通信技术基础第5章-信息交换技术课件.ppt
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1、5.1 信息交换的基本概念信息交换的基本概念 5.1.1 交换概念交换概念 1.交换的必要性交换的必要性 通信的目的是实现信息的传递。一个能传递信息的通信系统至少应该由终端和传输媒介组成,如图5.1所示。图5.1最简单的“点对点通信”示意图 电话通信是通过声能与电能相互转换、并利用“电”媒介来传输语言的一种通信技术。当两个用户要进行通话,最简单的形式就是将两部电话机用一对线路连接起来。如果有多个用户时,为保证任意两个用户间都能通话,很自然我们会想到每两个用户用一对线路连起来,这样的连接方式称为全互连式。我们以5部电话机的连接为例,5个用户要两两都能通话,则需要总线对数为10条,如图5.2(a)
2、所示,而N个用户需要的线对数为条。想想看,要是对每个用户来说,家中需接入n1对线,打电话前还需将自己话机和被叫线连起来,那就太麻烦了!为了解决这一问题,我们很自然地想到在用户密集的中心安装一个设备,把每个用户的电话机或其他终端设备都用各自专用的线路连接在这个设备上。N部电话机仅需要N条电路,如图5.2(b)所示。(a)5个用户的全互连方式 (b)交换设备连接方式图5.2 用户之间的连接方式 2 交换技术的发展交换技术的发展 交换技术是以人工交换为开端的,从1878年在美国康涅狄格州纽好恩(Newhaven Connecticut)建成第一个人工电话交换局至今的120余年间,交换技术的发展经历四
3、个重要阶段 第一个阶段 是人工交换阶段。第二阶段 是机电式自动交换阶段。1890年美国人A.B.史瑞乔(Almon B.Strowger)发明了步进制电话交换机,从此,电话交换步入了自动化阶段。第三个阶段 是电子式自动交换阶段。第四个阶段 是信息包交换发展阶段。5.1.2 交换方式分类交换方式分类 1.布控和程控交换布控和程控交换 布控和程控是交换设备控制部分两种不同的实现方法。布控是布线逻辑控制的简称,程控是存储程序控制的简称。(1)布线逻辑控制()布线逻辑控制(WLC:Wired Logical Control)交换机。)交换机。所谓布控,是指将交换机各控制部件按逻辑要求设计好,并用电路板
4、布线的方法将各元器件固定连接好,具有一定的逻辑操作功能,在外来信号作用下,交换机的各项功能即能实现的一种控制方法。这种交换机的控制部件做成后不好修改,灵活性很小,具下下列特点:1)控制设备电路复杂,电路设计麻烦;2)当用户和网络发生变化时,或者开放新业务时,必须更改布线或电路,增加新设备而且太不方便;3)控制设备动作速度慢,对元器件要求低;4)交换机容量不大时比较经济;5)相对程控交换机来说,操作易于掌握。(2)存储程序控制(SPC:Stored Program Control)交换机。所谓程 控,是存储程序控制的简称,程控交换是一种用计算机控制的电话交换技术,它将对交换机话路设备的控制功能预
5、先编制好程序存到存储器中,然后用计算机启动运行程序,再通过接口电路控制交换机话路设备接续。程控交换机具在以下特点:1)灵活性大,适应性强。程控方式能适应通信网的各种网络环境、性能要求和各种变化。2)能方便地提供各种新业务。3)便于采用公共信道信令系统。公共信道信令是在与话路完全分开 的信令数据链路上集中大量的传送,传输速度快,信息容量大,且便于信令的控制与管理。4)易于实现维护自动化和集中化。5)便于维护管理。6)可靠性高,体积小,重量轻,减少机房面积。2.模拟交换和数字交换模拟交换和数字交换 模拟和数字反映了交换接续的两种不同实现方法。所谓模拟方式,是指通过交换机交换接续的是模拟信号;所谓数
6、字方式,是指通过交换机交换接续的是数字信号。3.空分交换和时分交换空分交换和时分交换 空分和时分是交换网络的两种不同的实现方式。空分是指空间分隔,时分是指时间复用。空分交换由空分交换网络来实现。不同通话话路是通过空间位置的不同来进行分隔的,即在空间位置上实现的一种交换方式。时分交换是指对时分复用的信号进行交换。时分复用通常采用脉冲编码调制(PCM)。4.电交换与光交换电交换与光交换 电交换与光交换反映交换的信息载体两种不同的形式。电交换是指对电信号进行的交换,即交换的信息载体是电流或电压形式的电信号。光交换是对光信号直接进行的交换,它不需将光缆送来的光信号先变成电信号,经过交换后再复原为光信号
