1、n程 控 數 字 交 n 換 原 理 n 與 應 用n 朱世華 西安交通大學出版社n 2004年3月14次印刷n 主講人n艾尼瓦爾斯地克 前言n 隨著數字技術的發展和電子計算機的普遍應用,傳統的電話交換機正在發展成為一種能交換話音,數據和圖像等多種業務的通用性的通信網組網設備.傳統的機械式模擬交換機正逐步地被先進的程控數字交換機所取代.交換機的作用也由單一的鏈路接續變為能集信息交換,信息處理和信息數據庫為一體的大型復雜設備.由于程控交換機應用的廣泛性及所采用技術的先進性,它已成為各類信息處理與傳輸專業的必備知識.n本書從通信網的概念出發,介紹了程控數字交換機在現代通信網中的外部工作環境,由此引

2、出了交換機的內部基本組成,然后逐步對交換機的各個組成部分進行了較系統,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際交換系統作為例子,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用. 第一章 引論n1.1 交換與通信網n1.1.1點對點通信與通信網 通信的目的是實現信息的傳遞.在電信系統中,信息是以電信號的形式傳輸的.一個電信系統至少應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,計算機數據等轉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傳送至另一地點(例如,當傳輸媒介是一導

3、線時),或從一個時刻傳至另一時刻(例如,當傳輸媒介是一存儲器時).從通信網的觀點看,這樣一種僅涉及兩個終端的單向或交互通信稱為點對點通信.n 通信網n消息 消息n 圖1-1點對點通信系統終端傳輸媒介終端電信號電信號當存在多個終端,且希望它們中的任何兩個都可以進行點對點通信時,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.(1)當存在N個終端時需要N(N-1)/2條連線,即連線數量隨終端數的平方增加. 圖1-2 4個通信終端的全互連形式(2)當這些終端分別位于相距很遠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.每個終端通過一條專用線路與通信網的一個結點相連.通信網的作用是根據終端的要求,將一個終端發出的消息傳送給與網絡相連的任何其它一個或多個終端.通信網由必要的設備和傳輸媒介組成,這些設備和媒介統稱為網絡的資源.通常除網絡接口外,通信網的資源由所有終端共享.依照通信網的組成形式及所配備的資源數量,通信網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行點對點通信.n 通信網的內部結構和組成形式很多,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.目前全世界電話網所連接的電話機數目已超過6億門. 現行的電話網是根據話音通信的需要設計的,但由于它是那樣的普及,以致一些數據,圖像等非話業務,出于經濟上的考慮,也常采用話音帶信號形式(例如,利用調制解調器)通過電話網傳輸.隨著數字通信,計算機和超大規模集成電路(VLSI)技術的發展,傳統的電話網正在演變成為能同時傳輸各種高速,寬帶數據和圖像信號的數字通信網,即傳統的電話網正向著綜合業務數字網(ISDN)的方向發展.n1.1.2 交換式通信網 如圖1-4所示交換機中每一臺電話或通信終端通過一條專門的用戶環線(或簡稱為用戶線)與交換機中的相應接口連接.實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,屏蔽和防機械損傷的材料,形成所謂的雙股電纜 根據IEEE的定義,交換機應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,任一臺電話機均可請求交換機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釋放該鏈路.交換式通信網的一個重要優點是較易于組成大型網絡.例如,當終端數目很多,且分散在相距很遠的幾處時,可用交換機組成如圖1-5所示的通信網.網中直接與電話機或終端連接的交換機稱為本地交換機或市話交換機,相應的交換局稱為端局或市話局;僅與各交換機連接的交換機稱為匯接交換機.當距離很遠時,匯接交換機也稱為長途交換

7、機.交換機之間的線路稱為中繼線.顯然,匯接交換機可看作是一種僅具有網內通信功能的市話交換機.n 通信網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. 由終端向交換機發出通信請求,并提供被叫站標志(電話號碼),如果被叫站與主叫站不屬于同一臺本地交換機,則還應由主叫方交換機通過中繼線向被叫方交換機或中轉匯接機發送請求和電話號碼信號,直至各交換機在相應的主,被叫用戶線之間建立(接續)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內部建立的鏈路和中繼線進行通信.n3.釋放 任一方向本地交換機發出終止通信的命令,使鏈路涉及的各交換機釋放其內部鏈路和占用的中繼線,

