电路交换网络结构及工作原理.ppt

第 3 章 电路交换网络结构及工作原理,本章大纲要求： 1.基本要求 （1）熟练掌握电路交换网络结构与阻塞率计算 （2）熟练掌握数字交换器和数字交换网络的接续原理 （3）掌握多级数字交换网络的结构、性能 2.重点、难点重点：网络结构与阻塞率，T交换器和S交换器，TST网络难点：最佳网络结构，时分交换原理，多级网络接续原理 3.说明重点讲授原理，并结合实际应用介绍典型网络结构1,,关于电路交换,电路交换的基本任务是根据用户的呼叫请求提供端到端的连接通路，这是依靠一系列交换机协同动作来实现的就某一台交换机而言，它的任务只是按照要求将指定的输入端口与输出端口接通为了使每一个输入端口都能与任何一个输出端口连接，在交换机的内部需要有一个交换网络，又称为“接续网络”本章将讨论用于电路交换的交换网络的结构及工作原理交换网络可以分为空分交换网络和时分交换网络 在现代的程控交换机中普遍采用的是数字时分交换网络但数字时分交换网络的结构与模拟空分交换网络是等效的，所以我们将首先讨论模拟空分交换网络的结构然后深入讨论数字时分交换网络的结构及接续原理2,,3.1 空分交换网络,交叉接点是构成交换通路的重要器件，它的性能和造价直接影响到交换机的性能和价格。

在早期的机电式交换机中，交叉接点采用电磁器件（如继电器）电子交换机的交叉接点用电子开关器件实现交叉接点从功能上看，是一个连接开关，它有两种连接状态：通和断空分交换网络通常由多个空分交换器组成，空分交换器又由许多交叉接点和连线构成3. 1. 1 交叉接点与空分交换器,3,,以交叉接点为基础，可以构成多输入多输出的交换矩阵，称为空分交换器，交换器的两种常见表示方法如下图所示这种交换器属于单级交换网络，并且是无阻塞的一个nm交换器，具有n条入线和m条出线，第 i 条入线要和第 j 条出线连接，对应的交叉接点的开关必须被接通交换器的出线为所有入线共享，可以看成是输入负载的共用服务设备一个nm交换器共有nm个交叉接点，交换器的成本和交叉接点数成正比因此这种单级交换网络的规模(即入线数和出线数)不能太大交 换 器,4,,例 设话源数为1000，所产生的话务量为112e，要求服务等级(呼损率)为0.01，试设计满足要求的交换器 解：方法一 采用一个大型交换器根据题意，Em(112)=0.01 ，查表2.1得m=130，如图(a)方法二 采用两个小型交换器把话源分为两组，每组500个话源，话务量56e，服务等级仍为0.01， 即Em(56)=0.01，再查表得m=70，如图(b)。

5,交换器设计举例,,两种方法的比较,• 首先比较所需的交叉接点数：方法一： 1000130＝130000 (个)方法二： 2 500 70＝70000 (个)显然，在同等服务质量条件下，方法二减少了60000个交叉接点 • 但方法二带来了两个问题：1) 服务器的总数由130增加到了140，在话务量不变的情况下，服务器的效率降低了2) 两组负载源无法相互享用对方的服务器解决以上两个问题的方法是采用多级交换网络6,,多级网络可以扩大选择范围，大型交换机均采用多级网络结构网络的结构形式多种多样，除了级数不同外，级间的连线方式也可能不同下图所示的两级网络，其第一级由 m 个 nn 交换器组成，第二级由 n 个 mm 交换器组成可以看出，该网络是一个容量为nmnm的全利用度网络3.1.2 多级交换网络,7,,仔细观察两级交换器之间的连线，第一级每个交换器和第二级每个交换器之间只有一条连线这样，从任一入线到任一出线，中间的链路只有一条显然，该网络的内部阻塞率较大再者，第一级的任意指定交换器和第二级的任意指定交换器之间只能建立一个连接，使得指定交换器上的其它出入线之间无法再建立连接。

