第三章 电路交换技术
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现代交换技术
第三章 电路交换技术
1
本章主要内容
3.1 电路交换概述 3.2 数字交换网络 3.3 程控数字交换系统的硬件结构 3.4 程控数字交换的软件系统 3.5 性能分析 3.6 本章小结
2
3.1 电路交换概述
电路，指承载用户信息的物理层媒质，可以是一对 铜线、一个频段或时分复用电路的一个时隙。
电路交换模式，交换设备只为通信双方建立透明的 通路连接，不对用户信息进行任何检测、识别或处 理。
电路交换设备，常称作程控交换机，在软件控制下， 接收和处理用户呼叫信令，分配资源，提供双向通 信电路。
3
1．电路交换的实现过程
电路交换技术是基于面向连接的交换方式， 即在电话通信的双方语音传输之前预先建 立起一条物理链路；并且在整个通信过程 中，这条链路被独占；直到通信结束再释 放链路资源。因此电路交换的过程分为建 立连接、传送信息和拆除连接三个阶段。
4
电路交换技术的实现过程
5
2、电路交换的特点
面向连接:呼叫建立时向网络申请资源，建立一条主叫 到被叫的通路；呼叫结束时释放该通路。如果申请不到 资源，则发生呼损。
实时性好，时延小：当通信链路连接建立后，通信双方 的所有链路资源均用于本次通信，除了少量的传输延迟 之外，不再有其他延迟，具有较好的实时性。
➢ 需要控制存储器的个数？ ➢ 每个控制存储器的单元数？ ➢ 每个单元的bit大小？
28
2)空间接线器——控制方式
S接线器有两种控制方式：分别为输入控制方式 和输出控制方式。
输入控制方式是指控制存储器按照输入复用线 进行配置，控制存储器的个数与输入线的条数 对应，控制存储器的单元数与输入线的复用的 时隙个数对应；控制存储器的每个单元存放了 该条输入复用线对应时隙的信息数据被交换到 哪条输出线的地址。因此，如果该S接线器有M 条入线和N条出线，且都复用了I个时隙，则在 输入控制方式下，必须配置控制存储器M个， 每个控制存储器包括I个单元，每个单元的最小 容量Tbit，满足2T≥N。
交换网络的三个基本要素是： 交换单元； 不同交换单元间的拓扑连接； 控制方式。
10
交换网络的分类(1)——单级交换网络
交换网络按拓扑连接方式可分为： 单级交换网络、多级交换网络
输入
输出
需要交换的信 息从交换网络入 线到交换网络出 线只经过一个交 换单元
单级交换网络
11
交换网络的分类(1)——多级交换网络
13
交换网络的分类(2)—存在内部阻塞
多级交换网络的内部有可能存在着阻塞，如果在 交换网络的入线、出线尚有空闲的状态下，但因交换 网络级间链路已被占用而无法建立新连接的现象，称 为多级交换网络的内部阻塞。把存在内部阻塞的交换 网络称为有阻塞交换网络，而不存在内部阻塞的交换 网络称为无阻塞交换网络。
7
3.2.1 交换系统的基本结构
➢ 程控交换系统实现网络核心的交换功能，它是 由信息传送子系统和控制子系统两部分组成。
➢ 控制子系统是交换机的“指挥系统”，交换机 的所有动作都是在控制系统的控制下完成的， 控制系统完成对交换机系统全部资源的管理和 控制，实时监测资源的使用和工作状态，为呼 叫连接请求分配资源和建立连接等，包括存储 器、中央处理器和输入输出设备等。
29
2)空间接线器——控制方式
同理，输出控制方式是指控制存储器按照输出 复用线进行配置，控制存储器的个数与输出线 的条数对应，控制存储器的单元数与输出线的 复用的时隙个数对应；控制存储器的每个单元 存放了该条输出复用线的对应时隙的信息数据 是来源于哪条输入线的时隙单元。因此，如果 该S接线器有M条入线和N条出线，且都复用了 I个时隙，则在输出控制方式下，必须配置控制 存储器N个，每个控制存储器包括I个单元，每 个单元的最小容量Xbit，满足2X≥M。
19
2、交换单元的连接特性— —（1）集合描述方式
对于M*N交换单元：
入线集合：T={0,1,2,…,M-1}；
出线集合：R={0,1,2,…,N-1}；