8、供其它呼叫使用. 當然,如果因網絡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的信號的性質是不同的.在呼叫建立和釋放階段,用戶線和中繼線中所傳輸的是指導網絡接續或拆線的命令,而在消息傳輸階段,所有線路中傳輸的都是主,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的信號為信令,而消息傳輸階段的信號為消息.終端和本地交換機之間的信令稱為終端信令或用戶-網絡信令,交換機之間通過中繼線傳遞的信令稱為局間信令或稱為網絡內部信令.圖1-6是本局呼叫(即主,被叫終端連接著同一臺交換機)的一個例子,它說明了一次通話過程的三個階段,以及終端與交換機之間

9、的信令交互關系. 1.2 交換機的組成n 1.2.1交換網絡 交換網絡又稱為接續網絡,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需要使某一入線與某一出線連通.例如,當我們希望將3號用戶線與1號中繼線連通時,只需將網絡交點x接通.又如1號線用戶與2號線用戶通話時,只需將交點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過繩路互通外,還可與信令的收,發裝置連接.例如,將w點短接可使1號入線與記發器連通,由記發器記錄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條出線的網絡

10、,它有MN個交點,每個交點都可在控制系統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換成統一的機內信號,以便控制單元或交換網絡進行處理或接續.早期電話交換機的接口僅有檢測“摘機”信令的功能.用戶利用電話機自帶的電池或手搖發電機產生直流電壓,向交換機發出呼叫(摘機)信號,驅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話者口述,通知交換局內的話務員.這種自供電方式使得話機體積較大,電壓不統一,不便于維護.為此,人們改用由交換機統一饋電,這稱為供電方式.隨之而來的是至今仍在使用的轉盤撥號話機.圖1-9(a).是說明這種話機工作原理的示意圖.

11、電話線跨接到交換機接口中供電電源的兩端. 當電話掛機時,話機內的電鍵J1斷開,話機不消耗交換機電源.摘機后,J1閉合,話機中的送話器與交換機電源接通,獲得所需的工作電流.交換機可由此電流檢測到摘機狀態.此時電話號碼改用撥號盤發送:用戶順時針撥動號盤后,號盤在彈簧的作用下勻速回轉,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.當電話掛機時,交換機發出的鈴流通過電容C和電鍵J2,使電鈴發聲.用戶摘機后,J1接通,J2斷開,鈴聲停止.根據上述原理,與撥盤話機相對應的交換機接口至少應有下列一些功能:向話機饋電;檢測摘機直流信號;接收話機撥出的號碼,并將之傳送給控制系統的記發器;完

12、成用戶線與交換網絡之間的話音信號傳遞;向話機發送鈴流等.圖1-10給出了CCITT建議的程控數字交換機模擬電話接口的功能結構.除上述各功能外,圖中還包括防止外部高壓的過壓保護電路和實現模數變換的編解碼器等.各功能的作用及實現電路將在第五章介紹.n1.2.3 控制系統n 交換機在整個通信網的樞紐,因而它的控制系統除擔負著話路接續的控制外,還必須兼顧整個通信網的管理和控制.交換機控制系統的功能可分為兩大類:呼叫處理;運行,管理和維護.(OAM)n呼叫處理是交換機控制系統的基本功能,它主要按照信令的指示控制交換網絡完成接續和拆線,一般包括一下幾個方面:n(1)接收終端或其它交換機發出的信令.例如,及

13、時檢測到話機經接口系統發來的摘機信號;接收話機發出的電話號碼等.n(2)指導呼叫過程進行.例如,通過接口向話機發出撥號音,提示用戶撥號;或發出催掛音,促請用戶掛機等.n(3)根據接收到的信號,完成線路的接續和拆除.例如根據收到的電話號碼在交換網絡中選擇一條空閑的繩路,然后向交換網絡發出閉合相應交點的命令.收到掛機信號時,則應釋放相應的繩路與交換鏈路.n在OAM功能中,運行是指在具體安裝一臺交換機時,對它的配置和組態的控制.在現代交換機中,尤其在綜合業務通信網中,交換機必須為不同類型的終端或中繼線配備n不同的接口.操作員應能通過“運行”功能使控制系統事先了解交換機安裝的各接口的類型和參數.此外,

14、它還應知道各接口線所對應的地址(電話號碼等),整個交換機安裝了多少個終端和中繼線接口,等等. 管理主要對通信網中話務流量的控制.負責每一次呼叫選擇一條最合理的路由.維護包括對交換機各部分故障的檢測(發現故障),診斷(定位故障)和修復(排除故障).程控交換機的控制系統如同一般的計算機系統,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量都遠大于一般的計算機系統.圖1-11給出了一個典型的程控交換機控制系統的框圖.交換機操作人員通過維護終端進行OAM操作,例如調用某單元電路的故障診斷程序,修改說明各接口類型,狀態的數據(稱為局數據)等.CPU則根據

