现代数字通信技术8-现代数字交换与组网技术概要课件.ppt
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1、6/25/20138.1 概述概述 8.2 程控交换技术程控交换技术8.3 分组交换技术分组交换技术8.4 ATM交换技术交换技术 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(NewhavenConnecticut)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了四个重要阶段。第一个阶段是人工交换阶段。第二个阶段是机电式自动交换阶段。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。8.2.1 数字程控交换原理 1.数字交换和数字交换网络 时隙交换的概念可用图8.1示意说明,当PCM入端某个时隙(对应一用户)信息需要交换(传送)到PCM出端的
2、另一时隙(另一用户)中去时,相当于通过数字交换网络将时隙的内容“搬家”。即PCM入端TSi时隙中的话音信息A经过数字交换网络后,在PCM出端的TSj时隙中出现。图8.1 时隙交换的概念 数字交换网络 PCM入 PCM出 A A TSi TSj 图8.2 多复用线时隙交换示意图 数字交换网络 A B B A 1 2 3 4 TSj 1 2 3 4 TSj TSi TSi 图8.3 双向通信示意图 数字交换网络 终端 终端 1)T接线器 T接线器实现时隙交换的原理是利用存储器写入与读出时间(隙)的不同,即在输入时隙写入,而在其他时隙(通话另一用户占用时隙)读出来完成时隙交换的。T接线器原理如图8.
3、4所示,主要由话音存储器(SM)和控制存储器(CM)组成。SM用来暂存话音信息,其容量取决于复用线的复用度(图中以32为例)。SM的存取方式有两种:一种为“顺序写入,控制读出”;另一种为“控制写入,顺序读出”。从而形成两类T接线器:输出控制型和输入控制型,分别如图8.4(a)和(b)所示。图8.4 T接线器原理示意(a)输出控制型;(b)输入控制型 0 1 2 29 30 31 W R 30 2 0 1 2 29 30 31 TS2 TS30 TS2 W R 控制信号 时钟 时钟 话音存储器 控制存储器 30 2 0 1 2 29 30 31 0 1 2 29 30 31 TS2 TS30 W
4、 R 时钟 时钟 R W 控制信号 话音存储器 控制存储器 TS2 a)输出控制 b)输入控制 W:写入 R:读出 2)S接线器 S接线器的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,其原理示意图如图所示。TS1TS3),接线器的交叉接点控制过程如下:CPU根据交换机路由选择结果在控制存储器上写入如图所示内容。控制存储器按顺序读出,控制交叉接点矩阵动作。在TS2时隙则按控制存储器2号单元读出内容控制交叉点的接通,交换TS2的话音信号。图8.5 S接线器结构示意 2 1 n 1 2 n 2 n 1 1 2 3 n 控制存储器 CM1 CM 2 CMn TS3
5、TS2 TS1 TS1 TS2 TS3 A1 B1 C1 A2,C2 B2 An,Bn Cn HW1 HW2 HWn HW1 HW2 HWn 输入 输出 1入 2入 1出 2出 n出 n入 3)TST交换网络 在大型程控交换机中,数字交换网络的容量要求较大,只靠T接线器或S接线器是不能实现的,必须将它们组合起来,才能达到要求。各级的分工如下:TA接线器负责输入复用线的时隙交换;S接线器负责复用线之间的空间交换;TB接线器负责输出复用线的时隙交换。图88.6 TST网络 0 7 3 23 1 31 1 2 3 B A 2 31 2 B 31 A TA(输出控制)TB(输入控制)S(输入控制)SM
6、A SMA SMA CMA CMA CMB SMB SMB SMB CMB A TS2 A TS7 0 2 31 7 A TS7 7 31 A TS31 B TS31 23 31 B TS23 TS23 B 23 2 B TS2 HW1 HW2 HW3 HW1 HW2 HW3 CMC A B A B 1 2 3 1 2 3 图中,各接线器的工作方式为TA接线器为输出控制;TB接线器为输入控制;S接线器为输入控制。2.呼叫处理基本过程 电话交换的基本任务是完成电话的接续,进行呼叫处理,程控数字交换机的呼叫处理任务是在呼叫处理(又称交换处理)程序控制下完成的,下面介绍一个呼叫处理的基本过程。(1)