连接：一个入线t(t∈T) 和一组出线Rt(Rt∈R)的集合 c = { t, Rt }为一个连接。t称连接的起点，r∈Rt 称连接的 终点。 若Rt 中只含有一个元素，则称该连接是点到点连接； 若Rt 中包含多个元素，则称该连接是点到多点连接。 一个交换单元中，若允许点对多点的连接，且Rt R则称具有同发功能；若Rt=R，则称具有广播功能。 不允许多对多或多对一连接，该种情况称出线冲20
24
开关阵列的特点
开关控制简单，从入线到出线具有均匀的单位延 迟时间。
开关阵列适合于构成较小的交换单元。 交换单元的性能依赖于所使用的开关的材料特性. 控制信号简单。 容易实现同发和广播功能。
25
2.2.1 空间接线器
空间交换单元也称为空间接线器（Space Switch），简称为S单元或S接线器，他用来实 现多条输入复用线与多条输出复用线之间同一 时隙内容的空间交换，即交换了信息所在的不 同的入线和出线，而其所在的时隙位置并不发 生变化。
32
空间接线器——输出控制方式
0
TS8
TS12
1
2
TS8
TS12
T..S. 0 0
12
TS8
02
…
T..S.12 0
2
TS31
0
1
TS8
TS12
2
33
空间接线器——输出控制方式
S接线器工作在输出控制方式下，共配置了3条入线 和3条出线，他们都复用了32个时隙单元，其控制 存储器按照出线数目配置了3个，每个控制存储器 对应时隙数有32个单元，每个单元存放着该时隙数 据是来自于哪条入线上，图3.12中的交换单元的内 容已在连接建立时被写入了数据。如图在TS8时隙 到来时，第1条出线的数据，在其对应位置查找 CM1控制存储器Ts8单元内容为“0”，则此时应该 立即打开入线0与出线1相交叉的开关，则来自0入 线的数据立即被输出到第1条出线上。
同步时分复用：通信过程中，双方始终占有这条通路， 保证数据快速传递。支持实时的、交互的通信，但线路 利用率低。(固定分配带宽）
只提供透明传输：对通信内容，交换系统不进行差错控 制(信令除外)。
6
3.2 数字交换网络
3.2.1 交换系统的基本结构 3.2.2 交换网络的构成和分类 3.2.3 交换单元 3.2.4 多级交换网络
➢ 信息传送子系统实现数据信息在交换节点内部 的传输，他包括交换网络以及各种用户电路模 块、中继电路等各种接口设备。
8
交换系统的基本结构
用
接口
户
线
接口
交 换 网 络 控制系统
接口
中
继
接口
线
信息传送子系统
控制子系统
9
3.2.2交换网络的构成和分类
交换网络是由若干个交换单元按照一定的 拓扑结构和控制方式构成的网络。
15
交换网络的分类(2)——存在内部阻塞
b）可重排无阻塞交换网络：不管网络处于何种状 态，只要连接的起点和终点是空闲的，任何时 刻都可以在交换网络中直接或间接地对已有的 连接进行重新选路来建立一个新连接。
c）广义无阻塞交换网络：指一个给定的网络存在 着有阻塞的可能，但又存在着一种精巧的选路 方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新 安排网络中已建立起来的连接。
14
交换网络的分类(2)——存在内部阻塞
对于无阻塞交换网络，存在严格无阻塞交换网络、
可重排无阻塞交换网络、广义无阻塞交换网络三种不同意义的
无阻塞交换网络类型：
a）严格无阻塞交换网络： 不管网络处于何种状态，只要连接的起点和
终点是空闲的，在任何时刻都可以在交换网络中 建立一个新连接，且不会影响网络中已存在的其 他连接。
若入端t∈Tc，称其处于占用状态；否则称其处于空 闲状态。
若出端r∈Rc，称其处于占用状态；否则称其处于空21
交换单元的连接特性—— （2）函数描述方式
连接函数
一种连接对应一个连接函数，连接函数 表示相互连接的入线编号和出线编号之间的 一一对应关系，如果用x表示入线编号，这里用
二进制编码表示，则f(x)表示连接函数，即表示的 是出线的编号。
26
1) 空间接线器——基本结构
S接线器的构成：交叉点矩阵、控制存储器
交叉点矩阵：开关阵列；
控制存储器（CM-Control Memory）：它控制每条输入复用 线与输出复用线上的各个交叉点开关在什么时候打开或闭合。
M条输入复用线和N条输出复用线（每条入线和出 线都复用了多个时隙）.
