1、n程 控 數(shù) 字 交 n 換 原 理 n 與 應(yīng) 用n 朱世華 西安交通大學(xué)出版社n 2004年3月14次印刷n 主講人n艾尼瓦爾斯地克 前言n 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用,傳統(tǒng)的電話交換機(jī)正在發(fā)展成為一種能交換話音,數(shù)據(jù)和圖像等多種業(yè)務(wù)的通用性的通信網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)備.傳統(tǒng)的機(jī)械式模擬交換機(jī)正逐步地被先進(jìn)的程控?cái)?shù)字交換機(jī)所取代.交換機(jī)的作用也由單一的鏈路接續(xù)變?yōu)槟芗畔⒔粨Q,信息處理和信息數(shù)據(jù)庫為一體的大型復(fù)雜設(shè)備.由于程控交換機(jī)應(yīng)用的廣泛性及所采用技術(shù)的先進(jìn)性,它已成為各類信息處理與傳輸專業(yè)的必備知識.n本書從通信網(wǎng)的概念出發(fā),介紹了程控?cái)?shù)字交換機(jī)在現(xiàn)代通信網(wǎng)中的外部工作環(huán)境,由此引

2、出了交換機(jī)的內(nèi)部基本組成,然后逐步對交換機(jī)的各個組成部分進(jìn)行了較系統(tǒng),深入的討論.在討論中,除給出基本原理外,還盡量采用了一些實(shí)際交換系統(tǒng)作為例子,為增長本書的工程參考價值,書中介紹了較多的專用集成電路原理與應(yīng)用. 第一章 引論n1.1 交換與通信網(wǎng)n1.1.1點(diǎn)對點(diǎn)通信與通信網(wǎng) 通信的目的是實(shí)現(xiàn)信息的傳遞.在電信系統(tǒng)中,信息是以電信號的形式傳輸?shù)?一個電信系統(tǒng)至少應(yīng)由終端和傳輸媒介組成,如圖1-1所示.終端將含有信息的消息,如話音,圖像,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)換成可被傳輸媒介接受的電信號形式,同時將來自傳輸媒介的電信號還原成原始消息;傳輸媒介則把電信號從一個地點(diǎn)傳送至另一地點(diǎn)(例如,當(dāng)傳輸媒介是一導(dǎo)

3、線時),或從一個時刻傳至另一時刻(例如,當(dāng)傳輸媒介是一存儲器時).從通信網(wǎng)的觀點(diǎn)看,這樣一種僅涉及兩個終端的單向或交互通信稱為點(diǎn)對點(diǎn)通信.n 通信網(wǎng)n消息 消息n 圖1-1點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)終端傳輸媒介終端電信號電信號當(dāng)存在多個終端,且希望它們中的任何兩個都可以進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信時,最直接的方法是把所有終端兩兩相連,如圖1-2所示.這樣一種連接方式稱為全互連式.全互連方式存在下列一些缺點(diǎn).(1)當(dāng)存在N個終端時需要N(N-1)/2條連線,即連線數(shù)量隨終端數(shù)的平方增加. 圖1-2 4個通信終端的全互連形式(2)當(dāng)這些終端分別位于相距很遠(yuǎn)的兩地時兩地間需要大量的長途線.(3)每個終端都有N-1根連線與其它

4、終端相接,因而每個終端需要N-1個線路接口.(4)增加第N+1個終端時必須增設(shè)N條線路. 解決上述問題的有效方法是采用如圖1-3所示的通信網(wǎng).每個終端通過一條專用線路與通信網(wǎng)的一個結(jié)點(diǎn)相連.通信網(wǎng)的作用是根據(jù)終端的要求,將一個終端發(fā)出的消息傳送給與網(wǎng)絡(luò)相連的任何其它一個或多個終端.通信網(wǎng)由必要的設(shè)備和傳輸媒介組成,這些設(shè)備和媒介統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)的資源.通常除網(wǎng)絡(luò)接口外,通信網(wǎng)的資源由所有終端共享.依照通信網(wǎng)的組成形式及所配備的資源數(shù)量,通信網(wǎng)可能同時為所有的終端提供信道,也可能在任何時刻只允許一對終端進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信.n 通信網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成形式很多,其中一種重要的形式是電話通信中普遍采用的交換式通

5、信網(wǎng).目前全世界電話網(wǎng)所連接的電話機(jī)數(shù)目已超過6億門. 現(xiàn)行的電話網(wǎng)是根據(jù)話音通信的需要設(shè)計(jì)的,但由于它是那樣的普及,以致一些數(shù)據(jù),圖像等非話業(yè)務(wù),出于經(jīng)濟(jì)上的考慮,也常采用話音帶信號形式(例如,利用調(diào)制解調(diào)器)通過電話網(wǎng)傳輸.隨著數(shù)字通信,計(jì)算機(jī)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的電話網(wǎng)正在演變成為能同時傳輸各種高速,寬帶數(shù)據(jù)和圖像信號的數(shù)字通信網(wǎng),即傳統(tǒng)的電話網(wǎng)正向著綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)的方向發(fā)展.n1.1.2 交換式通信網(wǎng) 如圖1-4所示交換機(jī)中每一臺電話或通信終端通過一條專門的用戶環(huán)線(或簡稱為用戶線)與交換機(jī)中的相應(yīng)接口連接.實(shí)際中的用戶線常是一對絞合的塑膠線,線徑

6、在0.40.7mm之間.若干對絞線之外再包n上多層抗拉,防水,屏蔽和防機(jī)械損傷的材料,形成所謂的雙股電纜 根據(jù)IEEE的定義,交換機(jī)應(yīng)能在任意選定的兩條用戶線之間建立和釋放一條通信鏈路.換句話說,任一臺電話機(jī)均可請求交換機(jī)在本用戶線和所需用戶線之間建立一條通信鏈路,并能隨時命令交換機(jī)釋放該鏈路.交換式通信網(wǎng)的一個重要優(yōu)點(diǎn)是較易于組成大型網(wǎng)絡(luò).例如,當(dāng)終端數(shù)目很多,且分散在相距很遠(yuǎn)的幾處時,可用交換機(jī)組成如圖1-5所示的通信網(wǎng).網(wǎng)中直接與電話機(jī)或終端連接的交換機(jī)稱為本地交換機(jī)或市話交換機(jī),相應(yīng)的交換局稱為端局或市話局;僅與各交換機(jī)連接的交換機(jī)稱為匯接交換機(jī).當(dāng)距離很遠(yuǎn)時,匯接交換機(jī)也稱為長途交換

7、機(jī).交換機(jī)之間的線路稱為中繼線.顯然,匯接交換機(jī)可看作是一種僅具有網(wǎng)內(nèi)通信功能的市話交換機(jī).n 通信網(wǎng)上兩個終端間的每一次成功的通信都包括以下三個階段.1.呼叫建立. 由終端向交換機(jī)發(fā)出通信請求,并提供被叫站標(biāo)志(電話號碼),如果被叫站與主叫站不屬于同一臺本地交換機(jī),則還應(yīng)由主叫方交換機(jī)通過中繼線向被叫方交換機(jī)或中轉(zhuǎn)匯接機(jī)發(fā)送請求和電話號碼信號,直至各交換機(jī)在相應(yīng)的主,被叫用戶線之間建立(接續(xù))起一條貴通的通信鏈路.n2.消息傳輸 主,被叫終端間通過用戶線及交換機(jī)內(nèi)部建立的鏈路和中繼線進(jìn)行通信.n3.釋放 任一方向本地交換機(jī)發(fā)出終止通信的命令,使鏈路涉及的各交換機(jī)釋放其內(nèi)部鏈路和占用的中繼線,