只有增加网络内部的链路数，才能降低网络的内部阻塞率，下面做进一步的讨论网络结构分析,8,,下图给出一种内部有L条链路的两级网络，但带来的问题是第二级交换器的容量相应地增大为Lm×Lm，给交换器的设计和制作带来困难Ｌ重连接法,简化表示图,9,,另一种能有效降低网络内部阻塞率的方法是采用混合级下图给出了一个带有混合级的三级网络不难发现，这种网络中的第一级交换器和第三级交换器之间有n条链路可供选择网络的任何一条入线经第一级交换后将有n条出线，经第二级交换后有nm条出线，而经第三级后仍是nm条出线为此，我们将前面两级称为发散级，第三级称为混合级采用混合级的三级网络,10,,当网络的内部链路数达到一定数量时，可以完全消除内部阻塞下图给出了一个三级无阻塞网络，这种网络又称为克劳斯(Clos)网络如何判断网络是无阻塞的？要看在最不利占用情况下，能否提供内部链路无阻塞网络,11,,假定第一级某交换器有三条入线占用，还有一条入线空闲，又假定第三级某交换器的三条出现占用，还有一条出现空闲，最不利的情况是占用的的入线并非连接到假定占用的出线，即出入线的占用互不重复在这种情况下，如空闲入线能和空闲的出线连通，则该网络是无阻塞的，上面右图中给出了第一级交换器和第三级交换器之间的所有链路，黑圆点表示交换器，并注明了最坏的占用情况，可以看出这个时候还存在一条空闲的内部链路。

无阻塞网络,12,,无阻塞网络的设计,设一个三级网络的第一级有 m 个 nr 交换器第二级有 r 个 mk 交换器第三级有 k 个 rj 交换器则网络无阻塞的条件是：r≥n+j-1 clos证明上述原则可以推广到任意奇数级网络，如果把三级Clos网络的第二级中的每一个交换器，都用一个三级Clos网络代替，就可以得到一个五级Clos网络13,,多级网络的结构形式众多，什么样的结构形式最佳？塔卡基(Takagi)证明，一个具有 k个D级(发散级)和l个M级(混合级)的多级网络的最佳形式为(弧线表示混合关系)：,最佳网络结构,14,,研究表明，在相同条件下，应用多级网络结构可以得到比单级网络经济得多的交换系统为了提高交换设备的利用率，实用中的多级网络都是有阻塞的网络，而且随着网络级数的增加，其内部阻塞也随之增加网络的内部阻塞率是指在入线和出线空闲情况下，无空闲的内部链路把指定的入线和出线连通的概率要精确的计算网络阻塞率是一件很复杂的事情 ， 必须要掌握网络 中所进行的 随机过程的统计规律性，以及网络各级链路的占用概率分布。

在这里介绍一种近似计算方法——概率线性图法该方法简单、有效，是实际计算中最常用的方法概率线性图法基于两点假设：第一，网络中的链路占用是相互独立的；第二，网络中各条链路的负荷是均匀分配的3.1.3 网络阻塞率,15,,概率线性图法的原理是，首先根据网络的结构和工作方式，把从一条入线到指定出线的全部可能路径，用一线性图表示出来，每一路径的各段（链路）的占用概率为已知然后用简单的概率方法直接计算出从入线到出线的阻塞概率对于前面的两级网络，从入线到出线只有一条内部链路，假设整个网络承担的话务量为A， 则每条内部链路被占用的概率为A/(mn)，网络的内部阻塞率等于链路被占用的概率有 L 条内部链路的两级网络，网络的阻塞率等于L条内部链路同时全忙的概率，即[A/(nm)]L阻塞计算原理,16,,对于前面讨论的 DDM 三级网络，首先画出它的入线到出线的概率线性图，图中标明各段链路的占用概率，其中，每一条路径忙的概率为1-(1-a)2，网络的阻塞率等于n条内部路径同时全忙的概率，即：Bi=[1-(1-a)2]n （a1=a2=a=A/(nm)）,ＤＤＭ网络阻塞概率,17,,实际应用中的数字交换网络常具有右图的形式，由于每台终端产生的话务量较小，用户接口经集中器和扩张器与主网络相连。