15、各用戶線或中繼線接口輸入的信令及系統中的局數據完成接續控制,輸入各種控制命令等.1.3 。交換技術的發展與分類n 自1878年第一臺交換機出現以來,交換機已經歷n了許多代.交換機的發展通常是由于交換器交點技術n或控制技術的發展而引起的.大多數交換機的名稱反n映了它所采用的某種新技術.本節將從接續技術,控n制方法和交換方式三個方面對交換機進行分類,同時n簡要地回顧一下各種交換機的發展過程,特點及所采n用的主要技術.n1.3.1 模擬交換與數字交換n模擬交換和數字交換是就交換器所接續的信號而言的,即模擬交換器所接續的是模擬信號,而數字交換器接續的是數字信號. 數字交換是數字技術,尤其是數字傳輸技術

16、發展的產物.早期的電話網是完全模擬的,即電話機產生的是模擬信號,用戶線和中繼線所傳輸的是模擬信號,交換機接續的也是模擬信號,如圖1-12(a)所示.隨著數字技術的發展和成熟,中繼系統首先采用了數字傳輸.數字傳輸有許多優點:再生誤碼少,傳輸距離遠,音質音量佳,易于(時分)復用,易于加密等.數字傳輸首先被引入到中繼傳輸中的原因是,中繼傳輸的距離一般較遠,話務傳輸量大,傳輸質量要求高,因而它最能充分地利用數字傳輸的優點.引入數字中續傳輸后,電話系統變為如圖 1-12(b)所示.因此,在市話交換機與中續線之間和匯接交換機與中續線之間,都必須有適當的模數(A/D)與數模(D/A)轉換. 在圖1-12(b

17、)中,由于模擬匯接交換機的存在,造成了二次模數,數模轉換,使得音質,音量下降,成本提高.為此,人們首先解決了匯接交換機的數字化問題,如圖1-12(c)所示.數字交換除能免除多次調制,解調外,還具有便于數字計算機控制,接續速度快,n可靠性高,便于模塊化設計,配置靈活,易于擴充等許多優點.因此,人們很快又設計出了數字式的市話交換機,見圖1-12(d).n 整個通信系統數字化的最后環節是完成用戶環線傳輸的數字化,實現綜合數字通信網(IDNIntegrated Digital Network).由于數字技術在終端中的普遍應用,IDN的建立將大大便利各類終端的入網.在圖1-12(e)中,市話交換機通過數

18、字環線連接了數字電話,計算機終端,圖像終端等各種不同的終端,這正是當前通信網發展的最高目標ISDN. 數字交換與模擬交換的接續方法有較大的不同.前面已經提到,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械的方式使交點連通.最早的磁石交換器通過人工插拔插賽來完成交點的通斷.此后先后出現了各種便于自動控制的交換器,其中較典型的有步進式,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,它們的效果都是相同的,即實現交點的機械閉合和斷開. 機械交換器的最大優點是交點的斷通阻抗比很大,且能實現雙向傳輸.它們的缺點是體積大,速度慢,壽命短,噪音高,可靠性較差

19、.為此,人們設計出了電子交換器.在這類交換器中,n交點的通斷是通過一個有源固體器件(如晶體管,晶閘管等)的導通和截止來實現的.電子交點的速度雖然遠比機械交點快,但它的斷通阻抗比常不如機械交點,因而必須注意防止因交點截止阻抗不夠高而引起串話.電子交點的其它缺點是,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 上述各種交點閉合式交換器即可以接續模擬信號,也可以接續數字信號.但實際中的數字交換器常不采用交點閉合方式,而是仿效計算機總線技術,首先將輸入的數字信號存儲在一個固定的n緩存器中,然后在控制系統的控制下讀出,經總線送到指定的輸出端.數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字計算機控制.數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,用戶首先用手搖發電機發出呼叫信號,使相應的用戶接口電路上的指示燈亮.話務員發現后,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,然后將鈴流發生器與被叫話路接通.被叫方摘機,指示燈亮后,話務員拆斷鈴流,接通繩路,使發,受話雙方通話.通話結束后,用戶掛機,接口指示燈滅,話務員折除繩路,完成一次通話過程.n 人工交換機的操作勞動強度大,接線速度慢,人工費用高