8、供其它呼叫使用. 當(dāng)然,如果因網(wǎng)絡(luò)中無空閑路由或被叫站占線而造成呼叫失敗時,將不存在后兩個階段.在不同的階段,用戶線或中繼線中所傳輸?shù)男盘柕男再|(zhì)是不同的.在呼叫建立和釋放階段,用戶線和中繼線中所傳輸?shù)氖侵笇?dǎo)網(wǎng)絡(luò)接續(xù)或拆線的命令,而在消息傳輸階段,所有線路中傳輸?shù)亩际侵?被叫終端之間的通信信息.我們稱呼叫建立和釋放階段傳輸?shù)男盘枮樾帕?而消息傳輸階段的信號為消息.終端和本地交換機(jī)之間的信令稱為終端信令或用戶-網(wǎng)絡(luò)信令,交換機(jī)之間通過中繼線傳遞的信令稱為局間信令或稱為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信令.圖1-6是本局呼叫(即主,被叫終端連接著同一臺交換機(jī))的一個例子,它說明了一次通話過程的三個階段,以及終端與交換機(jī)之間

9、的信令交互關(guān)系. 1.2 交換機(jī)的組成n 1.2.1交換網(wǎng)絡(luò) 交換網(wǎng)絡(luò)又稱為接續(xù)網(wǎng)絡(luò),它可由一個或多個交換器組成.交換器的工作原理可用圖1-8的例子說明.交換器左邊稱為入線,右邊是出線.交換器的作用是根據(jù)需要使某一入線與某一出線連通.例如,當(dāng)我們希望將3號用戶線與1號中繼線連通時,只需將網(wǎng)絡(luò)交點(diǎn)x接通.又如1號線用戶與2號線用戶通話時,只需將交點(diǎn)y,z短接,即可使二者通過繩路連通.通過交換器,用戶入線除n能與中繼線相同或經(jīng)過繩路互通外,還可與信令的收,發(fā)裝置連接.例如,將w點(diǎn)短接可使1號入線與記發(fā)器連通,由記發(fā)器記錄1號用戶所撥出的電話號碼.n因此,交換器可看作是一個有M條入線和N條出線的網(wǎng)絡(luò)

10、,它有MN個交點(diǎn),每個交點(diǎn)都可在控制系統(tǒng)的控制下連通或斷開.n 1.2.2 接口 接口把來自用戶線或中繼線的各種不同的輸入信令和消息轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的機(jī)內(nèi)信號,以便控制單元或交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理或接續(xù).早期電話交換機(jī)的接口僅有檢測“摘機(jī)”信令的功能.用戶利用電話機(jī)自帶的電池或手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電壓,向交換機(jī)發(fā)出呼叫(摘機(jī))信號,驅(qū)動用戶接口電路中聲,光等信號裝置.被叫電話號碼則需由發(fā)話者口述,通知交換局內(nèi)的話務(wù)員.這種自供電方式使得話機(jī)體積較大,電壓不統(tǒng)一,不便于維護(hù).為此,人們改用由交換機(jī)統(tǒng)一饋電,這稱為供電方式.隨之而來的是至今仍在使用的轉(zhuǎn)盤撥號話機(jī).圖1-9(a).是說明這種話機(jī)工作原理的示意圖.

11、電話線跨接到交換機(jī)接口中供電電源的兩端. 當(dāng)電話掛機(jī)時,話機(jī)內(nèi)的電鍵J1斷開,話機(jī)不消耗交換機(jī)電源.摘機(jī)后,J1閉合,話機(jī)中的送話器與交換機(jī)電源接通,獲得所需的工作電流.交換機(jī)可由此電流檢測到摘機(jī)狀態(tài).此時電話號碼改用撥號盤發(fā)送:用戶順時針撥動號盤后,號盤在彈簧的作用下勻速回轉(zhuǎn),使彈簧電鍵J3時通時斷,形成如圖1-9(b)所示的脈沖“號碼”信號.當(dāng)電話掛機(jī)時,交換機(jī)發(fā)出的鈴流通過電容C和電鍵J2,使電鈴發(fā)聲.用戶摘機(jī)后,J1接通,J2斷開,鈴聲停止.根據(jù)上述原理,與撥盤話機(jī)相對應(yīng)的交換機(jī)接口至少應(yīng)有下列一些功能:向話機(jī)饋電;檢測摘機(jī)直流信號;接收話機(jī)撥出的號碼,并將之傳送給控制系統(tǒng)的記發(fā)器;完

12、成用戶線與交換網(wǎng)絡(luò)之間的話音信號傳遞;向話機(jī)發(fā)送鈴流等.圖1-10給出了CCITT建議的程控?cái)?shù)字交換機(jī)模擬電話接口的功能結(jié)構(gòu).除上述各功能外,圖中還包括防止外部高壓的過壓保護(hù)電路和實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換的編解碼器等.各功能的作用及實(shí)現(xiàn)電路將在第五章介紹.n1.2.3 控制系統(tǒng)n 交換機(jī)在整個通信網(wǎng)的樞紐,因而它的控制系統(tǒng)除擔(dān)負(fù)著話路接續(xù)的控制外,還必須兼顧整個通信網(wǎng)的管理和控制.交換機(jī)控制系統(tǒng)的功能可分為兩大類:呼叫處理;運(yùn)行,管理和維護(hù).(OAM)n呼叫處理是交換機(jī)控制系統(tǒng)的基本功能,它主要按照信令的指示控制交換網(wǎng)絡(luò)完成接續(xù)和拆線,一般包括一下幾個方面:n(1)接收終端或其它交換機(jī)發(fā)出的信令.例如,及

13、時檢測到話機(jī)經(jīng)接口系統(tǒng)發(fā)來的摘機(jī)信號;接收話機(jī)發(fā)出的電話號碼等.n(2)指導(dǎo)呼叫過程進(jìn)行.例如,通過接口向話機(jī)發(fā)出撥號音,提示用戶撥號;或發(fā)出催掛音,促請用戶掛機(jī)等.n(3)根據(jù)接收到的信號,完成線路的接續(xù)和拆除.例如根據(jù)收到的電話號碼在交換網(wǎng)絡(luò)中選擇一條空閑的繩路,然后向交換網(wǎng)絡(luò)發(fā)出閉合相應(yīng)交點(diǎn)的命令.收到掛機(jī)信號時,則應(yīng)釋放相應(yīng)的繩路與交換鏈路.n在OAM功能中,運(yùn)行是指在具體安裝一臺交換機(jī)時,對它的配置和組態(tài)的控制.在現(xiàn)代交換機(jī)中,尤其在綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)中,交換機(jī)必須為不同類型的終端或中繼線配備n不同的接口.操作員應(yīng)能通過“運(yùn)行”功能使控制系統(tǒng)事先了解交換機(jī)安裝的各接口的類型和參數(shù).此外,

14、它還應(yīng)知道各接口線所對應(yīng)的地址(電話號碼等),整個交換機(jī)安裝了多少個終端和中繼線接口,等等. 管理主要對通信網(wǎng)中話務(wù)流量的控制.負(fù)責(zé)每一次呼叫選擇一條最合理的路由.維護(hù)包括對交換機(jī)各部分故障的檢測(發(fā)現(xiàn)故障),診斷(定位故障)和修復(fù)(排除故障).程控交換機(jī)的控制系統(tǒng)如同一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),包括中央處理器(CPU),存儲器(MEM)和輸入/輸出(I/O)接口三個部分.但它接口的種類和數(shù)量都遠(yuǎn)大于一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng).圖1-11給出了一個典型的程控交換機(jī)控制系統(tǒng)的框圖.交換機(jī)操作人員通過維護(hù)終端進(jìn)行OAM操作,例如調(diào)用某單元電路的故障診斷程序,修改說明各接口類型,狀態(tài)的數(shù)據(jù)(稱為局?jǐn)?shù)據(jù))等.CPU則根據(jù)

