交換單元及網(wǎng)絡(luò)

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2012-22.1語音信號(hào)數(shù)字化和時(shí)分復(fù)用基礎(chǔ)模擬信號(hào)：數(shù)值上連續(xù)變化的信號(hào)。如：語音~、圖象~

數(shù)字信號(hào)：離散的信號(hào)。在數(shù)字電話通信中數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法有多種，常見：脈沖編碼調(diào)制（PCM）：出現(xiàn)最早，目前國(guó)際上應(yīng)用最廣增量調(diào)制（△M）：電路簡(jiǎn)單，質(zhì)量不如PCM，應(yīng)用不廣模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)2-3/98

2012-2脈沖編碼調(diào)制(PCM)的幾個(gè)過程抽樣（以相等的時(shí)間間隔來抽取信號(hào)的瞬時(shí)值）話音頻率300-3400Hz抽樣要求：f抽樣≥2f信號(hào)抽樣頻率：8KHz(T=125us)

PAM（時(shí)間離散，幅度值無數(shù)）量化（對(duì)PAM信號(hào)分級(jí)取整）目的：減少編碼數(shù)，四舍五入

幅度離散要求：信噪比=10lg（信號(hào)功率/噪聲功率）≥26dB方法：均勻量化：大小信號(hào)的絕對(duì)誤差一樣

量化噪聲一樣

小信號(hào)的信噪比就很小，不能滿足S/N>26dB要求。非均勻量化(壓擴(kuò)法)：小信號(hào)，小間隔；大信號(hào)，大間隔：

A律，13折線，32路E1，歐、中。

律，15折線，24路T1，北美、日。2-4/98

2012-2

編碼：（對(duì)量化后的值編成二進(jìn)制碼）

PCM。 A律，8位編碼。常用的碼型：NRZ碼：只適于在機(jī)架內(nèi)部或鄰近機(jī)架間作短距離傳輸，不適合在線路中傳輸HDB3碼：適合長(zhǎng)距離傳輸濾波在信號(hào)的發(fā)送端，濾去模擬信號(hào)中不必要的信號(hào)在信號(hào)的接收端，把譯碼后的輸出恢復(fù)為信號(hào)波形

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2012-2抽樣量化50-50編碼000110100010110101011000….50-502-6/98

2012-2脈沖編碼調(diào)制(PCM)的整個(gè)過程為：濾波模擬信號(hào)抽樣、量化、編碼譯碼濾波模擬信號(hào)PCM信號(hào)我們把這一系列過程統(tǒng)稱為編譯碼和濾波，該功能由交換機(jī)的用戶電路完成2-7/98

2012-2數(shù)字化后對(duì)傳輸帶來的好處請(qǐng)大家思考：模擬信號(hào)的傳輸，其特點(diǎn)決定它需要全時(shí)傳輸。對(duì)數(shù)字信號(hào)，其特點(diǎn)可以對(duì)傳輸帶來什么好處？我們?cè)鯓永眠@個(gè)好處？2-8/98

2012-2時(shí)分多路復(fù)用在數(shù)字化的基礎(chǔ)之上，可以進(jìn)行數(shù)字時(shí)分多路復(fù)用。在數(shù)字化的過程中，如前所述，將信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行了離散，對(duì)語音信號(hào)采用8kHz進(jìn)行抽樣，那么在每?jī)纱纬闃又g的空閑時(shí)間，就可以用來傳輸其他話路的信號(hào)，這就是時(shí)分復(fù)用的基本思想。具體地說就是把時(shí)間分成均勻的時(shí)間間隔，將每一路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)間間隔內(nèi)，以達(dá)到互相分開的目的。這里每一路信號(hào)所占用的時(shí)間間隔稱為“路時(shí)隙”，簡(jiǎn)稱為“時(shí)隙”。如果復(fù)用路數(shù)為n，設(shè)第1路語音信號(hào)的一個(gè)抽樣值經(jīng)量化編碼后的8位碼占用第1時(shí)隙；同樣第2個(gè)話路的8位碼占用第2時(shí)隙，由此類推。這樣依次傳送，直到把第n路傳輸完畢后，再進(jìn)行第二輪傳送。每一輪稱為1“幀”。012310123101231F0F1F2抽樣量化編碼000110100010110101011001….50-5050-50D/APCM30/32路幀結(jié)構(gòu)F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F15TS0123456789101112131415161718192021222324252627282930311幀=32時(shí)隙，125us（8K）1復(fù)幀=16幀，2ms10011011000010/111110/111111abcdabcdabcdabcd幀對(duì)告碼同步時(shí)隙幀定位碼ReserveforNativeReserveforInternational區(qū)別奇偶幀第1路偶幀TS0奇幀TS0復(fù)幀定位復(fù)幀對(duì)告碼第15路第30路第16路F0F1F15！2-11/98

2012-2每一幀占125us,分為32個(gè)時(shí)隙，每個(gè)TS=3.9us每一時(shí)隙傳送8位碼，一幀為8×32=256bit每16幀形成一復(fù)幀，一復(fù)幀時(shí)間為125×16=2ms每一路話路的數(shù)據(jù)率為8/(125×0.000001)=64Kbps在PCM30/32系統(tǒng)中，一條PCM鏈路的數(shù)據(jù)率為

