电信交换基本技术

1.4　电信交换基本技术

电信交换的基本技术包括接口技术、信令技术、控制技术和互联技术，如图1.25所示。图1.25实际上也反映了交换节点高度抽象的系统结构。

图1.25　电信交换基本技术

1）接口技术

各种交换系统都接有用户线、中继线，分别终接在交换系统的用户接口和中继接口。不同类型的交换系统具有不同的接口。例如，程控数字交换机有连接模拟电话用户的模拟用户接口和连接数字话机或数字终端的数字用户接口，以及分别连接模拟中继线和数字中继线的模拟中继接口和数字中继接口：N－ISDN交换有2B＋D基本速率接口和30B＋D基群速率接口；移动交换有通往基站的无线接口；ATM交换则有适配不同码率、不同业务的各种物理媒体接口。接口技术主要由硬件实现，有些功能也可由软件或固件实现。

2）信令技术

电信交换离不开信令。在电信网中要实现任意用户之间的呼叫连接，完成交换功能，必须在信令的控制下有条不紊地进行。交换节点收到与用户线或中继线有关的各种信令，都要加以分析处理，从而产生一系列的控制操作，包括向其他交换节点发送信令，以便正常地建立或释放交换连接。因此，信令是电信交换的一项基本技术。信令系统是通信系统中非常重要的一个系统。

信令的本质是通信系统中的各个组成部分之间，为了建立通信连接及实现各种控制而必须要传送的一些信息。信令过程就是规范化的一系列协议。用户和网络之间，各个交换节点之间，以至不同网络之间的互通，都要通过共同的标准的信令协议来实现。信令协议就是“协调一致、互相理解的信令语言”。按照不同的应用和需要，可以有各种不同的信令协议和信令方式。交换节点的信令系统可以理解为实现和配合各种信令协议和信令方式而需具有的所有的硬件和软件设施。

有关交换信令的详细内容将在第3章介绍。

3）控制技术

交换系统要自动完成大量的交换接续，并保证良好的服务质量，必须具有有效的合乎逻辑的控制功能。互连功能、接口功能及信令功能都与控制技术密切相关。控制技术主要由软件实现，但有些也可用硬件实现。

不同类型的交换系统各有其主要的控制技术。控制技术的实现与处理机控制结构密切相关。处理机控制结构是各类交换系统在设计中必须考虑的重要问题，它关系到整个系统的性能和服务质量。

4）互连技术

实现任意入线与任意出线之间的互连是交换系统最基本的功能。按照不同交换方式的要求，可以是物理的实体连接，也可以是逻辑的虚连接。交换系统是利用互连网络实现互连功能的，该互连网络又称为交换网络（交换机构）。

互连技术涉及的内容较多，一般包括拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方法、阻塞特性和可靠性保障等。

（1）拓扑结构

交换网络具有一定的拓扑结构。互连技术要解决的一个主要问题是，在满足交换方式、服务质量和基本参数（如端口数、容量、吞吐量等）要求的情况下，获得高性能、低成本、便于扩充与控制而又不太复杂的拓扑结构。拓扑结构说明的是网络的几何逻辑关系，如采用星形、三角形、四边形还是环形等，拓扑结构的性能是否符合服务质量（如阻塞率、时延、信元丢失率等）的要求，往往要通过严密的理论计算或计算机模拟。

拓扑结构大致划分为两类：时分（Time Division）结构和空分（Space Division）结构。

时分结构和空分结构具有不同的特点。

时分结构包括共享媒体（总线或环）和共享存储器。分组交换和ATM交换都可以采用时分结构，数字程控电话交换通常采用由共享存储器构成的时分结构，或将时分结构作为整个拓扑结构的一部分，小容量的数字程控电话交换也可采用总线拓扑结构。

空分结构是由交换单元（Switching Element）构成的单级或多级拓扑结构。电路交换、快速分组交换、ATM交换都可以采用空分结构。要说明的是，“空分”的含义是指在拓扑结构内部存在着多条并行的通路，每条通路仍然可以采用时分复用的方式。

（2）选路策略

选路策略主要针对多级空分拓扑结构。这里所说的选路，不是指整个电信网中各个交换节点之间的选路，而是指交换节点中交换网络内部的选路，即在交换网络指定的入端与出端之间选择一条可用的通路。