15、各用戶線或中繼線接口輸入的信令及系統(tǒng)中的局?jǐn)?shù)據(jù)完成接續(xù)控制,輸入各種控制命令等.1.3 。交換技術(shù)的發(fā)展與分類n 自1878年第一臺交換機(jī)出現(xiàn)以來,交換機(jī)已經(jīng)歷n了許多代.交換機(jī)的發(fā)展通常是由于交換器交點(diǎn)技術(shù)n或控制技術(shù)的發(fā)展而引起的.大多數(shù)交換機(jī)的名稱反n映了它所采用的某種新技術(shù).本節(jié)將從接續(xù)技術(shù),控n制方法和交換方式三個方面對交換機(jī)進(jìn)行分類,同時n簡要地回顧一下各種交換機(jī)的發(fā)展過程,特點(diǎn)及所采n用的主要技術(shù).n1.3.1 模擬交換與數(shù)字交換n模擬交換和數(shù)字交換是就交換器所接續(xù)的信號而言的,即模擬交換器所接續(xù)的是模擬信號,而數(shù)字交換器接續(xù)的是數(shù)字信號. 數(shù)字交換是數(shù)字技術(shù),尤其是數(shù)字傳輸技術(shù)

16、發(fā)展的產(chǎn)物.早期的電話網(wǎng)是完全模擬的,即電話機(jī)產(chǎn)生的是模擬信號,用戶線和中繼線所傳輸?shù)氖悄M信號,交換機(jī)接續(xù)的也是模擬信號,如圖1-12(a)所示.隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和成熟,中繼系統(tǒng)首先采用了數(shù)字傳輸.數(shù)字傳輸有許多優(yōu)點(diǎn):再生誤碼少,傳輸距離遠(yuǎn),音質(zhì)音量佳,易于(時分)復(fù)用,易于加密等.數(shù)字傳輸首先被引入到中繼傳輸中的原因是,中繼傳輸?shù)木嚯x一般較遠(yuǎn),話務(wù)傳輸量大,傳輸質(zhì)量要求高,因而它最能充分地利用數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn).引入數(shù)字中續(xù)傳輸后,電話系統(tǒng)變?yōu)槿鐖D 1-12(b)所示.因此,在市話交換機(jī)與中續(xù)線之間和匯接交換機(jī)與中續(xù)線之間,都必須有適當(dāng)?shù)哪?shù)(A/D)與數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換. 在圖1-12(b

17、)中,由于模擬匯接交換機(jī)的存在,造成了二次模數(shù),數(shù)模轉(zhuǎn)換,使得音質(zhì),音量下降,成本提高.為此,人們首先解決了匯接交換機(jī)的數(shù)字化問題,如圖1-12(c)所示.數(shù)字交換除能免除多次調(diào)制,解調(diào)外,還具有便于數(shù)字計(jì)算機(jī)控制,接續(xù)速度快,n可靠性高,便于模塊化設(shè)計(jì),配置靈活,易于擴(kuò)充等許多優(yōu)點(diǎn).因此,人們很快又設(shè)計(jì)出了數(shù)字式的市話交換機(jī),見圖1-12(d).n 整個通信系統(tǒng)數(shù)字化的最后環(huán)節(jié)是完成用戶環(huán)線傳輸?shù)臄?shù)字化,實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)字通信網(wǎng)(IDNIntegrated Digital Network).由于數(shù)字技術(shù)在終端中的普遍應(yīng)用,IDN的建立將大大便利各類終端的入網(wǎng).在圖1-12(e)中,市話交換機(jī)通過數(shù)

18、字環(huán)線連接了數(shù)字電話,計(jì)算機(jī)終端,圖像終端等各種不同的終端,這正是當(dāng)前通信網(wǎng)發(fā)展的最高目標(biāo)ISDN. 數(shù)字交換與模擬交換的接續(xù)方法有較大的不同.前面已經(jīng)提到,交換器的作用是將指定輸入線的信號傳遞到指定的輸出線.最直接的方法是以機(jī)械的方式使交點(diǎn)連通.最早的磁石交換器通過人工插拔插賽來完成交點(diǎn)的通斷.此后先后出現(xiàn)了各種便于自動控制的交換器,其中較典型的有步進(jìn)式,全繼電器式和縱橫式等.這些名稱僅反映了交換器的控制方式和動作原理的特點(diǎn),它們的效果都是相同的,即實(shí)現(xiàn)交點(diǎn)的機(jī)械閉合和斷開. 機(jī)械交換器的最大優(yōu)點(diǎn)是交點(diǎn)的斷通阻抗比很大,且能實(shí)現(xiàn)雙向傳輸.它們的缺點(diǎn)是體積大,速度慢,壽命短,噪音高,可靠性較差

19、.為此,人們設(shè)計(jì)出了電子交換器.在這類交換器中,n交點(diǎn)的通斷是通過一個有源固體器件(如晶體管,晶閘管等)的導(dǎo)通和截止來實(shí)現(xiàn)的.電子交點(diǎn)的速度雖然遠(yuǎn)比機(jī)械交點(diǎn)快,但它的斷通阻抗比常不如機(jī)械交點(diǎn),因而必須注意防止因交點(diǎn)截止阻抗不夠高而引起串話.電子交點(diǎn)的其它缺點(diǎn)是,它通常只允許單向傳輸,且最大電流或電壓受到固體有源器件的限制.n 上述各種交點(diǎn)閉合式交換器即可以接續(xù)模擬信號,也可以接續(xù)數(shù)字信號.但實(shí)際中的數(shù)字交換器常不采用交點(diǎn)閉合方式,而是仿效計(jì)算機(jī)總線技術(shù),首先將輸入的數(shù)字信號存儲在一個固定的n緩存器中,然后在控制系統(tǒng)的控制下讀出,經(jīng)總線送到指定的輸出端.數(shù)字交換器不存在串話問題,且由于使用了VL

20、SI存儲器,成本較低.此外,這種交換方式特別適合于數(shù)字計(jì)算機(jī)控制.數(shù)字交換器一般僅允許單向傳輸.n1.3.2 從人工交換到程控交換n 在老式的磁石交換機(jī)中,整個控制過程都是由人工完成的.以呼叫處理為例,用戶首先用手搖發(fā)電機(jī)發(fā)出呼叫信號,使相應(yīng)的用戶接口電路上的指示燈亮.話務(wù)員發(fā)現(xiàn)后,將自己的話路與呼叫者話路接通,問明被叫者姓名后(注意,不是電話號碼),n選定一條空閑繩路,然后將鈴流發(fā)生器與被叫話路接通.被叫方摘機(jī),指示燈亮后,話務(wù)員拆斷鈴流,接通繩路,使發(fā),受話雙方通話.通話結(jié)束后,用戶掛機(jī),接口指示燈滅,話務(wù)員折除繩路,完成一次通話過程.n 人工交換機(jī)的操作勞動強(qiáng)度大,接線速度慢,人工費(fèi)用高

21、,交換機(jī)不易擴(kuò)大,不利于保密.在1889年,史端橋(A.B.Strowger)發(fā)明了第一臺無需話務(wù)員接線的步進(jìn)式自動交換機(jī),并在三年后投入了使用.此后,隨著技術(shù)的發(fā)展,交換機(jī)的自動控制方式先后主要經(jīng)歷了機(jī)電制,布控制和程控制三代.n 機(jī)電制控制系統(tǒng)的接續(xù)過程是依靠對進(jìn)步電機(jī)等的控制來完成的.在布控系統(tǒng)中,存在許多由繼電器或電子器件構(gòu)成的控制單元電路,接續(xù)中所需的邏輯功能是通過適當(dāng)設(shè)計(jì)這些控制單元之間的布線來完成的.機(jī)電制和布控制交換機(jī)中的控制系統(tǒng)所采用的器件和電路都較簡單,因而它們的功能通常僅限于基本的呼叫接續(xù)處理,是人工交換機(jī)中話務(wù)員操作的自動化.n 程控交換機(jī)的全稱是“存儲程序控制”(SP