64×32=2.048Mbps

歸納如下：

在電路上按時(shí)間分割成等長(zhǎng)的時(shí)間單元（幀），在每幀里又按時(shí)間分成等長(zhǎng)的時(shí)隙，并按照時(shí)間順序編號(hào)，每幀中相同時(shí)間位置的時(shí)隙用來傳輸同一信元的信息。這種傳輸信道稱作位置化信道（時(shí)間化信道），即可通過時(shí)間（時(shí)隙）來判別信息屬于哪個(gè)話路。2-12/98

2012-2PCM高次群

PCM基群（一次群傳輸系統(tǒng)）

PCM30/32路系統(tǒng)：30個(gè)話路，2.048Mbps.中、歐洲

PCM24路系統(tǒng)：24個(gè)話路，1.544Mbps.日本、北美

PCM高群

為提高線路利用率，PCM基群系統(tǒng)可進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用。稱這些再經(jīng)多路復(fù)用的系統(tǒng)為高次群傳輸系統(tǒng)，依次為二次群系統(tǒng)、三次群系統(tǒng)等。高次群是由低次群經(jīng)過數(shù)字多路復(fù)接而構(gòu)成。所謂多路復(fù)接是指把各個(gè)群的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上重新進(jìn)行排列。二次群是由4個(gè)一次群經(jīng)過數(shù)字多路復(fù)接而成，三次群有4個(gè)二次群復(fù)接而成。

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2012-2歸納如下（以PCM30/32路系統(tǒng)為例）：話路數(shù)碼率(Mbps)一次群（基群）302二次群120（4×30）8三次群480（4×120）34四次群1920（4×480）1442-14/98

2012-2內(nèi)容提要2.1語音信號(hào)數(shù)字化和時(shí)分復(fù)用基礎(chǔ)2.2交換單元模型及其數(shù)學(xué)描述2.3基本交換單元2.4多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的核心是交換網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)的核心部件是基本交換單元。2-15/98

2012-22.2交換單元模型及其數(shù)學(xué)描述2.2.1交換單元模型2.2.2交換單元的數(shù)學(xué)描述2-16/98

2012-22.2.1交換單元模型交換單元的基本概念

交換單元是構(gòu)成交換網(wǎng)絡(luò)的最基本的部件，用若干個(gè)交換單元按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式就可構(gòu)成交換網(wǎng)絡(luò)。因此交換單元的功能也就是交換的基本功能，即在任意的入線和出線之間建立連接，或者說是將入線上的信息分發(fā)到出線上去。

不管交換單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何，總可以把它看作一個(gè)黑箱，對(duì)外的特性只有一組入線和一組出線，入線為信息輸入端，出線為信息輸出端。2-17/98

2012-201M-1N-101入線出線控制端狀態(tài)端2-18/98

2012-2交換單元的方向性0M-1入線出線0N-1（a）M×N有向交換單元（b）M×N無向交換單元0M-1入線出線0N-10N-1入出線（c）N無向交換單元2-19/98

2012-2集中式與擴(kuò)展式交換單元

集中式：入線數(shù)大于出線數(shù)(M＞N)，可稱集中器。擴(kuò)展式：入線數(shù)小于出線數(shù)(M＜N)，可稱擴(kuò)展器。01M-1N-10入線出線0M-1N-11入線出線0（a）集中式（b）擴(kuò)展式2-20/98

2012-2交換單元的性能指標(biāo)容量：交換單元的入線和出線的數(shù)目、其次是交換單元每個(gè)入端上可以送入的信息量。（模擬信號(hào)的帶寬、數(shù)字信號(hào)的速率等）接口：在不同的線路上允許傳送的信號(hào)往往不一樣，同樣，在不同的交換單元入端上可以接受的信號(hào)也往往不同。（模擬、數(shù)字、單向、雙向）功能：不同的交換單元功能不一樣。（全連接、部分連接，同發(fā)、廣播等）質(zhì)量：完成交換功能的情況（速度、阻塞率）；信息經(jīng)過交換單元的損傷（時(shí)延和誤碼率等）。2-21/98

2012-22.2.2交換單元的數(shù)學(xué)描述

把一個(gè)交換單元的一組入線和一組出線各看作一個(gè)集合，稱為入線集合和出線集合。并記為：入線集合：I＝{0，1，2，…，M-1}出線集合：O＝{0，1，2，…，N-1}定義：i∈I，即i是I的一個(gè)元；

o∈Oj，oj?O，即oj是O的一個(gè)子集，o是Oj的一個(gè)元，則集合c={i,Oj}為一個(gè)連接。其中，i為連接的起點(diǎn)，o∈Oj為連接的終點(diǎn)。即交換單元的一個(gè)連接就是入線集合I中的一個(gè)元i與出線集合O中的一個(gè)子集oj組成的集合。2-22/98