21、,交換機不易擴大,不利于保密.在1889年,史端橋(A.B.Strowger)發明了第一臺無需話務員接線的步進式自動交換機,并在三年后投入了使用.此后,隨著技術的發展,交換機的自動控制方式先后主要經歷了機電制,布控制和程控制三代.n 機電制控制系統的接續過程是依靠對進步電機等的控制來完成的.在布控系統中,存在許多由繼電器或電子器件構成的控制單元電路,接續中所需的邏輯功能是通過適當設計這些控制單元之間的布線來完成的.機電制和布控制交換機中的控制系統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處理,是人工交換機中話務員操作的自動化.n 程控交換機的全稱是“存儲程序控制”(SP

22、CStored Program Control)交換機.它是現代數字計算機,大規模集成電路和n數字傳輸技術的綜合產物.在SPC交換機中,控制系統依靠事先存儲在存儲器中的程序和數據引導微處理機對各種信令進行適當的處理,對交換網絡和接口實行必要的控制.由于微處理機功能的不斷增強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出功能時分齊全的交換機.n SPC技術的引入使交換機的控制功能發生了根本的變化.它除能明顯改善呼叫處理的速度,質量和效率外,還為網絡運行,管理和故障診斷的全面自動化提供了可能.n 采用SPC技術的最大優越性在于,它能僅n通過改動或增加軟件即達到改變交換機組態和工作性能的目

23、的.例如,交換機操作員可通過修改軟件關閉某個用戶線端口;開啟某個終端的數據通信權力;改變某態話機的電話號碼;甚至改變交換網絡的內容,等等.SPC對話務處理能力的改善主要表現在以下三個方面: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)提高用戶的應答能力.n(3)提高通話能力.n 現代程控交換機的功能常多達數十種.n這些功能雖為用戶帶來極大的方便,但卻對控制系統的設計提出了嚴重的挑戰.交換機的設計重點已從早期的以交換器設計為主轉移到了當前的以控制系統為主.n 在1959年,美國貝爾(Bell)實驗室首先提出了數字交換方案,并公布了實驗室樣機ESSEX(Experimental

24、Solid State Exchange)的試驗結果.此后,各國先后推出了各類數字和程控交換機,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 在電話網中,當用戶需要通話時,交換機在呼叫期間在發,受話機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,直至通話結束時才被釋放.當兩個用戶位于不同的端局時,必須由本地交換機和匯接交換機在兩個話機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絡鏈路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.但它有一個嚴重的缺點,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、話前同時準備就緒,且在通話期間不再能被其它用戶使用.在數據和計算機通信中,終端產生的數據通常是突發生的,即數據通常是成包地發生的,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濟.例如一個計算機操作人員每秒鐘僅能輸入1020個字符,但一條標準的數字話音信道可傳輸64kb/s=8000字符/s .因此,如果在數據通信中使用電路交換,則信道利用率可能低達0.1% .早期的數據通信常采用消息交換.在消息交換中,終端發出的消息,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.交換機首先將收到的信息存儲起來,并根據報頭中的地址信息計算路由,確定輸出線,待輸出線空閑時,再

26、將存儲的消息發出.這種交換方式又稱為存儲轉發.n 消息交換的主要優點是兩個終端間的線路和交換機不必同時空閑;中繼線的利用率很高;除交換機存儲器滿以外,消息不會丟失.但消息交換機通常要求有足夠大的存儲器,且存在一定的傳輸延時,例如,當一條消息的發送時間需要Ts,傳輸中需經過N次交換時,傳輸延時將不小于NTs.因此,當消息較長時,所要求的交換機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一次,消息交換每傳送一條消息接續一次,而分組交換則需為每個數據包接續一次.因此,就接續處理而言,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對點鏈路后,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據之后才開始接續線路,因此,傳輸和交換相對獨立,且傳輸時不必顧及后續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的接續處理負荷,有時也在數據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,因而相當于在通信網中建立起了一條虛擬鏈路.此后,數據傳輸仍按分組(包)進行,只是各交換機不必再為每個數據包計算傳輸路由. 表1-2中列出了交換機發展中一些具有代表性的交換機類型以及它們采用的主要技術.表中給出的只是