22、CStored Program Control)交換機(jī).它是現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī),大規(guī)模集成電路和n數(shù)字傳輸技術(shù)的綜合產(chǎn)物.在SPC交換機(jī)中,控制系統(tǒng)依靠事先存儲在存儲器中的程序和數(shù)據(jù)引導(dǎo)微處理機(jī)對各種信令進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?對交換網(wǎng)絡(luò)和接口實(shí)行必要的控制.由于微處理機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和集成電路成本的不斷下降,人們已有可能用合理的造價生產(chǎn)出功能時分齊全的交換機(jī).n SPC技術(shù)的引入使交換機(jī)的控制功能發(fā)生了根本的變化.它除能明顯改善呼叫處理的速度,質(zhì)量和效率外,還為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行,管理和故障診斷的全面自動化提供了可能.n 采用SPC技術(shù)的最大優(yōu)越性在于,它能僅n通過改動或增加軟件即達(dá)到改變交換機(jī)組態(tài)和工作性能的目

23、的.例如,交換機(jī)操作員可通過修改軟件關(guān)閉某個用戶線端口;開啟某個終端的數(shù)據(jù)通信權(quán)力;改變某態(tài)話機(jī)的電話號碼;甚至改變交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容,等等.SPC對話務(wù)處理能力的改善主要表現(xiàn)在以下三個方面:n(1)提高用戶的呼叫能力,簡化呼叫過程,縮短呼叫時間.n(2)提高用戶的應(yīng)答能力.n(3)提高通話能力.n 現(xiàn)代程控交換機(jī)的功能常多達(dá)數(shù)十種.n這些功能雖為用戶帶來極大的方便,但卻對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).交換機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)已從早期的以交換器設(shè)計(jì)為主轉(zhuǎn)移到了當(dāng)前的以控制系統(tǒng)為主.n 在1959年,美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室首先提出了數(shù)字交換方案,并公布了實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)ESSEX(Experimental

24、Solid State Exchange)的試驗(yàn)結(jié)果.此后,各國先后推出了各類數(shù)字和程控交換機(jī),其中一些有代表意義的如表1-1所示.n1.3.3 電路交換與分組交換n 在電話網(wǎng)中,當(dāng)用戶需要通話時,交換機(jī)在呼叫期間在發(fā),受話機(jī)之間建立一條臨時通路.該通路必須在通話期間始終保持暢通,直至通話結(jié)束時才被釋放.當(dāng)兩個用戶位于不同的端局時,必須由本地交換機(jī)和匯接交換機(jī)在兩個話機(jī)之間建立一條由兩端用戶線和若干條中繼線組成的鏈路.這樣一種在通話期間專用一條網(wǎng)絡(luò)鏈路n的方法稱為電路交換.n 電路交換較簡單,很適合于交互式話音通信.但它有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn),即兩個通信終端以及它們之間所有的交換和中繼鏈路都必須在通

25、話前同時準(zhǔn)備就緒,且在通話期間不再能被其它用戶使用.在數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)通信中,終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常是突發(fā)生的,即數(shù)據(jù)通常是成包地發(fā)生的,且包與包之間的時間間隔可能較長,因此電路交換就顯得很不經(jīng)濟(jì).例如一個計(jì)算機(jī)操作人員每秒鐘僅能輸入1020個字符,但一條標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字話音信道可傳輸64kb/s=8000字符/s .因此,如果在數(shù)據(jù)通信中使用電路交換,則信道利用率可能低達(dá)0.1% .早期的數(shù)據(jù)通信常采用消息交換.在消息交換中,終端發(fā)出的消息,如電報,信件,文件等被添加上地址和其它控制信息,形成報文后再送至交換機(jī).交換機(jī)首先將收到的信息存儲起來,并根據(jù)報頭中的地址信息計(jì)算路由,確定輸出線,待輸出線空閑時,再

26、將存儲的消息發(fā)出.這種交換方式又稱為存儲轉(zhuǎn)發(fā).n 消息交換的主要優(yōu)點(diǎn)是兩個終端間的線路和交換機(jī)不必同時空閑;中繼線的利用率很高;除交換機(jī)存儲器滿以外,消息不會丟失.但消息交換機(jī)通常要求有足夠大的存儲器,且存在一定的傳輸延時,例如,當(dāng)一條消息的發(fā)送時間需要Ts,傳輸中需經(jīng)過N次交換時,傳輸延時將不小于NTs.因此,當(dāng)消息較長時,所要求的交換機(jī)存儲容量和傳輸延時都很大.基于這些原因,消息交換通常不適合于交互通信.n 上述三種交換方式的差別可由圖1-13說明.電路交換每次通話接續(xù)一次,消息交換每傳送一條消息接續(xù)一次,而分組交換則需為每個數(shù)據(jù)包接續(xù)一次.因此,就接續(xù)處理而言,電路交換最簡單,而分組交換

27、工作最為頻繁.電路交換要求在終端之間建立起一條點(diǎn)對點(diǎn)鏈路后,才能開始消息n傳輸.消息交換和分組交換則在接收到消息或數(shù)據(jù)之后才開始接續(xù)線路,因此,傳輸和交換相對獨(dú)立,且傳輸時不必顧及后續(xù)線路和接收終端是否空閑.因此,它們是一種逐段傳輸,逐段交換的過程.n 為了減輕分組交換機(jī)的接續(xù)處理負(fù)荷,有時也在數(shù)據(jù)包傳輸開始之前有一個類似于電路交換的呼叫過程.該過程為隨后的通信確定了一條固定的路由,因而相當(dāng)于在通信網(wǎng)中建立起了一條虛擬鏈路.此后,數(shù)據(jù)傳輸仍按分組(包)進(jìn)行,只是各交換機(jī)不必再為每個數(shù)據(jù)包計(jì)算傳輸路由. 表1-2中列出了交換機(jī)發(fā)展中一些具有代表性的交換機(jī)類型以及它們采用的主要技術(shù).表中給出的只是

28、典型情況.例如,縱橫制交換機(jī)在后期也開始采用SPC控制,只是由于交換機(jī)結(jié)構(gòu)的限制,這些SPC系統(tǒng)僅僅模仿了原布控制系統(tǒng)的邏輯,因而在呼叫處理和OAM功能方面沒有根本性的改善. 以下本書各章是這樣安排的:第二章首先討論相對獨(dú)立的交換網(wǎng)絡(luò),包括網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容設(shè)計(jì),話務(wù)量理論,交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法等.接口和n控制系統(tǒng)與整個通信網(wǎng)的關(guān)系十分密切,因此在討論這兩部分內(nèi)容之前,我們將用兩章的篇幅來介紹通信網(wǎng).第三章介紹現(xiàn)存的國際和國內(nèi)電話網(wǎng)的等級制結(jié)構(gòu),電話終端的編號制度,網(wǎng)內(nèi)路由選擇,數(shù)字網(wǎng)的同步,以及公共網(wǎng)中必不可少的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等.第四章介紹整個通信網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)信令系統(tǒng).它是實(shí)現(xiàn)全球電