7、。由于被交换的信息载体从电变成了光,从而使光交换具有宽带特性,且不受电磁干扰。光交换系统被认为是可以适应高速宽带通信业务的新一代交换系统。实现光交换的主要设备是光交换机,它在功能结构上可分为光交换网络和控制回路两大部分。目前的光交换机严格地说,应该称为“电控光交换机”。随着光器件技术的发展,光交换技术最终的发展趋势将是光控光交换 5.1.3 信息交换的常用术语信息交换的常用术语 1.交换网络与接线器交换网络与接线器 交换网络又称为接续网络,它可由一个或多个接线器组成。一台交换机通常由交换网络、接口、控制系统三部分组成,它们之间的关系如图5.3所示。交换网络的任务是实现各入线与出线上信号的传递或
8、接续。接口用户线中继线至交换机至终端交换机交换网络控制系统图5.3 交换机组成示意图 接线器可看作是一个有M条入线和N条出线的网络,它有MN个交叉接点,每个接点都可在控制系统的控制下接通或断开,接线器的作用是根据需要使某一入线与某一出线接通。例如,在图5.4中,当我们希望将1号用户线与1号中继线接通时,只需将网络交点(交叉接点)a接通。图5.4 交叉接点式接线器原理示意图 2.集中控制与分散控制集中控制与分散控制 如果程控交换机的控制部分由n台处理机组成,它实现m项功能,每一功能由一个程序来提供,系统有r个资源。当每一台处理机均能控制全部资源,也能执行所有功能,则这种控制方式就称为集中控制;如
9、果每台处理机只能控制部分资源,执行交换机的部分功能,那这个控制系统就是分散控制。在分散控制系统中,各台处理机可分为容量分担和功能分担两种工作方式。集中控制的主要优点是:处理机对整个交换系统的状态能全面了解,处理机能控制所有资源。缺点是它的软件包括所有的功能,规模很大,系统管理相当困难,同时系统相当脆弱。分散控制的主要优点是:每台处理机只处理系统部分资源,没有集中控制复杂,软件规模较小,系统可靠性高。缺点是:控制系统不了解所有资源,不能对资源和功能进行最佳分配。3.电路交换和分组交换电路交换和分组交换 交换方式可分为电路交换与信息交换两在类,这两在类还可以进一步细分如图5.4所示。电路交换信息交
10、换交换空分交换时分交换报文交换快速分组交换分组交换数据报虚电路帧 中 继信元中继基于ATM基于D链路访问规程基于ATM基于SMDS图5.4 交换方式分类 电路交换是一种实时的交互式交换,包括呼叫建立、信息传送和连接释放三个阶段。分组交换采用存储转发交换方式,把传送的信息分成很多小段(分组),并在每段信息前都附加一个标志码(分组头),用以标志其属于哪一路信号。在许多情况下,多个这样的单路信号共用一个标志化信道,信道可以按照需要动态地、灵活地分配给各单路信号,这一工作方式也称为异步时分复用或统计时分复用。因此,分组交换一般都在交换单元内部使用缓存器来存储排队的信息。4.静态路由与动态路由静态路由与
11、动态路由 交换网络通过使用路由表或路由目录在用户之间发送信息。路由选择的任务就是根据确定的输入端与输出端在交换网络上的位置,选择一条空闲的、逐段连接的路由。对于静态路由,除非网络上发生重大的事情,如交换机故障,否则这个路由是不会发生变化,即使故障,这类网络也只向用户发送错误信号,而不会试图恢复中断的用户数据。对于具有自适应能力的动态路由,路由需要定期更新以反映不断变化的网络状况,由于路由表随时可能发生变化,与两个终端用户有关的分组可能采取不同的路由通过网络。采用动态路由时,网络或最终用户负责在接收点重新组装分组。5.2 几种主要的数字交换技术几种主要的数字交换技术 1.数字程控交换原理数字程控
12、交换原理 (1)数字交换和数字交换网络 程控交换也称时隙交换,所以在数字程控交换机中实现的数字交换实际上就是对数字话音信号进行时隙交换。时隙交换通过数字交换网络完成,在具体实现时应具备以下两种基本功能:在一条PCM复用线上进行不同时隙交换功能;在复用线之间进行同一时隙的空间交换功能。同一复用线时隙交换的概念可如图5.5示意说明,图5.5同一复用线的时隙交换概念 图5.6给出了一个有四条输入、输出时分复用线的数字交换网络的示意图。图5.6 多复用线(4条)时隙交换示意图 每一个通话接续,在数字交换中应建立来去两条通路构成双向通路,如图5.7所示。图5.7 双向通信示意图 数字交换网络的基本功能可
13、归纳为实现时隙交换和空间交换。实现时隙交换功能的部件称为时间(T)接线器,实现空间交换功能的部件称为空间(S)接线器,T接线器与S接线器的适当组合就构成了数字交换网络 1)T接线器。T接线器结构和工作原理如图5.8所示 图5.8 T接线器的组成和工作原理 2)S接线器(Space Swtich)。其作用是完成不同复用线间的时隙交换,主要由电子交叉点矩阵和控制存储器(CM)组成。图5.9表示出22的交叉接点矩阵,它有2条输入复用线和2条输出复用线。图5.9 S接线器的组成和工作原理示意图 3)TST交换网络。TST是三级交换网络,两侧为T接线器,中间一级为S接线器,S级的出入线数决定于两侧T接线