2012-2幾種連接情況若o∈Oj

，Oj中只含有一個(gè)元，則稱該連接為點(diǎn)到點(diǎn)連接。若o∈Oj

，Oj中含有多個(gè)元，則稱連接為點(diǎn)到多點(diǎn)連接。若一個(gè)交換單元可以提供點(diǎn)到多點(diǎn)連接，但Oj≠O，則稱其具有同發(fā)功能，即從交換單元的一條入線輸入的信息可以交換到多條出線上輸出若此時(shí)Oj＝O，則稱該交換單元具有廣播功能，即從交換單元的一條入線輸入的信息可以在全部出線上輸出。普通的電話通信只需要點(diǎn)到點(diǎn)連接，而像會(huì)議電視、有線電視等則需要同發(fā)和廣播功能。2-23/98

2012-2連接集合一個(gè)具有一組入線和一組出線的交換單元，上述定義的連接可以同時(shí)有多個(gè)，這就構(gòu)成了交換單元的連接集合。 其中： 起點(diǎn)集為： 終點(diǎn)集為：注意：這里所說的連接和連接集合應(yīng)該是對(duì)應(yīng)于某一時(shí)刻的。2-24/98

2012-2一個(gè)正在工作的交換單元，某一時(shí)刻處于某種連接集合C，不同時(shí)刻的連接應(yīng)該是可變的，連接集合也是可變的。若連接和連接集合固定不變，則意味著交換單元的入線和出線總是處在固定連接中，那么能夠連接任意入線和出線的交換基本功能也就無從談起了。當(dāng)然，這種改變需要通過某種控制方式才可進(jìn)行。一個(gè)交換單元可能提供的連接集合的數(shù)目越多，它的連接能力就越強(qiáng)。當(dāng)某一時(shí)刻，一個(gè)交換單元正處于連接集合C，若一條入線i∈Ic

，則稱該入線i處于占用狀態(tài)，否則為處于空閑狀態(tài)。若一條出線o∈Oj

，則稱該出線o處于占用狀態(tài)，否則為處于空閑狀態(tài)。2-25/98

2012-2連接函數(shù)每一個(gè)交換單元都可用一組連接函數(shù)來表示，一個(gè)連接函數(shù)對(duì)應(yīng)一種連接。連接函數(shù)表示相互連接的入線編號(hào)和出線編號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即存在連接函數(shù)f，在它的作用下，入線x與出線f(x)相連接，0≤x≤M-1，0≤f(x)≤N-1。連接函數(shù)實(shí)際反映了入線編號(hào)構(gòu)成的數(shù)組和出線編號(hào)構(gòu)成的數(shù)組之間對(duì)應(yīng)的置換關(guān)系或排列關(guān)系。所以，連接函數(shù)也被稱為置換函數(shù)或排列函數(shù)從集合角度來講，一個(gè)連接函數(shù)反映了入線集合和出線集合的一種映射關(guān)系。2-26/98

2012-21.函數(shù)表示形式

()0123456701234567均勻洗牌函數(shù)均勻洗牌連接2-27/98

2012-22.排列表示形式

排列表示形式也稱輸入輸出對(duì)應(yīng)表示形式。因?yàn)榻粨Q單元的連接實(shí)際上是各入線與各出線編號(hào)之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可以將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系一一羅列出來，表示為2-28/98

2012-2將入線編號(hào)順序排列，再對(duì)應(yīng)列出出線編號(hào)的表示形式，稱為出線排列形式入線排列形式表示N＝8的均勻洗牌函數(shù)可表示為：出線排列和入線排列可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：2-29/98

2012-2根據(jù)排列表示形式可以推出：對(duì)于一個(gè)N×N交換單元，N條入線和N條出線任意進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)連接。則該交換單元的一個(gè)連接集合就是N個(gè)自然數(shù)的1種排列；它所能提供的連接集合的個(gè)數(shù)就應(yīng)該是N個(gè)自然數(shù)的全排列，即為N!。因此，一個(gè)N×N交換單元最多可有N!個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)連接的連接集合。2-30/98

2012-23.圖形表示形式

將以十進(jìn)制數(shù)表示的入線編號(hào)與出線編號(hào)均按順序排列，左邊為入線編號(hào)，右邊為出線編號(hào)，再用直線連接相應(yīng)的入線與出線，即為連接函數(shù)的圖形表示形式。0123456701234567均勻洗牌連接

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2012-2內(nèi)容提要2.1語音信號(hào)數(shù)字化和時(shí)分復(fù)用基礎(chǔ)2.2交換單元模型及其數(shù)學(xué)描述2.3基本交換單元2.4多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的核心是交換網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)的核心部件是基本交換單元。2-32/98

2012-22.3基本交換單元2.3.1開關(guān)陣列基本原理在交換單元內(nèi)部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，最簡(jiǎn)單最直接的想法就是使用開關(guān)。在每條入線和每條出線之間都各自接上一個(gè)開關(guān)，所有的開關(guān)就構(gòu)成了交換單元內(nèi)部的開關(guān)陣列。開關(guān)陣列也是最基本、最直截了當(dāng)、最早使用的交換單元。0N-110M-112-33/98

2012-20M-1入線出線0N-1（a）M×N有向交換單元（b）M×N有向矩形開關(guān)陣列（c）M×N無向矩形開關(guān)陣列0N-110M-1入線出線10N-110M-1入線出線1開關(guān)陣列在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可排成方形或矩形二維陣列，并分別被稱為N×N方形開關(guān)陣列和M×N矩形開關(guān)陣列。2-34/98