控制存储器的个数匹配与输入线或者输出线的个数；
控制存储器的单元数匹配于输入线或者输出线的时隙
个数；控制存储器的每个单元的最小容量取决于输入
线或者输出线的个数，具体是取决于输入线还是输出
线取决于S接线器的控制方式。
27
空间接线器——基本结构举例
例如一个42×42的空间接线器，有42条输 入复用线与42条输出复用线，每条入线与 出线复用了32个时隙，那么问：
22
2、空间交换单元
空间交换单元——空分交换 ➢ 开关阵列 ➢ 空间接线器 时分交换单元——时分交换 ➢ 共享存储器结构(时间接线器) ➢ 共享总线型结构
23
1.1、基本开关阵列
开关阵列在每条入线和每条出线之间 都接上一个开关，由控制端口控制各开关 的断开和接通，即当某条入线和出线的开 关处于接通状态时则建立连接，开关断开 则连接断开。这样所有开关就构成了交换 单元内部的开关阵列，从而实现任意入线 和任意出线之间的连接.
集合描述方式
连接方式：C = { c1, c2,… }为由若干个连接组成的集 合。
➢ 连接方式的起点集：Tc = { t; t ∈ci , ci ∈C }为该连 接方
式中所有连接的起点组成的集合。
➢ 连接方式的终点集：Rc = { r; r∈ Rt , Rt ∈ci , ci ∈C } 为该连接方式中所有连接的终点组成的集合。
30
空间接线器——输入控制方式
0
TS8
TS12
1
2
TS8
TS12
T..S. 0 0
12
TS8
02
…
T..S.12 0
2
TS31
0
1
TS8
TS12 2
31
空间接线器——输入控制方式
S接线器工作在输入控制方式下，共配置了3条入 线和3条出线，他们都复用了32个时隙单元，其控 制存储器按照入线数目配置了3个，每个控制存储 器对应时隙数有32个单元，每个单元存放着该时 隙数据被交换到哪条出线上，图3.11中的交换单 元的内容已在连接建立时被写入了数据。如图第2 条入线的数据，在TS8时隙内，在其对应位置查找 CM2控制存储器TS8单元内容为“2”，应该打开 入线2与出线2相交叉的开关，则该数据立即被输 出到第2条出线上。
17
3.2.3 交换单元
交换单元的基本概念 交换单元的连接特性 空间交换单元 时间交换单元
18
1、交换单元的基本概念
交换单元是构成交换网络最基本的组成元 素，由若干个交换单元按照一定的拓扑结 构连接起来构成交换网络，因此，交换单 元是实现交换功能最基本的部件。
一个交换单元对外的特性有一组入线（可 以编号为0~M）和一组出线（可以编号为 0~N），还有对交换单元的进行动作指令 的控制端和用来查询交换单元内部连接情 况的状态端。
0
0
1
1
2
2
3
3
4 5
息45从需交要换交网换络的输信
6
入6端到交换网络
7
输7出端需要经过
多级交换网络
多个交换单元
12
交换网络的分类(1)——多级交换网络
多级交换网络也称为多级互联网络 MIN(Multistage Interconection Network),一个N级 交换网络的定义：
所有交换网络的入线都只与第1级交换单元的入线相 连； 所有第1级交换单元的出线都只与第2级交换单元的入 线连接； 所有第2级交换单元的出线都只与第3级交换单元的入 线连接； 依此类推，所有第N-1级交换单元的出线都只与第N级 和入线连接。
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交换网络的分类(3) ——时分、空分交换网络、时分— 空分结合交换网络
交换网络还可分为时分交换网络与空分交换网络、时分— 空分结合交换网络 。 空分交换网络：交换网络在多对入线和出线之间同时并行的 建立多对连接，具有空间交换的功能。 时分交换网络：如果交换网络在入线和出线之间分时共享共 用的内部链路，并进行时隙交换。 时分—空分结合交换网络：同时具有空分交换和时分交换的 功能，如中、大容量的程控交换机几乎都采用时空结合的交换 网络结构，如TST、STS和DSN交换网络等。
第三章 电路交换技术
1
本章主要内容
3.1 电路交换概述 3.2 数字交换网络 3.3 程控数字交换系统的硬件结构 3.4 程控数字交换的软件系统 3.5 性能分析 3.6 本章小结
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3.1 电路交换概述
电路，指承载用户信息的物理层媒质，可以是一对 铜线、一个频段或时分复用电路的一个时隙。
电路交换模式，交换设备只为通信双方建立透明的 通路连接，不对用户信息进行任何检测、识别或处 理。
电路交换设备，常称作程控交换机，在软件控制下， 接收和处理用户呼叫信令，分配资源，提供双向通 信电路。
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1．电路交换的实现过程