14、器数量。图5.10给出了一个TST网络的结构示意,图中假设S级采用3332接线器输入控制方式工作,表示S接线器有3条复用线(HW),每条复用线有32个时隙。各级的功能与控制方式如下:TA接线器负责输入复用线的时隙交换,工作于输出控制方式;S接线器负责复用线之间的空间交换,工作于输入控制方式;TB接线器负责输出复用线的时隙交换,工作于输入控制方式。图5.10 TST数字交换网络 2数字程控交换呼叫处理与控制数字程控交换呼叫处理与控制 下面是一般电话用户呼叫接续过程。用户打电话的过程是:主叫摘机,拨被叫号码,被叫应答,开始讲话,话毕挂机。对应于用户的这些操作,交换机应按顺序完成下列动作:(1)送出
15、拨号音;(2)接收拨号;(3)拨号数字分析;(4)呼叫被叫用户;(5)被叫应答;(6)切断。以上就是程控交换机基本的呼叫接续过程。几个呼叫接续阶段的流程图表示,如图5.12所示 图5.12 本局呼叫接续流程 3.数字程控交换机数字程控交换机 (1)程控交换机构成 程控交换机由硬件和软件两大部分组成,其中,硬件主要分为话路系统和控制系统。其典型结构如图5.13所示。图5.13数字交换机的系统结构 图中各部分的基本功能如下:1)数字交换网络:是整个交换机的话务处理中心,需要建立连接关系的其它话路设备。2)用户模块。用户模块包括用户电路、用户集线器和用户处理机,用户模块结构如图5.14所示。图5.1
16、4 用户模块结构 (2)数字程控交换软件系统 程控交换机的软件可分为运行软件和支援软件两大类。1)运行软件系统。运行软件是交换机运行中直接使用的程序,它又分为系统软件和应用软件。运行软件系统的组成和分类如图5.15所示。图5.15 运行软件系统的组成 2)支援软件系统 支援系统大体上包括以下方面的软件:软件开发支援系统。应用工程支援系统。软件加工支援系统。交换局管理支援系统。程序设计语言。5.2.2 分组交换技术分组交换技术 1.概述概述 分组交换技术是由RAND公司的保罗布朗(Paul Baran)和他的同事于1961年在美国空军RAND计划的研究报告中首先提出来的。分组交换的主要优点是:1
17、)对用户终端的适应性强。2)信息传输时延相对报文交换减小。3)线路利用率高。分组交换传输实现了线路的动态统计时分复用,在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路,提高了线路利用率。4)可实现分组多路通信。5)可靠性高。6)经济性好。分组交换的主要缺点是:1)信息传输效率较低。实现分组交换传输,由网络附加的传输控制信息较多,特别是对较长的报文来说,分组交换的传输效率不如电路交换高 2)实现技术复杂。分组交换机要对各种类型的“分组”进行分析处理,所需实现设备比较复杂。2.分组交换基本原理分组交换基本原理 分组交换方式的工作过程是分组终端将用户要发送的数据信息分割成许多一定长度的数据段,每个数据段除了
18、用户信息外,还另加上了一些必要的操作信息,如源地址、目的地址、用户数据段编号及差错控制信息等。所有这些信息按照规定的格式装配成一个数据信息块,称之为“分组”。与发送端连接的分组交换机收到报文信息后,将其分成若干个分组存入存储器,并进行路由选择。(1)分组的复用 分组交换的基本思想是实现通信资源的共享。目前存在多种不同的多路复用方法,但从如何分配传输资源的角度,可以分成两类:一类是固定分配(预分配)资源法;另一类是动态分配资源法。统计时分复用原理图如下所示:图5.16统计时分复用(STDM)原理示意图 在统计时分复用中,逻辑信道为用户提供独立的数据流通路,如图5.17 所示:图5.17 用逻辑信
19、道号作“标记”进行交织传输示意图 (2)分组的格式 在分组交换中,分组是交换和传输处理的对象,每个分组都带有控制信息和地址信息,使其可以在分组交换网内独立地传输,并以分组为单位进行流量控制、路由选择和差错控制等处理。另外,为了可靠地传输分组数据块,还在每个数据块上加上了高级数据链路控制(HDLC)的规程标识、帧校验序列,都以帧的形式在信道上传输,如图5.18所示。图5.18 分组格式 (3)分组的传输 在分组交换网中,对分组流的传输处理有两种方式:一是虚电路,二是数据报。1)虚电路方式。在虚电路方式中,发送分组前,先要建立一条逻辑连接,即为用户提供一条虚拟的电路,如图5.19所示。图5.19
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