程 控 交 换 技 术第3章

第3章数字交换和数字交换网络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。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。图3-1交换网络示意图3.1交换网络的结构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高，但出线的效率低。3.1交换网络的结构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。3.1交换网络的结构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。3.1交换网络的结构图3-2一个n×nm的二级接线器结构3.1交换网络的结构若把第一级接线器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。3.1交换网络的结构图3-3一个nm×nm的二级接线器结构(a)连线图；(b)简化图3.1交换网络的结构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。二级接线器结构的每条内部链路被占用的概率可近似为nmAa(3.1)式中，A——整个交换网络的输入话务量。3.1交换网络的结构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。3.1交换网络的结构图3-4一个nmk×nmk的三级接线器结构3.1交换网络的结构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。3.1交换网络的结构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。3.1交换网络的结构图3-5一个x重连接的二级交换网络3.1交换网络的结构图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。3.1交换网络的结构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。3.1交换网络的结构图3-6混合级交换网络3.1交换网络的结构图3-7三级无阻塞交换网络3.1交换网络的结构在图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。3.1交换网络的结构3.2数字交换网络的接续原理在PCM传输系统中加入数字交换网，相当于将时分复用线（PCM线）分成输入和输出侧。输入复用线和输出复用线各具有32个时隙，如果输入复用线上任一时隙的内容可以在输出复用线上任一个时隙输出，这就称为时隙交换。如输入TS5中的内容A在输出TS19出现；输入TS10中的内容B在输出TS0中出现，这时隙中的内容，就是话路信息，也就是8比特的数字信息。时隙交换功能是数字交换网所具备的功能之一。在一个数字交换网上，为加大交换容量，输入复用线和输出复用线都不止一条。这就必然出现任一输入线与任一输出线之间的交换，这就是复用线之间的交换概念，而各复用线在空间是分割开的，因而常称为空分交换。如输入侧复用线1的TS3的信息经过数字交换网在输出侧复用线4的TS3上出现。空分交换功能是数字交换网络的功能之二。具体来说，数字交换网络应具有如下功能：(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(HighWay)线。由于PCM信号是四线传输，即发送和接收是分开的，因此数字交换网络也要收、发分开，进行单向路由的接续。实际中用户消息通过数字交换网络发送与接收的过程如图3-8所示。3.2数字交换网络的接续原理图3-8用户消息通过数字交换网络发送与接收的过程3.2数字交换网络的接续原理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)话音存储器顾名思义，话音存储器(SM，SpeechMemory)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8bit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)。3.2数字交换网络的接续原理2)控制存储器控制存储器(CM，ControlMemory)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。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8bit，CM单元数应是128个，每单元的字长是7bit。3.2数字交换网络的接续原理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”。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。3.2数字交换网络的接续原理图3-9T接线器的工作方式(a)输出控制方式；(b)输入控制方式3.2数字交换网络的接续原理要把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。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。3.2数字交换网络的接续原理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。3.2数字交换网络的接续原理针对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。(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。3.2数字交换网络的接续原理(4)话音信号在SM中存放的时间最短为3.9μs，最长为125μs。(5)CM各单元的数据在每次通话中只需写一次。(6)对输出控制而言，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)=7.8µs再如，当k = 1，j=3时，信号交换的延时为D=(32 -j) +k = (32 -3) +1 =30TS=117µs3.2数字交换网络的接续原理3.话音存储器(SM)和控制存储器(CM)的数字电路实现原理在分析SM、CM的数字电路时要用到时钟(CP)、定时脉冲(A0～A7)和位脉冲(TD0～TD7)的有关知识。图3-10是由时钟(CP)形成的8条HW线所需要的定时脉冲(A0～A7)和位脉冲(TD0～TD7)的波形。3.2数字交换网络的接续原理图3-10形成定时脉冲(A0～A7)和位脉冲(TD0～TD7)的波形3.2数字交换网络的接续原理1)话音存储器(SM)的数字电路实现原理SM的数字电路实现原理如图3-11所示，该电路由存储器RAM、写入与门、读出与门、或