7、主叫用户A摘机呼叫。交换机检测到用户A摘机的状态;交换机调查用户A的类别,以区分一般电话、投币电话、小交换机等等;调查话机类别,弄清是按键话机还是号盘话机,以便接上相应的收号器。(2)送拨号音,准备收号。交换机找寻一个空闲收号器以及它和主叫用户间的空闲路由;找寻一个空闲的主叫用户和信号音源间的路由,向主叫用户送拨号音;监视收号器的输入信号,准备收号。(3)收号。由收号器接收主叫用户所拨号码;收到第一位号后,停送拨号音;对收到的号码按位存储;对“应收位”和“已收位”进行计数;将号首送给分析程序进行分析(叫做预译处理)。(4)号码分析。在预译处理中分析号首,以决定呼叫类别(本局、出局、长途、特服等
8、),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,则予以示忙。(5)接至被叫用户B。测试并预占空闲路由,包括:向主叫用户送回铃音路由;向被叫用户送铃流回路(可能直接控制用户电路振铃,而不用另找路由);主、被叫用户通话路由(预占)。(6)向被叫用户振铃。向用户B送铃流;向用户A送回铃音;监视主、被叫用户状态。(7)被叫应答和通话。被叫摘机应答,交换机检测到以后,停振铃和停送回铃音;建立A、B用户间的通话路由,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:交换机检测到主叫挂机后,释放复原路由;停止计费;向被叫用户送忙音
9、。被叫先挂机:交换机检测到被叫挂机后,经过一定时限后,切断通路,释放复原路由;停止计费;向主叫用户送忙音。3.程控交换系统的控制方式和结构 1)集中控制 设一台交换机的控制部分由n台处理机组成,它实现f项功能,每一项功能由一个程序来提供,系统有r个资源。2)分散控制 在上述系统中,如果每台处理机只能利用资源的一部分,只能执行一部分功能,就称为分散控制。3)多处理机结构 现在的交换机除了个别容量较小、较为简单的用户交换机外,绝大多数交换机都采用多处理机结构。(1)按功能分工。在这种方式下,不同处理机完成不同功能。例如有:控制用户模块(用户级)工作的用户处理机和控制交换网络(选组级)的中央处理机;
10、直接控制硬件工作的前台区域处理机和后台的中央处理机;专门负责管理、调度或维护的处理机;各个具体部件,如各种中继器、信号设备,甚至用户等都可能有专门处理机控制工作。(2)按话务分工。在这种方式下,每一台处理机完成一部分话务处理功能。例如上述各种处理机可能每一种不止一台,它们之中的每一台可完成一部分话务处理功能。(3)备用工作。为提高控制部件的可靠性,有时对每台处理机配备有备用处理机(有时也采用n+1冗余),这样就形成了主/备用工作方式。图8.7 集中控制系统 资源 1 资源 2 资源 r 处理机 1 处理机 2 处理机 n 功能 1 功能 2 功能 f 8.2.2 数字程控交换系统 1.程控交换
11、机的构成 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。其典型结构如图所示。由图可见,程控交换机可分成选组级(由数字交换网络构成的控制系统)和用户级(用户模块和远端模块)两部分。每一部分都由自己的处理机进行控制,处理机之间通过通信信息进行联系。图8.8 数字交换机的系统结构 用户电路 数字交换网络 用户处理机 用户电路 数字中继 数字中继 信号音收/发 数字中继线 模拟中继线 用户处理机 远端模块 用户模块 中央处理机 选组级 模拟中继 数字中继 PCM 用户级 1)用户模块 用户模块和远端模块除了实现用户功能外,还包含有交换网络(用户交换网络)以进行话务量的集中(
12、或分散)。图8.9 用户模块结构 用户电路 串并变换 用户电路 用户级交换网络 并串变换 信号提取插入 网络接口 收号器 串并变换 扫描存储器 分配存储器 微处理器 HW HW 至数字交换网络 采用用户模块或远端模块会带来以下好处:节省了线路投资,扩大了交换局的服务范围;提高了网络的灵活性,用户模块可容易地扩展成新局,现存局可采用集线器扩展;改善了用户线传输质量,用户级至选组级这段采用高质量的PCM线路传输,缩短了用户线的模拟部分,提高了传输质量;用户可以较容易地实现高速数据通路连接;提高了系统可靠性,系统采用分级控制,使整个控制系统的可靠性提高;模块与选组级间可以采用公共信道信号。2)用户电