交换网络内部的选路方案，有以下三种。

①逐级选择与条件选择

所谓逐级选择，是指从交换网络入端的第1级开始，先选择第1级交换单元的出线，选中一条出线以后再选择第2级交换单元的出线，依此类推，直到最末一级到达出端为止。

条件选择是指在选路的时候，不论交换网络有几级，都要对网络全局作出全盘观察，在指定的入端与出端之间所有的通路中选用一条可用的通路。

由于逐级选择带有某种盲目性，即选定前一级出线时没有考虑后面几级出线的情况，因此其阻塞率高于条件选择。为了减小阻塞率，可以采用重新选试多次的方法，即当选试不成功时可以重新从入端起再进行逐级选择，这就是可重试逐级选择。

实用中通常采用条件选择，但如果采用逐级选择也能满足交换网络服务质量的指标要求时，则应选用逐级选择，因为逐级选择所需控制的复杂性比条件选择要小。总之，对于同样的拓扑结构，选路策略不同，交换网络的阻塞率就不同，控制复杂性也不同。

②自由选择与指定选择

所谓自由选择是指某一级出线可以任意选择，不论从哪一条出线都可以到达所需的交换网络出端。指定选择只能选择某一级出线中指定的一条或一小群，才能到达所需的交换网络出端。包括级数、级间互连方式等在内的多级空分拓扑结构。一旦确定以后，哪几级可以自由选择和哪几级只能指定选择也随之而定。自由选择级可起到扩大通路数、均衡业务流量的作用。有些多级空分结构不存在自由选择级。

③面向连接选路和无连接选路

需要说明的是，这里所说的面向连接和无连接的概念，不同于分组交换中针对整个网络选路而言的面向连接和无连接，也是指交换网络内部的选路。

通常采用面向连接选路，即预先在交换网络指定的入端和出端之间选定一条通路，凡属于该呼叫连接的用户信息都在这一通路上传送。无连接选路则不预先选定通路，而是在入端收到用户信息时才临时选路。

电路交换要建立固定的物理连接，肯定采用面向连接选路。ATM交换机构既可采用面向连接选路，也可采用无连接选路，后者相当于在收到载有用户信息的信元时才进行选路。当采用无连接选路时，属于同一呼叫连接的信元通过交换网络内部的不同通路传送到出端，会引起信元失序，这是不允许的，因此在交换网络出端必须恢复其原有顺序。

（3）控制机理

选路策略也可以看成是控制机理的一部分，但由于它是带有普遍性的重要技术，因此单独列出。这里的控制机理泛指完成选路后还必须实现的一些控制，以使交换网络能正常而有效地工作，并且符合服务质量的要求。

对于通常的程控电话交换系统的数字交换网络而言，完成选路后只要将所选通路的有关标识写入交换网络的控制存储器，即可实现正常的电路交换。ATM交换则比较复杂，虚连接建立后，在信息传送阶段仍要对随机到来的信元完成选路控制。此外，控制机理可能还要包括诸如竞争消除、反压控制、队列管理、优先级控制等。

（4）多播方法

多播（Multicast）或称为组播，是将某一入端的信息同时传送到所需的多个出端。显然，多播与互连技术有关。多播这种点到多点（和多点到多点）的通信方式特别适用于网上视频会议、网上视频点播等场合。因为如果采用单播方式逐个节点传输，有多少个目标节点就会有多少次传送过程，这种方式显然效率极低，是不可取的；如果采用不区分目标、全部发送广播方式，虽然一次可以传送完数据，但是显然达不到区分特定数据接收对象的目的。采用多播方式，既可以实现一次传送所有目标节点的数据，也可以达到只对特定对象传送数据的目的。因此，在现代通信中多播将会的更多的应用。

在IP网络中，多播一般通过多播IP地址来实现。在ATM交换中，由于点到多点宽带通信业务的需要，多播是一项重要而复杂的互连技术。不同的ATM交换机构可采用不同的多播方法。