2012-2開關(guān)陣列的特性（1）因?yàn)槊織l入線和每條出線的組合都對(duì)應(yīng)著一個(gè)單獨(dú)的開關(guān)，所以在任何時(shí)間，任何入線都可連至任何出線?？刂坪?jiǎn)單，具有均勻的延遲。（2）一個(gè)交叉點(diǎn)代表一個(gè)開關(guān)，因此通常用交叉點(diǎn)數(shù)目表示開關(guān)數(shù)目。因?yàn)閷?duì)指定入線和出線數(shù)的交換單元，其開關(guān)數(shù)反映了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和成本的高低，所以應(yīng)盡量減少交叉點(diǎn)數(shù)目。開關(guān)陣列適合于構(gòu)成較小的交換單元。（3）當(dāng)某條入線與其連接的所有出線間的一行開關(guān)部分或全部處于接通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)陣列很容易地實(shí)現(xiàn)了同發(fā)和廣播功能。反之，也很容易產(chǎn)生出線沖突。一列開關(guān)只能有一個(gè)處于接通狀態(tài)。（4）由于開關(guān)是開關(guān)陣列中的惟一部件，所以交換單元的性能依賴于所使用的開關(guān)。2-35/98

2012-2開關(guān)陣列的控制端和狀態(tài)端對(duì)開關(guān)陣列的控制端和狀態(tài)端，最簡(jiǎn)單的情況是每個(gè)開關(guān)都有一個(gè)控制端和狀態(tài)端，分別用于控制和表示開關(guān)的通斷狀態(tài)。此時(shí)一個(gè)M×N的交換單元共有M×N個(gè)控制端和M×N個(gè)狀態(tài)端。它們均為二值電平。M×N個(gè)控制信號(hào)可以排成一個(gè)方陣，稱為控制方陣。位于第i行第j列的元素Cij的值為1或0用于控制第i個(gè)入端和第j個(gè)出端之間接通或斷開。同理，狀態(tài)端也可同樣排成一個(gè)方陣。M×N個(gè)二值控制信號(hào)共有2MN種不同的組合，每種組合都是一種可能送入交換單元控制信號(hào)的取值。但并非2MN

個(gè)控制信號(hào)的取值都是允許的。如在不允許同發(fā)和廣播的時(shí)候，控制方陣中同一行的元素中只能有一個(gè)為1。因此它往往遠(yuǎn)小于2MN。2-36/98

2012-2實(shí)際開關(guān)陣列舉例（1）繼電器 繼電器常用于構(gòu)成小型交換單元。利用繼電器的吸合與斷開來控制交叉點(diǎn)。其交換單元應(yīng)是可雙向傳送信息的，并且模擬和數(shù)字信息均可以傳送。繼電器構(gòu)成交換單元的缺點(diǎn)：繼電器的動(dòng)作會(huì)對(duì)其他部件產(chǎn)生干擾和噪聲；繼電器的動(dòng)作較慢，一般為ms數(shù)量級(jí)；繼電器的體積較大，一般為cm數(shù)量級(jí)。2-37/98

2012-2（2）模擬電子開關(guān) 模擬電子開關(guān)利用半導(dǎo)體材料制成，取代繼電器構(gòu)成小型交換單元。如MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC142100和MC145100是4×4的電子開關(guān)陣列。與繼電器相比，其構(gòu)成的交換單元有如下重要特點(diǎn)：體積小。如構(gòu)成8×8交換單元的全部開關(guān)及其連線可以集成在一個(gè)芯片上；開關(guān)動(dòng)作比繼電器快得多。同時(shí)產(chǎn)生的干擾和噪音極小；信息在半導(dǎo)體材料中傳送，信號(hào)只能單方向傳送，并且衰耗和時(shí)延較大。2-38/98

2012-2（3）數(shù)字電子開關(guān) 它可以簡(jiǎn)單地用邏輯門構(gòu)成，用于數(shù)字信號(hào)的交換，其開關(guān)動(dòng)作極快并且沒有信號(hào)損失。2-39/98

2012-2（4）2×2交叉連接單元2-40/98

2012-2（5）多路選擇器

開關(guān)陣列與多路選擇器的等效2-41/98

2012-22-42/98

2012-2

空間接線器用來完成同步時(shí)分復(fù)用信號(hào)的不同復(fù)用線之間的交換功能，而不改變其時(shí)隙位置，簡(jiǎn)稱為S接線器。

功能：

S接線器完成不同復(fù)用總線(PCM線)間同一TS之間的交換;S接線器是通過控制存儲(chǔ)器控制電子交叉矩陣接點(diǎn)的閉合來實(shí)現(xiàn)TS在不同PCM間的交換的。組成結(jié)構(gòu)： 電子交叉矩陣(開關(guān)時(shí)間所要求) CM(控制存儲(chǔ)器）2.3.2空間交換單元S2-43/98