13、路 数字程控交换机中用户电路的功能可归纳为BORSCHT7项功能,它们具体是:B(Batteryfeeding,馈电)O(Overvoltageprotection,过压保护)R(Ringingcontrol,振铃控制)S(Supervision,监视 C(CODEC&Filters,编/译码和滤波)H(Hybridcircuit,混合电路)T(Test,测试)用户电路功能框图振铃控制R测试T极性倒换过压保护O馈电B混合电路H带通低通平衡网络编/译码器C监视S测试总线 振铃控制信号极性倒换控制信号监视信号ab 3)模拟中继和数字中继 模拟中继器是数字交换机和模拟局间中继线的接口电路,它用于和模
14、拟交换机的连接。模拟中继器和用户电路都是和模拟线路相连接的,因此它们在功能上有很多相似之处。模拟中继器的基本功能框图如图所示。模拟中继器功能框图 过压保护线路信号监视忙/闲指示混合电路带通低通平衡网络编/译码器模拟中继线信号PCM信号测试 数字中继器的主要功能有:码型变换和反变换,主要是进行PCM传输线上的HDB3码和局内的单极性不归零码之间的变换;时钟提取和帧同步;提取和插入随路信令信号。数字中继器功能框图 码型变换时钟提取帧同步帧定位信号控制时钟提取帧定位信号插入复帧定位信号插入PCM传输发收 4)信号音的发送与接收 交换机需要向用户发送各种信号音,如拨号音、忙音和回铃音等,也需要向其他交
15、换机发送和接收各种局间信令,如多频信号。这些信号都是音频模拟信号,从图可见,信号音收/发设备是接在数字交换网络上的,它通过数字交换网络所提供的路由来传送。数字双音频信号接收器结构 f2数字滤波f1数字滤波f6数字滤波数字逻辑识别输入输出 2.数字程控交换软件系统 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所示。运行软件系统的组成 交 换 机 话 路 部 分输入/输出设备执行管理程序系统监视和故障处理程序故障诊断程序输入/输出和人机通信程序系统软件呼叫处理程序维护和运行程序应用软件 (1)执行管理程序(或称操作系统)。和其他计
16、算机系统一样,操作系统用来管理计算机资源和控制程序的执行。(2)呼叫处理程序。呼叫处理程序实际上是直接负责电话交换的软件,它完成以下功能:交换状态管理 交换资源管理 交换业务管理 交换负荷控制 (3)系统监视和故障处理程序。系统监视和故障识别 故障分析与处理 系统重新组织 恢复与再启动处理 4)故障诊断程序。故障诊断程序对发生故障的设备进行故障诊断,确定故障的部位,打印出诊断结果,维护人员可根据诊断结果更换插件板。(5)维护和运行程序。话务量的观察、统计和分析,其结果可以送入外存,也可打印输出 对用户线和中继线定期进行例行维护、测试;业务质量的监察:监察用户通话业务的状况和质量,如监视呼叫信号
17、、通话接续是否完成或异常情况等。业务变更处理 计费及打印用户计费账单 负荷控制,对话务量过载进行处理 进行人机通信,对操作员键入的控制命令进行编辑和执行。2)支援软件系统 程控交换机的软件系统极为庞大复杂,需要有一套“支援系统”在整个软件寿命期内来完成各项大量的设计、开发、生产、维护和管理交换机软件等的复杂任务。支援系统大体上包括以下方面的软件:(1)软件开发支援系统。(2)应用工程支援系统 (3)软件加工支援系统。软件加工支援系统 (4)交换局管理支援系统 3)程序设计语言 程控交换机的程序可以采用各种语言编写,不同的交换机采用不同的语言。CHILL语言(CCITTHighLevelLang
18、uage)是CCITT高级语言的缩写,主要用来进行软件设计、程序编制、软件检验等。SDL语言(Specificationand Description Language)是功能说明与描述语言,是一种图像语言,用来描述程控交换机的功能和逻辑过程。在软件设计的初期,往往先用SDL语言确定对软件系统的功能要求后,再进行编制程序的详细设计。MML语言(Man-Machine Language)是用于人机对话的一种交互式人机操作和维护命令语言。3.信令方式简介 信令是通信网中各交换局在完成各种呼叫连接时所采用的一种通信语言。在程控交换网中的主要信令方式有以下6种。(1)用户信令和局间信令。(2)随路信令
19、和公共信道信令。(3)模拟信令和数字信令。(4)线路信令和记发器信令。(5)前向信令和后向信令。(6)逐段转发和端到端传送方式。随路信令方式示意交换设备出局线路设备交换设备记发器记发器线路入局线路设备公共信道信令方式示意信令设备交换设备交换设备出 局线路设备控制设备信令设备控制设备话路信令链路入 局线路设备8.3.1概述 分组交换的主要优点有以下6点。(1)对用户终端的适应性强。(2)信息传输时延减小。(3)线路利用率高。(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有以下两点。(1)信息传输效率较低。(2)实现技术复杂。8.3.2 分组交换的基本原理 在本节中,