电路交换技术是基于面向连接的交换方式， 即在电话通信的双方语音传输之前预先建 立起一条物理链路；并且在整个通信过程 中，这条链路被独占；直到通信结束再释 放链路资源。因此电路交换的过程分为建 立连接、传送信息和拆除连接三个阶段。
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电路交换技术的实现过程
5
2、电路交换的特点
面向连接:呼叫建立时向网络申请资源，建立一条主叫 到被叫的通路；呼叫结束时释放该通路。如果申请不到 资源，则发生呼损。
实时性好，时延小：当通信链路连接建立后，通信双方 的所有链路资源均用于本次通信，除了少量的传输延迟 之外，不再有其他延迟，具有较好的实时性。
➢ 需要控制存储器的个数？ ➢ 每个控制存储器的单元数？ ➢ 每个单元的bit大小？
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2)空间接线器——控制方式
S接线器有两种控制方式：分别为输入控制方式 和输出控制方式。
输入控制方式是指控制存储器按照输入复用线 进行配置，控制存储器的个数与输入线的条数 对应，控制存储器的单元数与输入线的复用的 时隙个数对应；控制存储器的每个单元存放了 该条输入复用线对应时隙的信息数据被交换到 哪条输出线的地址。因此，如果该S接线器有M 条入线和N条出线，且都复用了I个时隙，则在 输入控制方式下，必须配置控制存储器M个， 每个控制存储器包括I个单元，每个单元的最小 容量Tbit，满足2T≥N。
交换网络的三个基本要素是： 交换单元； 不同交换单元间的拓扑连接； 控制方式。
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交换网络的分类(1)——单级交换网络
交换网络按拓扑连接方式可分为： 单级交换网络、多级交换网络
输入
输出
需要交换的信 息从交换网络入 线到交换网络出 线只经过一个交 换单元
单级交换网络
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交换网络的分类(1)——多级交换网络
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交换网络的分类(2)—存在内部阻塞
多级交换网络的内部有可能存在着阻塞，如果在 交换网络的入线、出线尚有空闲的状态下，但因交换 网络级间链路已被占用而无法建立新连接的现象，称 为多级交换网络的内部阻塞。把存在内部阻塞的交换 网络称为有阻塞交换网络，而不存在内部阻塞的交换 网络称为无阻塞交换网络。
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3.2.1 交换系统的基本结构
➢ 程控交换系统实现网络核心的交换功能，它是 由信息传送子系统和控制子系统两部分组成。
➢ 控制子系统是交换机的“指挥系统”，交换机 的所有动作都是在控制系统的控制下完成的， 控制系统完成对交换机系统全部资源的管理和 控制，实时监测资源的使用和工作状态，为呼 叫连接请求分配资源和建立连接等，包括存储 器、中央处理器和输入输出设备等。
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2)空间接线器——控制方式
同理，输出控制方式是指控制存储器按照输出 复用线进行配置，控制存储器的个数与输出线 的条数对应，控制存储器的单元数与输出线的 复用的时隙个数对应；控制存储器的每个单元 存放了该条输出复用线的对应时隙的信息数据 是来源于哪条输入线的时隙单元。因此，如果 该S接线器有M条入线和N条出线，且都复用了 I个时隙，则在输出控制方式下，必须配置控制 存储器N个，每个控制存储器包括I个单元，每 个单元的最小容量Xbit，满足2X≥M。
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2、交换单元的连接特性— —（1）集合描述方式
对于M*N交换单元：
入线集合：T={0,1,2,…,M-1}；
出线集合：R={0,1,2,…,N-1}；
连接：一个入线t(t∈T) 和一组出线Rt(Rt∈R)的集合 c = { t, Rt }为一个连接。t称连接的起点，r∈Rt 称连接的 终点。 若Rt 中只含有一个元素，则称该连接是点到点连接； 若Rt 中包含多个元素，则称该连接是点到多点连接。 一个交换单元中，若允许点对多点的连接，且Rt R则称具有同发功能；若Rt=R，则称具有广播功能。 不允许多对多或多对一连接，该种情况称出线冲20
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开关阵列的特点