2012-2工作方式：輸入控制：CM組號(hào)對(duì)應(yīng)輸入HW

（控制線與輸入HW平行。）輸出控制：CM組號(hào)對(duì)應(yīng)輸出HW

（控制線與輸出HW平行。）CMC的容量：每組單元的數(shù)量等于其控制HW線上的時(shí)隙數(shù)。實(shí)質(zhì)：通過時(shí)間分割的手段來完成空間HW交換。注意：工作方式是針對(duì)交叉矩陣而言（CMC總是輸入控制）TS220431CMC0CMC1CMCnHW0HW1HWnHW0HW1HWnTS4TS4TS22………………1n…22S接線器的結(jié)構(gòu)輸入控制方式！單元地址為時(shí)隙號(hào)，內(nèi)容為HW號(hào)（輸出）TS4HW0

HWnTS22HWn

HW1TS4TS22TS4TS220431CMC0CMC1CMCnHW0HW1HWnHW0HW1HWn………………n0…22輸出控制方式！單元地址為時(shí)隙號(hào)，內(nèi)容為HW號(hào)（輸入）TS4HW0

HWnTS22HWn

HW12-46/98

2012-2功能：完成同一復(fù)用總線(PCM線)上不同時(shí)隙間的交換。

對(duì)位置化信道：TS3

TS8，等待5個(gè)時(shí)隙后輸出即可。組成結(jié)構(gòu)：SM(SpeechMemory)－－存儲(chǔ)話音信息

CM(ControlMemory)－－控制SM的讀或?qū)懺恚合却鎯?chǔ)，后轉(zhuǎn)發(fā)。工作方式：輸出控制：（順序?qū)懭?，控制讀出）輸入控制：（控制寫入，順序讀出）（掌握兩種工作方式下的工作過程，會(huì)區(qū)分工作方式）！2.3.3時(shí)間交換單元-時(shí)間接線器（T）2-47/98

2012-2RWTS0TS31TS0TS31031310SMCMWCPU控制RT接線器組成結(jié)構(gòu)圖地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘地址計(jì)數(shù)器2-48/98

2012-2SM：

—暫存時(shí)隙的數(shù)字語音信息；

—每個(gè)TS占用SM的一個(gè)單元；

—SM容量對(duì)一條PCM而言,容量=32×8bit。CM：

—提供SM的讀寫地址,它是由處理機(jī)在鏈路試選時(shí)寫入的；

—提供時(shí)間信息:即在哪一時(shí)隙對(duì)SM進(jìn)行讀或?qū)?由CM的地址單元號(hào)提供)；

—提供地址信息:即在某個(gè)時(shí)隙對(duì)SM的哪一個(gè)地址進(jìn)行讀或?qū)?由CM內(nèi)容提供)；

—容量：一條PCM而言，32×5bit。

2-49/98

2012-2AAARW310SMCMWCPU控制RT接線器--輸出控制地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘地址計(jì)數(shù)器TS6

TS176TS6TS1731017617313029········21TS0313029········21TS0CM的地址與輸出TS對(duì)應(yīng)66！2-50/98

2012-2AAA！RW310SMCMWCPU控制RT接線器--輸入控制地址計(jì)數(shù)器地址計(jì)數(shù)器TS6

TS1717TS6TM的地址與輸入TS對(duì)應(yīng)2-51/98

2012-22.3.4時(shí)間交換單元的擴(kuò)展時(shí)間交換單元的擴(kuò)展32×3232×3232×3232×3232×3232×3232×3232×3232×32UHWIUHWIIUHWIIIDHWIDHWIIDHWIII模塊2模塊1模塊32-52/98

2012-22.3.5總線型交換單元總線是一個(gè)最早用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的名詞，它指的是把計(jì)算機(jī)中的各個(gè)部件連接在一起的一種技術(shù)設(shè)備。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中就使用了總線來完成電信交換的功能。2-53/98

2012-2電信交換中使用的總線型交換包括入線控制部件、出線控制部件和總線三部分。交換單元的每條入線都經(jīng)過各自的入線控制部件與總線相連，每條出線也經(jīng)過各自的出線控制部件與總線相連?？偩€按時(shí)隙輪流分配給各個(gè)入線控制部件和出線控制部件使用，分配到的輸入部件將輸入信號(hào)送到總線上，通過總線將該信號(hào)送到出線控制部件。2-54/98

2012-2入線控制部件的功能是接收入線信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的格式變換，放在緩沖存儲(chǔ)器中，并在分配給該部件的時(shí)隙上把收到的信息送到總線上。因?yàn)檩斎胄畔⑹沁B續(xù)的比特流，而總線上接收和發(fā)送信息則是猝發(fā)的，所以設(shè)一個(gè)入線控制部件，每隔時(shí)間τ獲得一個(gè)時(shí)隙，輸入信息的速率為Vb/s，則緩沖存儲(chǔ)器的容量至少應(yīng)是(V×τ)bit。2-55/98

2012-2出線控制部件的功能是檢測(cè)總線上的信號(hào)，并把屬于自己的信息讀入一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器中，進(jìn)行格式變換，然后由出線送出，形成出線信號(hào)。同理，設(shè)一個(gè)出線控制部件，在每個(gè)時(shí)間段τ內(nèi)獲得的信息量是一個(gè)常數(shù)，而出線的數(shù)字信息的速率為Vb/s，則緩沖存儲(chǔ)器容量至少應(yīng)是(V×τ)bit。2-56/98