28、典型情況.例如,縱橫制交換機在后期也開始采用SPC控制,只是由于交換機結構的限制,這些SPC系統僅僅模仿了原布控制系統的邏輯,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立的交換網絡,包括網絡的內容設計,話務量理論,交換網絡的結構設計和數字交換網絡的實現方法等.接口和n控制系統與整個通信網的關系十分密切,因此在討論這兩部分內容之前,我們將用兩章的篇幅來介紹通信網.第三章介紹現存的國際和國內電話網的等級制結構,電話終端的編號制度,網內路由選擇,數字網的同步,以及公共網中必不可少的計費系統等.第四章介紹整個通信網的神經系統信令系統.它是實現全球電

29、話以及其它業務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,以及國際和國內通信網中的各種局間信令系統.第五章討論程控交換機的接口,包括信息終端和中繼系統的種類,相應的接口功能要求,接口的控制,以及它們的實現技術等.控制系統是程控交換的難點和重點,我們將在最后三章中討論.第六章討論控制系統的軟,硬件結構,主要特點及一般設計原理.第七章討論呼叫處理過程及其設計方法. 習題n1-1 在交換式通信網中,兩個終端的點對點通信都由哪些部分組成,與圖1-1中的系統相比有哪些異同之處?n答:n1.通信的目的是什么?一個電信系統由哪些部分組成?n2.什么叫點對點通信?n3.說明圖1-4.n4.通信網上兩

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 交換網絡n交換網絡的設計包括三個方面:n（1）在給定用戶條件(如用戶個數,電話使用的頻繁程度等)和希望達到的服務質量后,如何確定交換網絡的容量或入,出線數量;n(2)在已知網絡的容量后,如何設計網絡的結構;n(3)對于已知結構,如何實現數字接續,即將任意指定入線上的數字信號傳遞到任意指定的輸出線. n 2.1 話務理論基礎交換網絡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.例如在圖1-8中三條用戶線均可與中繼線接通,實現與遠端用戶通

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.我們把請求服務的用戶稱為源,而把中繼線,繩路,記發器等被請求對象統稱為服務器.在實際中,源的數目常大于服務器的數目.這是出于兩點考慮:n(1) 在通常情況下,每個用戶僅部分時間需要服務.換句話說,所有用戶同時需要服務的可能性很小. (2)用戶偶爾得不到服務或需要短時間等待是可以容忍的.顯然,一個系統應配備的服務器數量與用戶對服務的需求及所期望的服務質量直接有關.為此,有必要對服務需求和服務質量加以定量的描述. 2.1.1 話務量 在電話交換系統中,把源對服務器的需求量稱為源的話務量而將服

32、務器所負擔的話務量稱為話務負荷,其定義是:n在時間T內,一個源(或服務器)所產生的(所負擔的)話務量等于該期間內各次服務持續時間之總和.顯然,話務量與兩個因素有關:需求的頻繁程度(稱為呼叫強度)和每次服務所持續的時間(稱為呼叫保持時間).設在所考查的時間T內,共發生了n次呼叫,每次呼叫的平均保持時間為 ,則根據定義,話務量應為 為了計算話務量密度,定義話務流量為其中 = n / T (2.3)是源的呼叫強度或單位時間內的平均呼叫次數, 是平均保持時間.話務流量代表了單位時間內服務時間之總和,它表現了單個源或服務器的占用率,永遠小于或等于1.話務流量的單位是愛爾蘭(Erlang),avh) 1

33、. 2()(hnhAavT)2 . 2()(/11愛爾蘭erlhTnhTAAavavTavh話務量的量綱是時間,而話務流量是無量綱的.n 當話務量由N個統計特性相同的源產生時,話務流量變為其中 = N (2.5)是N個源產生的呼叫強度或單位時間內產生的平均呼叫次數. 由于A是一個服務器的占用率,A=NA代表了在任何時刻處于占用狀態的服務器的平均個數.)4 . 2(11erlhhNNAAavavn另一方面,根據 ,A又等于在 期間,呼叫產生的平均個數.由于被占用的服務器的平均個數不隨時間而變,因而A還代表了在 期間,呼叫結束的平均個數.n例2.1 設一個源在2小時內共發生了4次呼叫,各次呼叫持續

34、時間依次為600s,100s, 900s 和200s.則平均呼叫持續時間為話務量為話務流量為呼叫強度為 = n/T=2次/h 當有20個相同的源時,呼叫強度變為avhAavhavhhshav125. 04504/ )200900100600(hnhAavT5 . 0125. 04erlTAAT25. 02/5 . 0/1n = N =202=40次/hn話務流量變為n在式(2.4)中,如果取呼叫強度的單位為次/h,保持時間的單位為100s;我們可得到計量話務流量的另一種單位: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,二者之間的關系為1erl