集中比常在4:1与16:1之间3.1.4 交换网络举例,18,,集中器是一个n*m的网络，其中n>m,n/m叫做集中比，扩张器正好与集中器相反中继线属于共享资源，其话务量较大，中继接口不需要集中，直接与主网络相连但中继线是分方向的，因而常把中继接口分为群信令接收接口 接 收用户线和 中继线 输入的信令，并转交控制系统处理信令发送接口将控制系统产生的信令经交换网络送至指定的用户线或中继线主网络通常是一个多级方型网络，当接口的发送端连接主网络的第 k 号入线时，其接收端必定连接主网络的第 k 号出线，这种方法称为输入折叠，它为选线和控制带来方便接口与主网络,19,,交换机的阻塞概率计算比较复杂，当主网络采用某种最佳结构形式时，其内部阻塞率往往很小，可将主网络看成一个无阻塞网络因此，本局呼叫的阻塞率近似等于集中器的阻塞率 ， 可按 n 和 m 的大小关系，确定集中器 m条出线的占用概率分布，进而求得集中器的呼损对于出局呼叫，要考虑集中器的呼损和中继线的占用概率对于入局呼叫，仅考虑集中器 (扩张器) 的呼损转接呼叫的阻塞率只考虑中继线的阻塞率同理可求得信令收发的阻塞率交换机的阻塞概率,20,,交换机在实际安装中，主网络的出、入线数总是大于集中器、中继接口和信令收发接口三者所需的出、入线数，即,这样可以减小呼损，更有利于扩容。

对于不同用途的交换机，安装的各种接口数量不同市 话（端局）交 换 机 需安装大量的用户接口，而 长 途 交 换机和汇接交换机主要安装中继接口多用途的交换机按需要计算中继接口和用户接口的数量交换机的接口数量,21,M≥ MU+ MT+ MS,,Ｆ－１５０举例,22,,Ｆ－１５０举例 (续),假设 交换机用作市话交换，共安装了200000门，每部的话务量为0.1e，其中出入局呼叫占20%中继线全部连接至同一台汇接交换机，要求出局呼损率小于 0.001 试计算交换机的呼损率和应配置的中继接口数量 解：用户线产生的话务量AU为：AU=200000×0.1=20000 e中继线的话务负载AT为：AT=AU ×20%=4000 e主网络的出入线数为：M=1024×64=65536 线,23,,可取集中比 4:1 ，则集中器占主网络的出入线数目为： MU=200000×1/4=50000 线主网络内部链路的占用概率a为：a=AU /MU=0.4主网络的内部阻塞概率为：Bi= [1-(1-0.4)2]1024 < 10-100因此，主网络可以近似看成无阻塞网络，整个网络的阻塞由集中器的阻塞和中继器阻塞决定。

对于每个集中器，其承担的话务量为：Ac=1920×1/4×0.1=48 e集中器出线话路数为：m=120,Ｆ－１５０举例 (续),24,,Ｆ－１５０举例 (续),由爱尔兰呼损公式，可求得集中器的阻塞率为Bc=E120(48)=1.2×10-18因而，本局呼叫的呼损率近似等于集中器的阻塞率，即：BL=1.2×10-18对于出局呼叫的呼损率，它是由集中器的阻塞和中继器的阻塞共同形成由于集中器的阻塞远小于0.001，所以出局呼损主要由中继阻塞确定取 BT≈0.001， AT=4000 e由爱尔兰呼损公式，可求得所需配置的中继接口数量为：MT=4123 ，相应的链路负荷＝0.97注：从计算结果可以看出，主网络内部链路的负荷并不均匀，因此，上述计算数值只是初步的，还可以调整25,,3.2 数字时分交换网络,数字时分交换网络交换的是数字信号模拟信号首先要转换为数字信号然后才能进行交换模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换或数字化，而其反变换称为数模转换模数转换有各种方式，最基本的有PCM和ΔM两种PCM即脉冲编码调制，它是国际上最早出现的一种 模数转换方法，也是当前国际上普遍应用的一种方法。

只有掌握了PCM的原理和同步时分复用的帧结构，才能进一步理解数字时分交换器和多级数字时分交换网络的接续原理这里仅以话音信号为例说明模拟信号的数字化过程及同步时分复用原理。