（5）阻塞特性

所谓阻塞，是指在呼叫建立或用户信息传送时，由于交换网络拥塞而使呼叫不能建立或用户信息不能传送到而遭受损失的现象。

①连接阻塞与传送阻塞

对于电路交换，由于建立的是专用的物理连接，只有在呼叫建立阶段会因选不到空闲通路而遇到阻塞，这就是连接阻塞。一旦连接建立，在信息传送阶段就不会再遇到阻塞。连接阻塞表示呼叫遭到拒绝，要重新发起呼叫，可称为损失制（Loss System）。

采用电路交换方式时，交换网络的阻塞特性用阻塞率（Blocking Probability）表示，它等于因交换网络内部阻塞而不能建立连接的呼叫次数与加入交换网络的总呼叫次数之比。当交换网络的级数较多、拓扑结构复杂时，阻塞率的严格计算十分复杂。阻塞率的计算是电话交换的话务理论所要解决的一个重要问题。

对于分组交换，采用存储—转发方式，交换节点要处理的业务流量较高，将导致排队时延增加。因此，排队系统或延迟制（Delay System）不考虑阻塞率，但有时也可将等待时延超过一定时限值的呼叫视为被阻塞的呼叫。

ATM交换在虚连接建立阶段也会遇到阻塞。但判别是否阻塞的标志与电路交换不一样：电路交换是专用的物理连接，通路不是空闲就是占用；而ATM交换是复用的虚连接，是否阻塞要看通路上是否还存在能够用的带宽。

对于ATM交换更重要的是传送阻塞，即在信元传送阶段产生的阻塞。由于是异步时分复用，属于各个连接的信元会随机到来而在某个时刻发生传送冲突。也就是说，在信元传送阶段会不断产生竞争现象。按照ATM交换机构的不同设计，竞争中失败的信元可以在缓冲器中排队等待或予以丢弃。采用排队策略也会由于缓冲器溢出而丢失信元。因此，ATM交换在信元传送阶段的阻塞特性主要用信元丢失率（CLR，Cell Loss Rate）来表示，CLR反映了由于各种原因在交换网络中丢弃的信元数与总信元数之比。

②有阻塞与无阻塞

从阻塞的特性来看，交换网络可分为有阻塞网络（Blocking Network）与无阻塞网络（Non－blocking Network）。

电路交换通常采用有阻塞网络，但阻塞率较低，特别是采用时分方式的数字交换网络的阻塞率可以做到很低，例如10^－4～10^－8，称为微阻塞网络。必要时也可采用无阻塞网络。

无阻塞网络又可分为以下3类：

严格无阻塞（Strict Non－blocking）。严格无阻塞网络由Clos C提出，又称为CLOS网络。所谓严格无阻塞，是指不论交换网络原先处于何种占用状态，总可以建立任何出、入端之间的连接而无内部阻塞。

广义无阻塞（Wide Sense Non－blocking）。对任何呼叫连接，只有遵循特定的选路规则才能做到无阻塞时，称为广义无阻塞。

再配置无阻塞（Rearrangeable Non－blocking）。再配置无阻塞是指总可以通过对已建立连接所用的通路进行调整，以建立任何新的无阻塞连接。

ATM交换结构也可采用无阻塞网络，但要区分是连接建立的无阻塞，还是信元传送的无阻塞。前者的原理与电路交换相似，也可采用CLOS结构，但由于虚连接不同于物理连接，因此设计CLOS结构所用的无阻塞条件稍有不同。信元传送的无阻塞是指在信元传送阶段，交换结构内部不会产生任何竞争。通常所说的无阻塞ATM交换机构往往是指信元传送阶段的无阻塞。

（6）可靠性保障

交换网络是交换系统的重要部件，一旦发生故障会影响众多的呼叫连接，甚至导致全系统中断。因此，交换网络必须具备有效的可靠性保障性能。除了提高交换网络硬件的可靠性以外，通常配置双套冗余结构，也可采用多平面结构。

冗余结构通常有两种工作方式：①热备用方式。指一套主用、一套备用，备用的一套随时接收和保存有关的信息，但不实现信息传送，当主用发生故障时可立即替换而不会影响已建立的呼叫连接。②双工分担方式。指两套同时分担工作，如一套发生故障，则全部可由另一套承担。当采用多平面冗余结构时，即为负荷分担方式。