35、=36ccs (2.6) 在以下討論中,我們主要使用話務流量.在不致引起誤解的情況下,我們也常把話務流量簡稱為話務量.根據以上討論,在已知和 的情況下,由式(2.4)計算話務量并不困難.但在實際中erlhAav5125. 040avhn 和h都是隨時間和用戶行為隨機變化的.因而分析和h的統計特性常變得極其困難.呼叫強度主要受到下列一些因素的影響:n(1)時間 呼叫強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量通常較多,而星期日則較少.每天內上午8:3011.00則會出現一個呼叫高峰.圖2-1和圖2-2給出了這兩種變化的典型統計結果.此外,呼叫強

36、度還會在某些特定的時間或時刻,如學校開學,新年前夕等突然增加.n(2)突發事件 呼叫強度還會隨突發事件急劇增加.例如,當某地發生地震,或舉行大型運動會時,該地區的呼叫強度會突然增加.(3)話機普及率 每話機的呼叫強度與該地區的話機普及率,即人均占有的話機數成反比.在安裝話機密度較小的地區,電話的利用率較高,因而呼叫強度相應較大.(4)用戶遇忙時的表現 當用戶呼叫卻遇到網絡或受話方正忙時,有些用戶立即放棄呼叫,有些則會不斷地重撥,造成系統擁塞時呼叫強度猛增.這些未成功的呼叫雖不占用交換網絡的資源,卻會大大增加控制系統的呼叫處理負荷.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.圖中假設三個源用一個服務器.(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2號源于t2時刻產生呼叫時,發現服務器正忙,于是立即放棄呼叫請求,不再出現(呼叫2被清除);(c)顯示了呼損保持時的情況.n當呼叫2產生時,服務器正忙,呼叫受損,但仍認為呼叫2將保持到原定時間才結束.因此在服務器的負荷中,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:源話務量服務器負荷=成功處理的話務量LCH:源話務量服務器負荷成功處理的話務量 LCD:源話務量=服務器負荷=成功處理的話務量 在呼損延遲系統中,只要輸入話務量不大于服務器的個數,呼叫將不會丟失.此時n延遲時間將變成一個重要指標.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據交換或數字電話交換中的信令系統.n(5) 費率 通話費率同樣會引起呼叫強度的波動.例如在我國,每天21:00以后,由于長途電話費率減半,可能會出現一個長途呼叫的高峰.呼叫保持時間h同樣會因費率和同用戶習慣而不同.除此之外,它還與下列因素有關:n通

39、話性質 在通常情況下,公務對話保持時間較短,而私人電話則一般通話時間較長.n通話距離 統計表明,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計曲線.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計數據.由表可見,因系統忙或因受話方無人應答而n失敗的呼叫保持時間的均值分別為28.9s和62.8s.應當指出,這些數據同樣與被統計用戶的情況有關.例如,對于電話不夠普及,用戶操作不熟練的地區,上述數值可能增加.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撥號和振鈴

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計曲線.其中黑點為實測結果,實線是一條負指數曲線.在工程實踐中,常取通話保持時間t為負指數分布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,即在單位時間內呼叫結束的概率為對它級數展開并忽略高次項,得到有時,我們也將 稱為呼叫的離去率,相應地把 稱為呼叫的到達率.于是式(2.4)可進一步寫為A=/ erl (2.11)由式(2.10), 也可解釋為單個服務器在單位時間內能夠處理的呼叫個數的最大值,)8 . 2(1)(/000avht

41、ettPtF)9 . 2(/00avhtettPavheF/11) 1 ()10. 2(/1avh因此式(2.11)表示了實到呼叫個數與服務器處理能力之比,代表了服務器的占用率.2.1.2 服務等級 交換網絡設計中的一個重要問題是,在給定平均話務量和所希望達到的呼損率后服務器的個數如何確定?換句話說,在已知平均話務量和服務器的個數后系統的呼損率是多少?呼損率有兩種定義:(1)時間擁塞率服務器全忙的概率.(2)呼叫擁塞率呼叫產生但無服務器空閑的概率.令服務器個數為M,P(k)表示k個服務器正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,但當服務