2012-2總線一般包括多條數(shù)據(jù)線和控制線。數(shù)據(jù)線用于在入線控制部件和出線控制部件之間傳送信號(hào)，控制線用于控制各入線控制部件獲得時(shí)隙和發(fā)送信息，以及出線控制部件讀取屬于自己的信息。其中數(shù)據(jù)線的多少對(duì)于交換單元的容量有決定性的意義，因此把總線包括的數(shù)據(jù)線數(shù)量稱為總線的寬度?？偩€時(shí)隙分配要按一定的規(guī)則進(jìn)行。最簡(jiǎn)單也最常用的規(guī)則，是不管各入線控制部件是否有信息，只是按順序把時(shí)隙分給各入線。比較復(fù)雜但效率較高的規(guī)則是只在入線有信息時(shí)才分配時(shí)隙給它。2-57/98

2012-2由上述的功能描述可以看出，總線上的信號(hào)是一個(gè)同步時(shí)分多路復(fù)用信號(hào)。并且，所有輸入信號(hào)將被復(fù)合成為一個(gè)信號(hào)。若有N條入線，每條入線的信號(hào)速率是Vb/s，則總線上的信號(hào)速率就是N×Vb/s。因此，在總線型交換單元中，總線是信息的集散地。若入線較多且輸入信號(hào)的速率較高，則總線上的信息速率會(huì)變得非常高。所以總線型交換單元入線數(shù)和信號(hào)速率受總線能夠傳送的信息速率及入線、出線控制電路的工作速率的限制。2-58/98

2012-2設(shè)總線上的一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度不超過T，且在一個(gè)時(shí)隙中只能傳送Bbit，則有

k×N×V＝B/T其中，k是時(shí)隙分配規(guī)則因子。若采用簡(jiǎn)單的固定分配時(shí)隙的規(guī)則，k＝1；若采用按需分配的規(guī)則，k＜1。1/k反映了總線的利用程度。因此，可以通過增加B、減少T或減少k來增加交換單元的容量。2-59/98

2012-2內(nèi)容提要2.1語音信號(hào)數(shù)字化和時(shí)分復(fù)用基礎(chǔ)2.2交換單元模型及其數(shù)學(xué)描述2.3基本交換單元2.4多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的核心是交換網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)的核心部件是基本交換單元。2-60/98

2012-22.4多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)2.4.1多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)概念將交換單元按一定的拓?fù)溥B接起來，可形成單級(jí)或多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)。單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)交換單元或若干個(gè)位于同一級(jí)的交換單元構(gòu)成的，如圖2-18所示。需交換的信息在單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)中一次通過，即一次入線到出線的連接，只經(jīng)過一個(gè)交換單元。如前面T接線器的擴(kuò)展就屬于單級(jí)網(wǎng)絡(luò)。2-61/98

2012-2多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)交換單元按照一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)含有三大基本要素：交換單元、交換單元之間連接的拓?fù)浞绞?、控制方式?-62/98

2012-2多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)由多級(jí)交換單元構(gòu)成，如果一個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)中的交換單元可以分為K級(jí)，順序命名為第l、2、……K級(jí)，并且滿足：所有的入線都只與第1級(jí)交換單元連接；所有的第1級(jí)交換單元都只與入線和第2級(jí)交換單元連接；所有的第2級(jí)交換單元部只與第1級(jí)交換單元和第3級(jí)交換單元連接；依此類推，所有的第K級(jí)交換單元都只與第K-1級(jí)交換單元和出線連接。 則稱這樣的交換網(wǎng)絡(luò)為多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)，或K級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)。多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用三個(gè)參量來說明：每個(gè)交換單元的容量；交換單元的級(jí)數(shù)；交換單元間的連接通路(鏈路)2-63/98

2012-2內(nèi)部阻塞內(nèi)部阻塞的基本概念出、入線空閑，但因交換網(wǎng)絡(luò)級(jí)間鏈路被占用而無法接通的現(xiàn)象稱為多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)是不存在內(nèi)部阻塞的；多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)中交叉點(diǎn)越多，成本越高，建立連接的路徑亦越多，阻塞的機(jī)會(huì)也越少，連接能力也就越強(qiáng)。交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的總目標(biāo)，就是在滿足一定的連接能力的要求下，盡量最小化交叉點(diǎn)數(shù)。2-64/98

2012-2無阻塞交換網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格無阻塞網(wǎng)絡(luò)：不管網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，任何時(shí)刻都可以在交換網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)連接，而不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中已建立起來的連接，只要這個(gè)連接的起點(diǎn)、終點(diǎn)是空閑的?？芍嘏艧o阻塞網(wǎng)絡(luò)：不管網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，任何時(shí)刻都可以在一個(gè)交接網(wǎng)絡(luò)中直接或?qū)σ延械倪B接重選路由來建立一個(gè)連接，只要這個(gè)連接的起點(diǎn)和終點(diǎn)是空閑的。廣義無阻塞網(wǎng)絡(luò)：指一個(gè)給定的網(wǎng)絡(luò)存在著固有的阻塞的可能，但有可能存在著一種精巧的選路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排網(wǎng)絡(luò)中已建立起來的連接。2-65/98