开关控制简单，从入线到出线具有均匀的单位延 迟时间。
开关阵列适合于构成较小的交换单元。 交换单元的性能依赖于所使用的开关的材料特性. 控制信号简单。 容易实现同发和广播功能。
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2.2.1 空间接线器
空间交换单元也称为空间接线器（Space Switch），简称为S单元或S接线器，他用来实 现多条输入复用线与多条输出复用线之间同一 时隙内容的空间交换，即交换了信息所在的不 同的入线和出线，而其所在的时隙位置并不发 生变化。
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空间接线器——输出控制方式
0
TS8
TS12
1
2
TS8
TS12
T..S. 0 0
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TS8
02
…
T..S.12 0
2
TS31
0
1
TS8
TS12
2
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空间接线器——输出控制方式
S接线器工作在输出控制方式下，共配置了3条入线 和3条出线，他们都复用了32个时隙单元，其控制 存储器按照出线数目配置了3个，每个控制存储器 对应时隙数有32个单元，每个单元存放着该时隙数 据是来自于哪条入线上，图3.12中的交换单元的内 容已在连接建立时被写入了数据。如图在TS8时隙 到来时，第1条出线的数据，在其对应位置查找 CM1控制存储器Ts8单元内容为“0”，则此时应该 立即打开入线0与出线1相交叉的开关，则来自0入 线的数据立即被输出到第1条出线上。
同步时分复用：通信过程中，双方始终占有这条通路， 保证数据快速传递。支持实时的、交互的通信，但线路 利用率低。(固定分配带宽）
只提供透明传输：对通信内容，交换系统不进行差错控 制(信令除外)。
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3.2 数字交换网络
3.2.1 交换系统的基本结构 3.2.2 交换网络的构成和分类 3.2.3 交换单元 3.2.4 多级交换网络
➢ 信息传送子系统实现数据信息在交换节点内部 的传输，他包括交换网络以及各种用户电路模 块、中继电路等各种接口设备。
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交换系统的基本结构
用
接口
户
线
接口
交 换 网 络 控制系统
接口
中
继
接口
线
信息传送子系统
控制子系统
9
3.2.2交换网络的构成和分类
交换网络是由若干个交换单元按照一定的 拓扑结构和控制方式构成的网络。
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交换网络的分类(2)——存在内部阻塞
b）可重排无阻塞交换网络：不管网络处于何种状 态，只要连接的起点和终点是空闲的，任何时 刻都可以在交换网络中直接或间接地对已有的 连接进行重新选路来建立一个新连接。
c）广义无阻塞交换网络：指一个给定的网络存在 着有阻塞的可能，但又存在着一种精巧的选路 方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新 安排网络中已建立起来的连接。
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交换网络的分类(2)——存在内部阻塞
对于无阻塞交换网络，存在严格无阻塞交换网络、
可重排无阻塞交换网络、广义无阻塞交换网络三种不同意义的
无阻塞交换网络类型：
a）严格无阻塞交换网络： 不管网络处于何种状态，只要连接的起点和
终点是空闲的，在任何时刻都可以在交换网络中 建立一个新连接，且不会影响网络中已存在的其 他连接。
若入端t∈Tc，称其处于占用状态；否则称其处于空 闲状态。
若出端r∈Rc，称其处于占用状态；否则称其处于空21
交换单元的连接特性—— （2）函数描述方式
连接函数
一种连接对应一个连接函数，连接函数 表示相互连接的入线编号和出线编号之间的 一一对应关系，如果用x表示入线编号，这里用
二进制编码表示，则f(x)表示连接函数，即表示的 是出线的编号。
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1) 空间接线器——基本结构
S接线器的构成：交叉点矩阵、控制存储器
交叉点矩阵：开关阵列；
控制存储器（CM-Control Memory）：它控制每条输入复用 线与输出复用线上的各个交叉点开关在什么时候打开或闭合。
M条输入复用线和N条输出复用线（每条入线和出 线都复用了多个时隙）.