42、器數量很大時,二者的差別很小.系統所能達到的呼損率常稱為服務等級簡記作gos(grade of service).顯然,它的計算與輸入話務量的統計特性有關.由上節三種用戶遇忙行為模型,可得到三種不同的計算結果: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,因此源產生的話務量不受服務器個數及其忙閑的影響.n設有N個源,共同產生話務量A erl,則由式(2.4),每個源所產生的話務量,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分布,即n當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A=5 erl,N=20和N 時, P(k)的分布.不難看出,當k13時,P(k)可以忽略不計.因此,盡管有20個源,但我們只需提供13個服務器,即可使源在呼叫時發現無服務器空閑的概率足夠小.n在已知話務量A和服務器個數M,且源的個數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.在已知輸入話務量和服務等級后,服務器的個數常通)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,話務量為13000erl時,所需服務器的數量.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.設系統有N個源,M個服務器.如果每隔時間t觀測被占用服務器的個數一次,只要t取得足夠小,兩次觀測到的個數相差應不超過1.于是系統中服務器占用個數的變化過程可用圖2-7中的狀態圖來表示.這是一種特殊的馬爾可夫(Markov)過程,稱為“生死過程”(birth-death).圖中 表示系統中恰好有n個服務器正忙的狀態.由于時間間隔足夠小,系統每次只能從一個狀態 轉移到與其相鄰的狀態

45、 或 ,nkk-1k+1n由狀態 K 轉移到更遠狀態的概率可以忽略不計.由狀態 轉移至 的概率被記作 ,至k-1的概率記作 , 狀態不變,即未發生轉移的概率為 (圖中未畫出).現在我們需要求出系統處于任一狀態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過渡和平衡概念.n 圖2.7 LCC服務系統的狀態轉移過程kk+1kkkk1n例2.2 一個二狀態單服務器系統的狀態如圖2-8(a)所示.其狀態轉移概率可寫成矩陣形式n其中 為i個周期時系統所處的狀態.設開機時系統處于狀態0,即 其中 和 分別是系統在第0個周期恰好位于0和1的概率. 在第1個周期結束時,系統處于各狀態的概率應是7

46、. 03 . 01 . 09 . 011) 1|1() 1|0()0|1()0|0(11001111iiiiiiiissPssPssPssPTis01 ) 1 ()0(000PPP)0(0P) 1 (0Pn在第二周期結束時n重復進行,我們最終得到如圖2-8(b)所示.此時我們稱系統已達到平衡狀態.通過轉移邊界的概率之代數和為n當系統達到平衡狀態后,通過轉移邊界的概率相等.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),每個源的呼叫強度為當系統處于狀態k時,呼叫強度或呼叫到達率為) 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N時,0i)21. 2(/avkhk)22. 2()(NkkkCNAa )23. 2()()()(0MiiNikNkNACNACkP! kNCkNkn式(2.23)變為愛爾蘭-B(Erlang-B)公式n損失的總話務量為n愛爾蘭-B公式已被CCITT認定為標均(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,話務量為13000erl時,所需服務器的數量.)25. 2(!)(0MiikiAkAkPM0iiMiAMA!)( MPBTn對于一

49、定的話務量范圍,有時也采用計算服務器數量的經驗公式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之間相當準確(1個服務器).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.此時系統的狀態轉移過程可用圖2-9表示.系統有M個服務器,Q個等待存儲器.如果呼叫到達時,M個服務器全忙,則該呼叫被置于等待隊列中.設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 設等待隊長Q,則有在一般情況下,Q應足夠大,以使等待隊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,各種話務量和服務器數量所對應的等待)33. 2()(!)!/()(!/)()32. 2()(10100QMkMAMMMAiAMMAMkAMMMAiAkAkPAMMMAMiMiMkkMiMikjj于是810隊列的長度.例如,當輸入話務量為5erl時,如取服務器個數為15(

51、M/A=3),則等待隊長不小于9.表2-5給出的是單個服務器的情況下,不同話務量所需的存儲單元數.n通常,LCD系統的呼損率,即存儲器溢出率可忽略不計,系統性能主要用延遲時間來微量.可以證明,當排隊消息按先到先服務(FIFOFirst In First Out)的原則處理時,系統的平均隊長為n于是每消息的平均延時為)34. 2(1)(0jAMjMjPq)35. 2()(AMMhMqhdavav例2.3 已知一數字信令信道的傳輸速率為64kb/s,每條話路平均每小時產生20條信令消息,每消息長200bits.信令系統采用LCD設計.當設計容量為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:每話路產生的信令話務量為每條信令信道可載話路數為由表2-5可查得,等待隊長為Q=20相應的存儲容量應為R=Q200=20200=4kberlA5110736.1640003600202002304010736.14.04.051AN平均延時可由式(2.35)求得為n2.2 網絡結構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.當交點具有雙向傳輸的能力時,也可以省去約一半交點,變成如圖2-12(b)所示的三角形網絡.相應地,圖(a)中的交換器稱為矩形網絡.由于數字交換網絡通常只能單向傳輸,本章討論矩形結構.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.當n和m很大時,交點數將變得很大. 在數字交換中,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N=2000,話務量為200erl時,為達到0.01的服務等級,由表2-3可查得服務器的個數為M=221,交點數為2000221=442000.如果將輸入的源分為兩組,使用2個交換器,每組1000個,則每組輸入話務量變為100erl.再次利用表2-3,可求得每組的出線數應為11