2012-22.4.2T-S-T網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)TST網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)三級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)，它以S接線器為中心，兩側(cè)為T接線器，輸入側(cè)的T接線器稱為初級(jí)T接線器，輸出側(cè)的T接線器稱為次級(jí)T接線器，兩側(cè)T接線器的數(shù)量決定于S接線器矩陣的大小。引入S接線器，改善話務(wù)疏導(dǎo)功能，具有低成本，低阻塞和路由選擇簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。各個(gè)Memory的內(nèi)容；各個(gè)Memory的容量；不同控制方式下的變化；半幀法（強(qiáng)調(diào)：T接線器輸入HW總時(shí)隙數(shù)的一半）；BB2TS23BB31TS2AA31ATS7BACMC0CMC1CMC2HW0HW1HW2輸入控制！723ACMASMATS31B72TS731232HW0HW1HW2TS2CMBSMBTS31A233172輸入控制輸出控制TS23HW0TS2

HW2TS31TS31

?

TS2ITS＝7TS2

TS7

TS3127+32/2=23023BB23TS23BB23TS2AA7ATS7BACMC0CMC1CMC2HW0HW1HW2輸入控制！723ACMASMATS31B27TS723317HW0HW1HW2TS2CMBSMBTS31A273123輸出控制輸入控制TS23HW0TS2

HW2TS31TS31

?

TS2ITS＝7TS2

TS7

TS3122302-68/98

2012-2入-出方式：關(guān)于節(jié)省CM的問題；觀察：該方式下，兩端的CM有何規(guī)律？規(guī)律：相差半幀的兩數(shù)，其二進(jìn)制編碼僅為最高位相反。

eg：(7)10=(00111)2(23)10=(10111)2方法：用反相器作硬件實(shí)現(xiàn)。關(guān)于SM損壞的問題；思考：該方式下對(duì)輸入、輸出通路的影響。出-入方式：關(guān)于節(jié)省CM的問題；觀察：該方式下，兩端的CM有何規(guī)律？關(guān)于SM損壞的問題；思考：該方式下對(duì)輸入，輸出通路的影響。入-出方式與出-入方式的討論。2-69/98

2012-22.4.3CLOS網(wǎng)絡(luò)CLOS網(wǎng)絡(luò)的基本概念CLOS首次構(gòu)造了一類如圖2-24所示的N×N的無阻塞交換網(wǎng)絡(luò)。它指出：采用足夠多的級(jí)數(shù)，對(duì)于較大的N，能夠設(shè)計(jì)出一種無阻塞網(wǎng)絡(luò)，其交叉點(diǎn)數(shù)增長(zhǎng)的速度小于N1+ε(0＜ε＜1)。也就是說，使用CLOS網(wǎng)絡(luò)，既可以減少交叉點(diǎn)數(shù)，又可以做到無阻塞。2-70/98

2012-2三級(jí)CLOS網(wǎng)絡(luò)無阻塞條件CLOS網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格無阻塞條件 一個(gè)CLOS網(wǎng)絡(luò)是嚴(yán)格無阻塞的，當(dāng)且僅當(dāng)滿足下述條件：m≥2n-1。 參見圖2-24，在最不利情況下，中間級(jí)會(huì)有(n-1)×2個(gè)交換單元被占用，因此中間級(jí)至少要有(n-1)×2+1＝2n-1個(gè)交換單元，即m≥2n-l時(shí)，可確保無阻塞。所以對(duì)于C(m,n,r)CLOS網(wǎng)絡(luò)，如果m≥2n-l，則此網(wǎng)絡(luò)是嚴(yán)格無阻塞的。2-71/98

2012-2CLOS網(wǎng)絡(luò)的可重排無阻塞條件對(duì)三級(jí)CLOS網(wǎng)絡(luò)C(m,n,r)，可重排無阻塞的充分必要條件是：m≥n

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2012-2可重排無阻塞網(wǎng)絡(luò)的基本原理1341132

4412

32-73/98

2012-2非對(duì)稱CLOS網(wǎng)絡(luò)

若CLOS網(wǎng)絡(luò)的入線數(shù)為M，出線數(shù)為N，M≠N，則稱為非對(duì)稱CLOS網(wǎng)絡(luò)。三級(jí)非對(duì)稱CLOS網(wǎng)絡(luò)記為V(m,n1,r1,n2,r2)

，它表示：第1級(jí)有r1個(gè)n1×m輸入交換單元，且M＝r1n1；第3級(jí)有r2個(gè)m×n2輸出交換單元，且N＝r2n2；中間級(jí)有m個(gè)r1×r2的交換單元。如果n1＝n2，r1＝r2，該網(wǎng)絡(luò)就簡(jiǎn)化成圖2-24所示的對(duì)稱三級(jí)CLOS網(wǎng)絡(luò)C(m,n,r)。對(duì)于V(m,n1,r1,n2,r2)三級(jí)非對(duì)稱CLOS網(wǎng)絡(luò)：嚴(yán)格無阻塞的條件是m≥nl+n2-1。可重排無阻塞的條件是m≥max(nl,n2)。2-74/98

2012-22-75/98

2012-22.4.4BANYAN網(wǎng)絡(luò)

以2×2交換單元為基礎(chǔ)構(gòu)件構(gòu)成的多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)得到了高度重視，BANYAN就是由若干個(gè)2×2交換單元組成的多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)。2-76/98