29、話以及其它業(yè)務(wù)自動通信的必要條件.我們將討論各種通信終端的終端信令,以及國際和國內(nèi)通信網(wǎng)中的各種局間信令系統(tǒng).第五章討論程控交換機(jī)的接口,包括信息終端和中繼系統(tǒng)的種類,相應(yīng)的接口功能要求,接口的控制,以及它們的實(shí)現(xiàn)技術(shù)等.控制系統(tǒng)是程控交換的難點(diǎn)和重點(diǎn),我們將在最后三章中討論.第六章討論控制系統(tǒng)的軟,硬件結(jié)構(gòu),主要特點(diǎn)及一般設(shè)計(jì)原理.第七章討論呼叫處理過程及其設(shè)計(jì)方法. 習(xí)題n1-1 在交換式通信網(wǎng)中,兩個終端的點(diǎn)對點(diǎn)通信都由哪些部分組成,與圖1-1中的系統(tǒng)相比有哪些異同之處?n答:n1.通信的目的是什么?一個電信系統(tǒng)由哪些部分組成?n2.什么叫點(diǎn)對點(diǎn)通信?n3.說明圖1-4.n4.通信網(wǎng)上兩

30、個終端間的每一次成功的通信都包括哪些階段?n5.一臺交換機(jī)由哪些部分組成?n6.請說明圖1-8交換器的工作原理.n7.請說明圖1-9的工作原理. 第二章 交換網(wǎng)絡(luò)n交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)包括三個方面:n（1）在給定用戶條件(如用戶個數(shù),電話使用的頻繁程度等)和希望達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量后,如何確定交換網(wǎng)絡(luò)的容量或入,出線數(shù)量;n(2)在已知網(wǎng)絡(luò)的容量后,如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu);n(3)對于已知結(jié)構(gòu),如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字接續(xù),即將任意指定入線上的數(shù)字信號傳遞到任意指定的輸出線. n 2.1 話務(wù)理論基礎(chǔ)交換網(wǎng)絡(luò)的作用是將任意入線與指定的出線接通,從而獲得某種服務(wù).例如在圖1-8中三條用戶線均可與中繼線接通,實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端用戶通

31、話.但另一方面,在任何時刻只能有一條入線與中繼線接通,且在該入線占用中繼線期間,其它用戶的需求將得不到滿足.我們把請求服務(wù)的用戶稱為源,而把中繼線,繩路,記發(fā)器等被請求對象統(tǒng)稱為服務(wù)器.在實(shí)際中,源的數(shù)目常大于服務(wù)器的數(shù)目.這是出于兩點(diǎn)考慮:n(1) 在通常情況下,每個用戶僅部分時間需要服務(wù).換句話說,所有用戶同時需要服務(wù)的可能性很小. (2)用戶偶爾得不到服務(wù)或需要短時間等待是可以容忍的.顯然,一個系統(tǒng)應(yīng)配備的服務(wù)器數(shù)量與用戶對服務(wù)的需求及所期望的服務(wù)質(zhì)量直接有關(guān).為此,有必要對服務(wù)需求和服務(wù)質(zhì)量加以定量的描述. 2.1.1 話務(wù)量 在電話交換系統(tǒng)中,把源對服務(wù)器的需求量稱為源的話務(wù)量而將服

32、務(wù)器所負(fù)擔(dān)的話務(wù)量稱為話務(wù)負(fù)荷,其定義是:n在時間T內(nèi),一個源(或服務(wù)器)所產(chǎn)生的(所負(fù)擔(dān)的)話務(wù)量等于該期間內(nèi)各次服務(wù)持續(xù)時間之總和.顯然,話務(wù)量與兩個因素有關(guān):需求的頻繁程度(稱為呼叫強(qiáng)度)和每次服務(wù)所持續(xù)的時間(稱為呼叫保持時間).設(shè)在所考查的時間T內(nèi),共發(fā)生了n次呼叫,每次呼叫的平均保持時間為 ,則根據(jù)定義,話務(wù)量應(yīng)為 為了計(jì)算話務(wù)量密度,定義話務(wù)流量為其中 = n / T (2.3)是源的呼叫強(qiáng)度或單位時間內(nèi)的平均呼叫次數(shù), 是平均保持時間.話務(wù)流量代表了單位時間內(nèi)服務(wù)時間之總和,它表現(xiàn)了單個源或服務(wù)器的占用率,永遠(yuǎn)小于或等于1.話務(wù)流量的單位是愛爾蘭(Erlang),avh) 1

33、. 2()(hnhAavT)2 . 2()(/11愛爾蘭erlhTnhTAAavavTavh話務(wù)量的量綱是時間,而話務(wù)流量是無量綱的.n 當(dāng)話務(wù)量由N個統(tǒng)計(jì)特性相同的源產(chǎn)生時,話務(wù)流量變?yōu)槠渲?= N (2.5)是N個源產(chǎn)生的呼叫強(qiáng)度或單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均呼叫次數(shù). 由于A是一個服務(wù)器的占用率,A=NA代表了在任何時刻處于占用狀態(tài)的服務(wù)器的平均個數(shù).)4 . 2(11erlhhNNAAavavn另一方面,根據(jù) ,A又等于在 期間,呼叫產(chǎn)生的平均個數(shù).由于被占用的服務(wù)器的平均個數(shù)不隨時間而變,因而A還代表了在 期間,呼叫結(jié)束的平均個數(shù).n例2.1 設(shè)一個源在2小時內(nèi)共發(fā)生了4次呼叫,各次呼叫持續(xù)

34、時間依次為600s,100s, 900s 和200s.則平均呼叫持續(xù)時間為話務(wù)量為話務(wù)流量為呼叫強(qiáng)度為 = n/T=2次/h 當(dāng)有20個相同的源時,呼叫強(qiáng)度變?yōu)閍vhAavhavhhshav125. 04504/ )200900100600(hnhAavT5 . 0125. 04erlTAAT25. 02/5 . 0/1n = N =202=40次/hn話務(wù)流量變?yōu)閚在式(2.4)中,如果取呼叫強(qiáng)度的單位為次/h,保持時間的單位為100s;我們可得到計(jì)量話務(wù)流量的另一種單位:百秒呼,簡記為ccs.ccs是北美國家常用的話務(wù)量單位.由于在愛爾蘭定義中保持時間的單位是小時,二者之間的關(guān)系為1erl

35、=36ccs (2.6) 在以下討論中,我們主要使用話務(wù)流量.在不致引起誤解的情況下,我們也常把話務(wù)流量簡稱為話務(wù)量.根據(jù)以上討論,在已知和 的情況下,由式(2.4)計(jì)算話務(wù)量并不困難.但在實(shí)際中erlhAav5125. 040avhn 和h都是隨時間和用戶行為隨機(jī)變化的.因而分析和h的統(tǒng)計(jì)特性常變得極其困難.呼叫強(qiáng)度主要受到下列一些因素的影響:n(1)時間 呼叫強(qiáng)度會隨一年中不同的月份,一周中不同的日子,一日中不同的小時而變化.例如,每星期一,六的呼叫數(shù)量通常較多,而星期日則較少.每天內(nèi)上午8:3011.00則會出現(xiàn)一個呼叫高峰.圖2-1和圖2-2給出了這兩種變化的典型統(tǒng)計(jì)結(jié)果.此外,呼叫強(qiáng)

36、度還會在某些特定的時間或時刻,如學(xué)校開學(xué),新年前夕等突然增加.n(2)突發(fā)事件 呼叫強(qiáng)度還會隨突發(fā)事件急劇增加.例如,當(dāng)某地發(fā)生地震,或舉行大型運(yùn)動會時,該地區(qū)的呼叫強(qiáng)度會突然增加.(3)話機(jī)普及率 每話機(jī)的呼叫強(qiáng)度與該地區(qū)的話機(jī)普及率,即人均占有的話機(jī)數(shù)成反比.在安裝話機(jī)密度較小的地區(qū),電話的利用率較高,因而呼叫強(qiáng)度相應(yīng)較大.(4)用戶遇忙時的表現(xiàn) 當(dāng)用戶呼叫卻遇到網(wǎng)絡(luò)或受話方正忙時,有些用戶立即放棄呼叫,有些則會不斷地重?fù)?造成系統(tǒng)擁塞時呼叫強(qiáng)度猛增.這些未成功的呼叫雖不占用交換網(wǎng)絡(luò)的資源,卻會大大增加控制系統(tǒng)的呼叫處理負(fù)荷.這些遇阻的呼叫稱為呼損.分析用戶遇忙時的行為常采用下列三種模型:

37、呼損清除(LCCLost Call Cleared)呼損保持(LCH Lost Call Held)呼損延遲(LCD Lost Call Delayed)其差別可用圖2-3說明.圖中假設(shè)三個源用一個服務(wù)器.(a)給出了三個源開始呼叫的時刻及保持時間;(b)給出了呼損清除的情況.當(dāng)2號源于t2時刻產(chǎn)生呼叫時,發(fā)現(xiàn)服務(wù)器正忙,于是立即放棄呼叫請求,不再出現(xiàn)(呼叫2被清除);(c)顯示了呼損保持時的情況.n當(dāng)呼叫2產(chǎn)生時,服務(wù)器正忙,呼叫受損,但仍認(rèn)為呼叫2將保持到原定時間才結(jié)束.因此在服務(wù)器的負(fù)荷中,僅一部分獲得了成功的處理.呼叫3的情況相同;(d)說明了呼損延遲的情況.此時三個呼叫均未丟失,只是

38、呼叫2和3分別受到了一定的延遲.上述三種模型的主要差別可概括為LCC:源話務(wù)量服務(wù)器負(fù)荷=成功處理的話務(wù)量LCH:源話務(wù)量服務(wù)器負(fù)荷成功處理的話務(wù)量 LCD:源話務(wù)量=服務(wù)器負(fù)荷=成功處理的話務(wù)量 在呼損延遲系統(tǒng)中,只要輸入話務(wù)量不大于服務(wù)器的個數(shù),呼叫將不會丟失.此時n延遲時間將變成一個重要指標(biāo).電話交換常采用前兩種模型.呼損延遲則較適合于一般的數(shù)據(jù)交換或數(shù)字電話交換中的信令系統(tǒng).n(5) 費(fèi)率 通話費(fèi)率同樣會引起呼叫強(qiáng)度的波動.例如在我國,每天21:00以后,由于長途電話費(fèi)率減半,可能會出現(xiàn)一個長途呼叫的高峰.呼叫保持時間h同樣會因費(fèi)率和同用戶習(xí)慣而不同.除此之外,它還與下列因素有關(guān):n通

39、話性質(zhì) 在通常情況下,公務(wù)對話保持時間較短,而私人電話則一般通話時間較長.n通話距離 統(tǒng)計(jì)表明,長途電話的保持時間一般比本地電話的長,它近似與通話距離成正比.圖2-4給出了典型的保持時間隨距離變化的統(tǒng)計(jì)曲線.呼叫保持時間可劃分為撥號,振鈴和通話三個階段.表2-1給出了典型的撥號和振鈴時間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).由表可見,因系統(tǒng)忙或因受話方無人應(yīng)答而n失敗的呼叫保持時間的均值分別為28.9s和62.8s.應(yīng)當(dāng)指出,這些數(shù)據(jù)同樣與被統(tǒng)計(jì)用戶的情況有關(guān).例如,對于電話不夠普及,用戶操作不熟練的地區(qū),上述數(shù)值可能增加.此外,隨著SPC控制的采用,這些時間都會有所下降.n由表2-1可見,在呼叫成功的情況下?lián)芴柡驼疋?/p>

40、時間僅需約33s,保持時間主要由通話時間決定.圖2-5給出了某國際長途線路中通話時長的統(tǒng)計(jì)曲線.其中黑點(diǎn)為實(shí)測結(jié)果,實(shí)線是一條負(fù)指數(shù)曲線.在工程實(shí)踐中,常取通話保持時間t為負(fù)指數(shù)分布n其中 為平均保持時間.它的累積分布 )7 . 2(01)(/tehtpavhtavavh為或保持時間不大于單位時間的概率,即在單位時間內(nèi)呼叫結(jié)束的概率為對它級數(shù)展開并忽略高次項(xiàng),得到有時,我們也將 稱為呼叫的離去率,相應(yīng)地把 稱為呼叫的到達(dá)率.于是式(2.4)可進(jìn)一步寫為A=/ erl (2.11)由式(2.10), 也可解釋為單個服務(wù)器在單位時間內(nèi)能夠處理的呼叫個數(shù)的最大值,)8 . 2(1)(/000avht

41、ettPtF)9 . 2(/00avhtettPavheF/11) 1 ()10. 2(/1avh因此式(2.11)表示了實(shí)到呼叫個數(shù)與服務(wù)器處理能力之比,代表了服務(wù)器的占用率.2.1.2 服務(wù)等級 交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的一個重要問題是,在給定平均話務(wù)量和所希望達(dá)到的呼損率后服務(wù)器的個數(shù)如何確定?換句話說,在已知平均話務(wù)量和服務(wù)器的個數(shù)后系統(tǒng)的呼損率是多少?呼損率有兩種定義:(1)時間擁塞率服務(wù)器全忙的概率.(2)呼叫擁塞率呼叫產(chǎn)生但無服務(wù)器空閑的概率.令服務(wù)器個數(shù)為M,P(k)表示k個服務(wù)器正n忙的概率,則時間擁塞率和呼叫擁塞率分別為P(M)和P(M+1).顯然,呼叫擁塞率小于時間擁塞率,但當(dāng)服務(wù)

42、器數(shù)量很大時,二者的差別很小.系統(tǒng)所能達(dá)到的呼損率常稱為服務(wù)等級簡記作gos(grade of service).顯然,它的計(jì)算與輸入話務(wù)量的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān).由上節(jié)三種用戶遇忙行為模型,可得到三種不同的計(jì)算結(jié)果:泊松分布,愛爾蘭-B公式和愛爾蘭-C公式.n1. 泊松(Poisson)分布 北美普遍采用泊松分布.這種分布是基于呼損保持(LCH)的假設(shè),因此源產(chǎn)生的話務(wù)量不受服務(wù)器個數(shù)及其忙閑的影響.n設(shè)有N個源,共同產(chǎn)生話務(wù)量A erl,則由式(2.4),每個源所產(chǎn)生的話務(wù)量,亦即每個源忙的概率為 p=A/N (2.12)n顯然,N個源中恰好有k個源忙的概率服從二項(xiàng)分布,即n當(dāng)N時,n代入式(2.

43、13),我們得到泊松公式)!( !)13. 2()1 ()()1 ()(kNkNCNANACppCkPNkkNkNkkNkNk其中AkNkNkeNAkNC)1 (!n圖2-6給出了當(dāng)A=5 erl,N=20和N 時, P(k)的分布.不難看出,當(dāng)k13時,P(k)可以忽略不計(jì).因此,盡管有20個源,但我們只需提供13個服務(wù)器,即可使源在呼叫時發(fā)現(xiàn)無服務(wù)器空閑的概率足夠小.n在已知話務(wù)量A和服務(wù)器個數(shù)M,且源的個數(shù)NM的條件下,由式(2.14)可求得時間擁塞率為n上式稱為摩立那(Molina)公式.在已知輸入話務(wù)量和服務(wù)等級后,服務(wù)器的個數(shù)常通)14. 2(!)(NekAkPAk)15. 2(!