54、7.此時交點數減少為21000 117=234000,比單個交換器節省了208000個交點.n但這種方法存在兩個問題:首先,服務器的總數由221增加到234.這時因為交換器變小后,效率會降低,造成在同樣輸入話務總量的情況下,服務器總數的增加;其次,兩組源無法互相享用對方的服務器.這些問題都可通過多級網絡解決.n2.2.1 多級網絡n實用中的多級網絡常是方形網絡,即整個網絡的入線數與出線數相等.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個交換器構成了一個n nm的交換網絡.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也增加到m,我們可得到如圖2-14(a)所示的二級網絡. 網絡的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,這種二級交換網絡有兩點重要的不同:首先,二級網絡每一對出,入線的接續需要通過兩個交點和一條級間鏈路,增加了控制交點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.但在二級網絡中,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,當第一級第一個交換器的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,但因交換網絡級間鏈路被占用而無法接通的現象稱為網絡的內部阻塞.交換器的級間鏈路稱為網絡的內部鏈路.為便于表達,圖2-14(a)中的網絡常畫成(b)的形式.n為便于計算網絡的內部阻塞概率,假設整個交換網絡的輸入話務量為A,各交換器n每條出線的話務負荷相等,則每條內部鏈路被占用的概率可近似為a=A/nm (2.36)n網絡的內部阻塞率應等于所需鏈路被占用的概率,因此n當網絡的輸入線數進一步增加時,可按相同的方法將二級網絡擴展為三級,四級或更多級.圖2-15給出了一個三級網絡.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,但它現在由兩條級間鏈路級聯而成.因此,當仍假設每條內部鏈路的話務量是a時,每條鏈路空閑的概率是1-a.兩條鏈路均空閑,因而級聯鏈路空閑的概率為(1-a).因此,上述三級)37.2(aBin網絡的內部阻塞率是比較式(2.37)和(2.38),n一般地說,當按上述原則構成交換網絡時,級數越多,內部阻塞率將越高.n減小內部阻塞率的一種方法是增加級間鏈路數.圖2-16給出了這樣一種網絡.由于級間鏈路增加到L條,內部阻塞率將減少為n但此時第二級交換器將相應地增大到LmLm.同理,一個L重連接的三級網絡的)38.2()1 (12aBi223)2()1 (1i

58、iBaaaaB)39.2(LiaB 內部阻塞率將是nL重連接法的主要缺點在于,為減小網絡的內部阻塞率,必須增大第二級交換器的容量.減小內部阻塞率的另一種方法是采用混合級.圖2-17給出了這樣一種網絡.它的前兩級是如圖2-14的二級網絡,但第二級網絡的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在有了n條鏈路.因此,網絡的內部阻塞)40.2()1 (12LiaBn率下降為n網絡的任何一條入線經第一級交換后將有n條出線,經第二級交換后有nm條出線,而經第三級后仍有nm條出線.為此,我們將前兩級稱為發散級,而第三

59、級稱為混合級.采用發散級的目的是使交換網絡滿足出,入線數量要求,而混合級則可改善網絡的內部阻塞率. 式(2.37)(2.41)僅是網絡內部阻塞率的近似計算公式.事實上,當網絡的內部鏈路達到一定的數量時,可以完全消除內部阻塞.圖2-18給出了一個三級無阻塞網絡.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現假設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,只要網絡的出,入線空閑,則必存在內部鏈路使二者連通.上述網絡稱為克勞斯(Clos)網絡.n對于一般情況,Clos已證明,當第一級有m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,一個三級無阻塞網絡應滿足.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級網絡.例如,將三級Clos網絡第二級中的每一個交換器都用一個三級Clos網絡代替,我們可得到一個五