20、将对分组交换的基本原理、基本方法和基本技术作概要的介绍,这其中主要有分组交换方式的复用传输方式、分组的形成和传输以及分组交换的过程等。1.复用传输方式 1)固定分配资源法 2)动态分配资源法 统计时分复用原理绶冲区绶冲区绶冲区终端1终端2终端 NSTDM用户识别“标记”用户数据G 1 B 3 Y 2 X 3 F 5 A 13)传输方法采用统计时分复用时,用户数据交织传输的方法有三种:(1)比特交织。(2)字节或字符交织。(3)分组(或块、帧)交织。下图为三个终端的数据交织传输示意。图8.18 交织传输示意 1THOSE3IT IS1FOUR3TODAY2TELL3 MONDAY1ARE2PLE
21、ASEDOGSMR LIWE ARE(d)(b)发送队列(c)STDM设备终端(a)123 线路的逻辑信道号可以独立于终端的编号,逻辑信道号作为线路的一种资源可以在终端要求通信时由STDM设备分配给它。对同一个终端,每次呼叫可以分配给不同的逻辑信道号,但在同一次呼叫连接中,来自某一个终端的数据组的逻辑信道号应该相同。用线路的逻辑信道号给终端的数据组作“标记”比用终端号更加灵活方便,这样,一个终端可以同时通过网络建立起多个数据通路(如图8.19中终端4同时建立了三个通路)。图8.19 用逻辑信道号作“标记”进行交织传输示意255254253255254253进程进程进程132终端STDM逻辑信道
22、号线路计算机4终端号终端号 2.分组的形成和传输 在分组传输时,需将分组装配成传输帧进行传输,由X.25协议规定分组传输帧采用HDLC帧结构。X.25分组传输帧格式如图8.21所示。其中,F、A、C分别为帧标志、传输地址和控制字段,FCS为帧校验字段。在HDLC帧结构中的信息段放的是数据分组,其长度通常为128+3(分组头)字节,当然也可以是其他商定的长度。图8.20 分组的形成分组头用户数据分组头用户数据用户电文图8.21 X.25分组传输帧格式FAC数据分组FCSF字节数:111商定长度21 3.分组的交换 分组交换网是以CCITTX.25规程为基础的,为了与 其 匹 配,在 网 络 内
23、大 部 分 都 采 用 虚 电 路(VirtualCircuit)连接方式,下面将重点讨论这种交换传输方式。除了虚电路方式外,另外还有一种称为数据报(Datagram)的交换传输方式。图8.22 分组的产生和传送DOGSFOURARETHOSE终端THEREPADPT分组交换机分组头帧头/帧尾 1)虚电路方式 所谓虚电路,是指两个用户终端在开始互相发送和接收数据之前,需要通过网络建立起逻辑上的连接(并非存在一条物理的链路),一旦这种连接建立之后,通信终端间就在网络中保持一个已建立的数据通路,用户发送的数据(以分组为单位)将按顺序由这个逻辑上的数据通路到达终点,如图8.23所示。图8.23 虚电
24、路示意进程计算机网络节点1节点2节点3PADPAD终端12345 2)数据报方式 数据报方式是将每一个数据分组当作一份独立的报文一样看待,每一个数据分组都包含终点地址的信息,分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路径,因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点,在网络的终点需要进行重新排序。3)路由选择 分组交换网的最重要的特点之一是数据分组能够在网络中通过多条路径从源点到达终点,而选择什么路径最合适就成了分组交换机必须决定,并影响其特性的问题。这个问题与城市之间的交通问题很相似。比如说,从一个城市乘车到另一个城市,假若中间还要路过一些其他城市,就可能存在许多可到达的线路,所以有必要事
25、先选择一条最佳线路。(1)扩散式路由法。采用扩散式方法时网络预先并不确定一个固定路径,而是采用扩散式方法传送分组,其传送规则是这样的:分组从源点向其每个相邻节点发送;节点接收到分组后,首先检查它是否已经收到过该分组,如果已经收到过,则将其抛弃;如果未收到过,则节点做接收到记忆,再把这个分组发往除了该分组传送来的那个节点之外的所有相邻节点。图8.24 扩散式路由示例节点2节点4节点1节点6节点3节点5 (2)查表路由法。查表路由法在每个节点中使用路由表确定从该节点到网络的任何终点应当选择的路径,分组到达节点后按照路由表规定的路径前进。表8.1 最短路径路由表示例 8.3.3 分组交换的通信协议
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