44、AMkkTekAB過查表獲得.表2-2給出了gos分別為0.1,0.01和0.001,話務(wù)量為13000erl時,所需服務(wù)器的數(shù)量.n2.愛爾蘭-B(Erlang-B)公式 愛爾蘭-B公式乃基于呼損清除(LCC)的假設(shè).設(shè)系統(tǒng)有N個源,M個服務(wù)器.如果每隔時間t觀測被占用服務(wù)器的個數(shù)一次,只要t取得足夠小,兩次觀測到的個數(shù)相差應(yīng)不超過1.于是系統(tǒng)中服務(wù)器占用個數(shù)的變化過程可用圖2-7中的狀態(tài)圖來表示.這是一種特殊的馬爾可夫(Markov)過程,稱為“生死過程”(birth-death).圖中 表示系統(tǒng)中恰好有n個服務(wù)器正忙的狀態(tài).由于時間間隔足夠小,系統(tǒng)每次只能從一個狀態(tài) 轉(zhuǎn)移到與其相鄰的狀態(tài)

45、 或 ,nkk-1k+1n由狀態(tài) K 轉(zhuǎn)移到更遠(yuǎn)狀態(tài)的概率可以忽略不計(jì).由狀態(tài) 轉(zhuǎn)移至 的概率被記作 ,至k-1的概率記作 , 狀態(tài)不變,即未發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率為 (圖中未畫出).現(xiàn)在我們需要求出系統(tǒng)處于任一狀態(tài)k的概率P(k).首先,我們通過一個例子說明生死過程的狀態(tài)過渡和平衡概念.n 圖2.7 LCC服務(wù)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程kk+1kkkk1n例2.2 一個二狀態(tài)單服務(wù)器系統(tǒng)的狀態(tài)如圖2-8(a)所示.其狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可寫成矩陣形式n其中 為i個周期時系統(tǒng)所處的狀態(tài).設(shè)開機(jī)時系統(tǒng)處于狀態(tài)0,即 其中 和 分別是系統(tǒng)在第0個周期恰好位于0和1的概率. 在第1個周期結(jié)束時,系統(tǒng)處于各狀態(tài)的概率應(yīng)是7

46、. 03 . 01 . 09 . 011) 1|1() 1|0()0|1()0|0(11001111iiiiiiiissPssPssPssPTis01 ) 1 ()0(000PPP)0(0P) 1 (0Pn在第二周期結(jié)束時n重復(fù)進(jìn)行,我們最終得到如圖2-8(b)所示.此時我們稱系統(tǒng)已達(dá)到平衡狀態(tài).通過轉(zhuǎn)移邊界的概率之代數(shù)和為n當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)后,通過轉(zhuǎn)移邊界的概率相等.即1.09.07.03.01.09.00101TPP16. 084. 0 .201270301090109070301090102TPTPP25. 075. 00TPP) 1 ()0(03 . 025. 01 . 075. 0

47、) 1 ()0(1010PPPP或)16. 2()() 1(1kPkPkkn由(2-16)得 利用遞推方法,可得到n其中n利用 得到由式(2.4)和(2.5),每個源的呼叫強(qiáng)度為當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)k時,呼叫強(qiáng)度或呼叫到達(dá)率為) 1()(1kPkPkk)17. 2()0()0()(11021PaPkPkkkkk)18. 2(21110kkka1)0(0PaMkk)19. 2()(0MiikaakPNhAavv)20. 2()(NkNhAkNavvkn由式(2.10),并考慮觀察間隔很小,因此對于i1,有 ,可求得呼叫離去率為n將式(2.20)和(2.21)代入式(2.18),可得n代入式(2.19)

48、,得n上式稱為恩格塞特(Engset)公式.當(dāng)N時,0i)21. 2(/avkhk)22. 2()(NkkkCNAa )23. 2()()()(0MiiNikNkNACNACkP! kNCkNkn式(2.23)變?yōu)閻蹱柼m-B(Erlang-B)公式n損失的總話務(wù)量為n愛爾蘭-B公式已被CCITT認(rèn)定為標(biāo)均(CCITT建議Q.80),得到除北美外世界各國的普遍采用.附錄A給出了計(jì)算愛爾蘭-B公式的BASIC程序.表2-3給出了gos分別為0.1,0.01和0.001,話務(wù)量為13000erl時,所需服務(wù)器的數(shù)量.)25. 2(!)(0MiikiAkAkPM0iiMiAMA!)( MPBTn對于一

49、定的話務(wù)量范圍,有時也采用計(jì)算服務(wù)器數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)公式nM=5.5+1.17A gos=0.01 (2.26)nM=7.8+1.28A gos=0.001 (2.27)n它們在5erlA 50erl之間相當(dāng)準(zhǔn)確(1個服務(wù)器).n3.愛爾蘭-C(Erlang-C)公式n 愛爾蘭-C公式則是基于呼損延遲(LCD)的假設(shè).此時系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程可用圖2-9表示.系統(tǒng)有M個服務(wù)器,Q個等待存儲器.如果呼叫到達(dá)時,M個服務(wù)器全忙,則該呼叫被置于等待隊(duì)列中.設(shè)N,則由式(2.20),有n代入式(2.18),得到 n將上式代入式(2.19),得)29.2(/)28.2(/QMkMhMMkhkhAavavkavk

50、)30.2()(!/QMkMMAMAMkkAaMkMkk)31.2()(!)!/()(!/)(010010QMkMMAMAiAMMAMkMAMAiAkAkPQjjMMiiMkkQjjMMiik 設(shè)等待隊(duì)長Q,則有在一般情況下,Q應(yīng)足夠大,以使等待隊(duì)列滿員或存儲器溢出的概率充分小.表2-4給出了等待存儲器溢出概率P(M+Q) 時,各種話務(wù)量和服務(wù)器數(shù)量所對應(yīng)的等待)33. 2()(!)!/()(!/)()32. 2()(10100QMkMAMMMAiAMMAMkAMMMAiAkAkPAMMMAMiMiMkkMiMikjj于是810隊(duì)列的長度.例如,當(dāng)輸入話務(wù)量為5erl時,如取服務(wù)器個數(shù)為15(

51、M/A=3),則等待隊(duì)長不小于9.表2-5給出的是單個服務(wù)器的情況下,不同話務(wù)量所需的存儲單元數(shù).n通常,LCD系統(tǒng)的呼損率,即存儲器溢出率可忽略不計(jì),系統(tǒng)性能主要用延遲時間來微量.可以證明,當(dāng)排隊(duì)消息按先到先服務(wù)(FIFOFirst In First Out)的原則處理時,系統(tǒng)的平均隊(duì)長為n于是每消息的平均延時為)34. 2(1)(0jAMjMjPq)35. 2()(AMMhMqhdavav例2.3 已知一數(shù)字信令信道的傳輸速率為64kb/s,每條話路平均每小時產(chǎn)生20條信令消息,每消息長200bits.信令系統(tǒng)采用LCD設(shè)計(jì).當(dāng)設(shè)計(jì)容量為0.4erl時,每條信令信道可傳送多少條話路的信令,

52、所需的存儲容量和平均延時又各是多少?解:每話路產(chǎn)生的信令話務(wù)量為每條信令信道可載話路數(shù)為由表2-5可查得,等待隊(duì)長為Q=20相應(yīng)的存儲容量應(yīng)為R=Q200=20200=4kberlA5110736.1640003600202002304010736.14.04.051AN平均延時可由式(2.35)求得為n2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)n一個nm(n條入線,m條出線)的交換器可表示成如圖2-12(a)所示.當(dāng)交點(diǎn)具有雙向傳輸?shù)哪芰r,也可以省去約一半交點(diǎn),變成如圖2-12(b)所示的三角形網(wǎng)絡(luò).相應(yīng)地,圖(a)中的交換器稱為矩形網(wǎng)絡(luò).由于數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)通常只能單向傳輸,本章討論矩形結(jié)構(gòu).圖2-12(c)(f)給