控制存储器的个数匹配与输入线或者输出线的个数；
控制存储器的单元数匹配于输入线或者输出线的时隙
个数；控制存储器的每个单元的最小容量取决于输入
线或者输出线的个数，具体是取决于输入线还是输出
线取决于S接线器的控制方式。
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空间接线器——基本结构举例
例如一个42×42的空间接线器，有42条输 入复用线与42条输出复用线，每条入线与 出线复用了32个时隙，那么问：
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2、空间交换单元
空间交换单元——空分交换 ➢ 开关阵列 ➢ 空间接线器 时分交换单元——时分交换 ➢ 共享存储器结构(时间接线器) ➢ 共享总线型结构
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1.1、基本开关阵列
开关阵列在每条入线和每条出线之间 都接上一个开关，由控制端口控制各开关 的断开和接通，即当某条入线和出线的开 关处于接通状态时则建立连接，开关断开 则连接断开。这样所有开关就构成了交换 单元内部的开关阵列，从而实现任意入线 和任意出线之间的连接.
集合描述方式
连接方式：C = { c1, c2,… }为由若干个连接组成的集 合。
➢ 连接方式的起点集：Tc = { t; t ∈ci , ci ∈C }为该连 接方
式中所有连接的起点组成的集合。
➢ 连接方式的终点集：Rc = { r; r∈ Rt , Rt ∈ci , ci ∈C } 为该连接方式中所有连接的终点组成的集合。
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空间接线器——输入控制方式
0
TS8
TS12
1
2
TS8
TS12
T..S. 0 0
12
TS8
02
…
T..S.12 0
2
TS31
0
1
TS8
TS12 2
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空间接线器——输入控制方式
S接线器工作在输入控制方式下，共配置了3条入 线和3条出线，他们都复用了32个时隙单元，其控 制存储器按照入线数目配置了3个，每个控制存储 器对应时隙数有32个单元，每个单元存放着该时 隙数据被交换到哪条出线上，图3.11中的交换单 元的内容已在连接建立时被写入了数据。如图第2 条入线的数据，在TS8时隙内，在其对应位置查找 CM2控制存储器TS8单元内容为“2”，应该打开 入线2与出线2相交叉的开关，则该数据立即被输 出到第2条出线上。
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3.2.3 交换单元
交换单元的基本概念 交换单元的连接特性 空间交换单元 时间交换单元
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1、交换单元的基本概念
交换单元是构成交换网络最基本的组成元 素，由若干个交换单元按照一定的拓扑结 构连接起来构成交换网络，因此，交换单 元是实现交换功能最基本的部件。
一个交换单元对外的特性有一组入线（可 以编号为0~M）和一组出线（可以编号为 0~N），还有对交换单元的进行动作指令 的控制端和用来查询交换单元内部连接情 况的状态端。
0
0
1
1
2
2
3
3
4 5
息45从需交要换交网换络的输信
6
入6端到交换网络
7
输7出端需要经过
多级交换网络
多个交换单元
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交换网络的分类(1)——多级交换网络
多级交换网络也称为多级互联网络 MIN(Multistage Interconection Network),一个N级 交换网络的定义：
所有交换网络的入线都只与第1级交换单元的入线相 连； 所有第1级交换单元的出线都只与第2级交换单元的入 线连接； 所有第2级交换单元的出线都只与第3级交换单元的入 线连接； 依此类推，所有第N-1级交换单元的出线都只与第N级 和入线连接。
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交换网络的分类(3) ——时分、空分交换网络、时分— 空分结合交换网络
交换网络还可分为时分交换网络与空分交换网络、时分— 空分结合交换网络 。 空分交换网络：交换网络在多对入线和出线之间同时并行的 建立多对连接，具有空间交换的功能。 时分交换网络：如果交换网络在入线和出线之间分时共享共 用的内部链路，并进行时隙交换。 时分—空分结合交换网络：同时具有空分交换和时分交换的 功能，如中、大容量的程控交换机几乎都采用时空结合的交换 网络结构，如TST、STS和DSN交换网络等。