单元号占用CM的一个单元，故CM的单元数等于SM的 单元数。CM每单元的字长则由SM总单元数的二进制编码字 长决定。
3.2.1 数字交换网络的时间(T)接线器
1. 时间(T)接线器的结构
T接线器由话音存储器和控制存储器组成。话音存储器 和控制存储器都是随机存储器RAM。
1) 话音存储器
话音存储器(SM，Speech Memory)用于寄存经过PCM编码 处理的话音信息，每个单元存放一个时隙的内容，即存放一 个8 bit的编码信号，故SM的单元数等于PCM的复用度(PCM 复用线上的时隙总数)。
第3章 交换网络的结构与原理 图3-2 一个n × nm的二级接线器结构
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若把第一级接线器A增加到m个，并把第二级每个接线 器的入线数也增加到m条，便可得到如图3-3(a)所示的nm × nm的二级交换网络，其简化形式如图3-3(b)所示。
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图3-9 T接线器的工作方式 (a) 输出控制方式；(b) 输入控制方式
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要把TS10的内容交换到TS50中去，只要在TS10到来时， 把它的内容先寄存到SM中，等到TS50到来时，再把该内容取 走即可。通过这样一存一取，即可实现不同时隙内容的交换。
Bi = [1 -(1 -a)2]n
不难想象，当网络的内部链路数(如图3-6所示的第二级n) 达到一定的数量时，可以完全消除内部阻塞。下面我们来分 析图3-7所示的三级无阻塞交换网络。
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在图3-7中，第一级有2个3 × 5接线器，第二级有5个2 × 2接线器，第三级有2个5 × 3接线器。现假设第一级接线器A 的一条空闲入线要与第三级接线器C的一条空闲出线接通。 在最坏的情况下，当接线器A的入线希望接通时，它的其余2 条入线已占用了其5条出线中的2条，于是这条入线尚有3条出 线与接线器C相通。再假设接线器C的其余2条出线均已被占 用，而它们使用的入线又恰好是A、C之间剩余3条链路中的2 条，于是A、C之间还存在1条通路。这种只要交换网络的出、 入线中有空闲线，则必存在内部空闲链路的网络称为无阻塞 网络或Clos网络。
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2) 采用混合级交换网络
图3-6给出了一种混合级交换网络。
图3-6的前两级是如图3-3所示的二级网络，但第二级 网络的nm条出线并未像图3-4那样连到nm个接线器，而是 仅连接了m个接线器。不难看出，第一级中任何一个接线 器与第三级中的任一接线器之间现在有了n条链路，因此网 络的内部阻塞率下降为
二级接线器结构的每条内部链路被占用的概率可近似为
a A nm
(3.1)
式中，A——整个交换网络的输入话务量。
第3章 交换网络的结构与原理
交换网络的内部阻塞率应等于所需链路被占用的概率， 则二级接线器结构的内部阻塞是：
Bi2 = a
(3.2)
当进一步增加网络的输入线数时，可依照相同的方法 将二级接线器结构扩展为三级或更多级。图3-4所示为一个 三级接线器结构。