53、出了(a)中交換器的幾種常用的簡化表示方法.msAhdav2 . 54 . 0164000/2001n一個nm的矩形交換器共有nm個交點(diǎn).當(dāng)n和m很大時,交點(diǎn)數(shù)將變得很大. 在數(shù)字交換中,這意味著存儲器的存取速度必須很高,因而造成交換器制作困難,成本提高.為克服這一問題,大容量的交換器常用若干個較小的交換器組成.例如,當(dāng)N=2000,話務(wù)量為200erl時,為達(dá)到0.01的服務(wù)等級,由表2-3可查得服務(wù)器的個數(shù)為M=221,交點(diǎn)數(shù)為2000221=442000.如果將輸入的源分為兩組,使用2個交換器,每組1000個,則每組輸入話務(wù)量變?yōu)?00erl.再次利用表2-3,可求得每組的出線數(shù)應(yīng)為11

54、7.此時交點(diǎn)數(shù)減少為21000 117=234000,比單個交換器節(jié)省了208000個交點(diǎn).n但這種方法存在兩個問題:首先,服務(wù)器的總數(shù)由221增加到234.這時因?yàn)榻粨Q器變小后,效率會降低,造成在同樣輸入話務(wù)總量的情況下,服務(wù)器總數(shù)的增加;其次,兩組源無法互相享用對方的服務(wù)器.這些問題都可通過多級網(wǎng)絡(luò)解決.n2.2.1 多級網(wǎng)絡(luò)n實(shí)用中的多級網(wǎng)絡(luò)常是方形網(wǎng)絡(luò),即整個網(wǎng)絡(luò)的入線數(shù)與出線數(shù)相等.如果一個nn的交換器的n條出線如圖2-13那樣接至n個1m的交換器的入線,則第一級的每條入線將有nm條出線.于是這n+1個交換器構(gòu)成了一個n nm的交換網(wǎng)絡(luò).如果把第一級 n交換器增加到m個,同時把第二級

55、每個交換器的輸入線數(shù)也增加到m,我們可得到如圖2-14(a)所示的二級網(wǎng)絡(luò). 網(wǎng)絡(luò)的nm條入線中的任何一條均可與nm條出線中的任一條接通,因而它相當(dāng)于一個nm nm的交換器.但與單一的交換器相比,這種二級交換網(wǎng)絡(luò)有兩點(diǎn)重要的不同:首先,二級網(wǎng)絡(luò)每一對出,入線的接續(xù)需要通過兩個交點(diǎn)和一條級間鏈路,增加了控制交點(diǎn)閉合和搜尋空閑路徑的難度;其次,在單一交換器中,只要有一對出,入線空閑,交換器便總可將二者接通.但在二級網(wǎng)絡(luò)中,由于第一級的每一個交換器與第二級的每一個交換器之間僅存在一條鏈路,任何時刻在一對交換器之間只能有一對出,入線接通.例如,當(dāng)?shù)谝患壍谝粋€交換器的1號線與第二級第二個交換器的m號出線

56、接通時,第一級第一個交換器的任何其它入線都無法再與第二級第二個交換器的其余出線接通.這種雖然出,入線空閑,但因交換網(wǎng)絡(luò)級間鏈路被占用而無法接通的現(xiàn)象稱為網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞.交換器的級間鏈路稱為網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部鏈路.為便于表達(dá),圖2-14(a)中的網(wǎng)絡(luò)常畫成(b)的形式.n為便于計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞概率,假設(shè)整個交換網(wǎng)絡(luò)的輸入話務(wù)量為A,各交換器n每條出線的話務(wù)負(fù)荷相等,則每條內(nèi)部鏈路被占用的概率可近似為a=A/nm (2.36)n網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞率應(yīng)等于所需鏈路被占用的概率,因此n當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸入線數(shù)進(jìn)一步增加時,可按相同的方法將二級網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為三級,四級或更多級.圖2-15給出了一個三級網(wǎng)絡(luò).此時任何一個第一級

57、交換器與一個第三級交換器之間仍然只存在一條通路,但它現(xiàn)在由兩條級間鏈路級聯(lián)而成.因此,當(dāng)仍假設(shè)每條內(nèi)部鏈路的話務(wù)量是a時,每條鏈路空閑的概率是1-a.兩條鏈路均空閑,因而級聯(lián)鏈路空閑的概率為(1-a).因此,上述三級)37.2(aBin網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞率是比較式(2.37)和(2.38),n一般地說,當(dāng)按上述原則構(gòu)成交換網(wǎng)絡(luò)時,級數(shù)越多,內(nèi)部阻塞率將越高.n減小內(nèi)部阻塞率的一種方法是增加級間鏈路數(shù).圖2-16給出了這樣一種網(wǎng)絡(luò).由于級間鏈路增加到L條,內(nèi)部阻塞率將減少為n但此時第二級交換器將相應(yīng)地增大到LmLm.同理,一個L重連接的三級網(wǎng)絡(luò)的)38.2()1 (12aBi223)2()1 (1i

58、iBaaaaB)39.2(LiaB 內(nèi)部阻塞率將是nL重連接法的主要缺點(diǎn)在于,為減小網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞率,必須增大第二級交換器的容量.減小內(nèi)部阻塞率的另一種方法是采用混合級.圖2-17給出了這樣一種網(wǎng)絡(luò).它的前兩級是如圖2-14的二級網(wǎng)絡(luò),但第二級網(wǎng)絡(luò)的nm條出線并未像圖2-15那樣連到nm個交換器,而是僅連接了m個交換器.不難看出,第一級中任何一個交換器與第三級中的任一交換器之間現(xiàn)在有了n條鏈路.因此,網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞)40.2()1 (12LiaBn率下降為n網(wǎng)絡(luò)的任何一條入線經(jīng)第一級交換后將有n條出線,經(jīng)第二級交換后有nm條出線,而經(jīng)第三級后仍有nm條出線.為此,我們將前兩級稱為發(fā)散級,而第三

59、級稱為混合級.采用發(fā)散級的目的是使交換網(wǎng)絡(luò)滿足出,入線數(shù)量要求,而混合級則可改善網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞率. 式(2.37)(2.41)僅是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部阻塞率的近似計(jì)算公式.事實(shí)上,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部鏈路達(dá)到一定的數(shù)量時,可以完全消除內(nèi)部阻塞.圖2-18給出了一個三級無阻塞網(wǎng)絡(luò).第一級有3個59交換器,第二級有9個3 3交換器,而第三級有3個9 5交換器.)41. 2()1 (1 2niaBn現(xiàn)假設(shè)第一級的某個交換器A的一條空閑入線欲與第三級中的某個交換器B的一條空閑出線接通.在最壞的情況下,當(dāng)交換器A的入線希望接通時,它的其余4條入線已占用了它9條出線中的4條,于是這條入線尚有5條出線與交換器B相同.再假設(shè)交換

60、器B的其余4條出線均已占用,而它們使用的入線又恰好是A,B之間剩余5條鏈路中的4條,于是A,B之間僅存在一條通路.換而言之,只要網(wǎng)絡(luò)的出,入線空閑,則必存在內(nèi)部鏈路使二者連通.上述網(wǎng)絡(luò)稱為克勞斯(Clos)網(wǎng)絡(luò).n對于一般情況,Clos已證明,當(dāng)?shù)谝患売衜個交換器,每個交換器有n條入線,而第三級有k個交換器,每個有j條出線時,一個三級無阻塞網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足.n第一級有m個 n (n+j-1) 交換器n第二級有n+j-1個 m k 交換器n第三級有k個 (n+j-1)j 交換器n上述原則可推廣到任意奇數(shù)級網(wǎng)絡(luò).例如,將三級Clos網(wǎng)絡(luò)第二級中的每一個交換器都用一個三級Clos網(wǎng)絡(luò)代替,我們可得到一個五