2012-2BANYAN網(wǎng)絡(luò)的遞歸構(gòu)造圖2-284×4的二級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)01230123

將4個(gè)2×2交換單元連接起來，可以得到一個(gè)4×4的二級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)。2-77/98

2012-2用12個(gè)2×2交換單元就可以構(gòu)成—個(gè)8×8的三級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)，其第1級(jí)和第2級(jí)之間的連接為子洗牌連接，第2級(jí)和第3級(jí)之間的連接為均勻洗牌連接。2-78/98

2012-2這種將多個(gè)2×2交換單元分成若干級(jí)，并按照一定的級(jí)間連接方式構(gòu)成的多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)，就被稱為BANYAN網(wǎng)絡(luò)。2-79/98

2012-2用較小的BANYAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成較大的BANYAN網(wǎng)絡(luò)，其構(gòu)成方法如下：假設(shè)已有N×N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)，需構(gòu)成2N×2N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)，則可使用2組N×N，再加上一組N個(gè)2×2交換單元構(gòu)成。第一組N×N的N條出線分別與N個(gè)2×2的某一入線相連，第二組N×N的N條出線分別與N個(gè)2×2的另一入線相連。例如，用8×8BANYAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成16×16BANYAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可用2組8×8，加上8個(gè)2×2交換單元構(gòu)成，共需32個(gè)2×2交換單元。對(duì)于N×N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)，其級(jí)數(shù)約為M＝log2N，每一級(jí)需要N/2個(gè)2×2交換單元，共需要(N/2)log2N個(gè)2×2交換單元。2-80/98

2012-2工作原理和性質(zhì)(1)惟一路徑在圖2-28的4×4BANYAN網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)知道它的每條入線與每條出線之間都有且只有這一條路徑。這就是BANYAN網(wǎng)絡(luò)的惟一路徑特點(diǎn)。對(duì)于這一點(diǎn)，可以用類似于數(shù)學(xué)歸納法的辦法來給予證明。首先4×4的BANYAN網(wǎng)絡(luò)是只有惟一路徑的。假設(shè)它對(duì)N×N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)也成立。那么，對(duì)于2N×2N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)來說，因?yàn)?N×2N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)是用前述的方法來構(gòu)成的，顯然從N×NBANYAN網(wǎng)絡(luò)到最后一級(jí)2×2交換單元中共有2N條路徑，并且要到其中某一條出線必須經(jīng)過其中惟一的一條路徑。可見這樣構(gòu)成的2N×2N的BANYAN網(wǎng)絡(luò)仍然是在每條入線和每條出線間都存在一條路徑并且只有惟一的一條路徑。這就證明了上述特點(diǎn)對(duì)任何N都成立。2-81/98

2012-2(2)自選路由由BANYAN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方法可知，一個(gè)BANYAN網(wǎng)絡(luò)的入線數(shù)和出線數(shù)相等。并且若假設(shè)其為N。則必有N＝2M，M為級(jí)數(shù)。再設(shè)N條入線和N條出線分別順序編號(hào)為十進(jìn)制數(shù)0、1、2、……N-1，則必定可用M位二進(jìn)制數(shù)字來區(qū)別N條入線和N條出線。由BANYAN網(wǎng)絡(luò)的惟一路徑特點(diǎn)可知，從BANYAN網(wǎng)絡(luò)的任意一條入線到全部N條出線共有N個(gè)連接，這N個(gè)連接可以用出線的N個(gè)不同的編號(hào)表示，即其中的每一個(gè)連接都可以用M位二進(jìn)制數(shù)字表示。2-82/98

2012-2全部8條通往出線3上的路徑，每條路徑上三個(gè)交換單元的出線號(hào)碼都分別是0、1、1，組合起來的二進(jìn)制數(shù)字011正是BANYAN網(wǎng)絡(luò)的出線號(hào)碼3。2-83/98

2012-2因此，把出線的編號(hào)（或者叫做地址）以二進(jìn)制數(shù)字的形式送到交換網(wǎng)絡(luò)，那么，每一級(jí)上的2×2交換單元就只需要根據(jù)這個(gè)地址中的某一位就可以判別應(yīng)將其送往哪一條出線上。當(dāng)所有地址都被讀完，這個(gè)信元就已經(jīng)被送到相應(yīng)的出線上了。顯然，利用這一點(diǎn)，則交換網(wǎng)絡(luò)的控制部分就可以做得十分簡(jiǎn)單。這叫做自選路由，即給定出線地址，不用外加控制命令，就可選擇到出線。對(duì)于統(tǒng)計(jì)復(fù)用信號(hào)，每個(gè)信元均攜帶有控制信息，包括路由信息，即出線地址，使用BAYYAN網(wǎng)絡(luò)可以很方便地進(jìn)行交換。例：信號(hào)通過BANYAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)的情況。010,0111011(其中010為路由標(biāo)記，表示出線編號(hào)，0111011為需交換的信號(hào))進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)的入線4。2-85/98

2012-2

(3)編號(hào)數(shù)字置換 像任何交換單元及交換網(wǎng)絡(luò)一樣，BANYAN網(wǎng)絡(luò)的入線和出線可以都編上號(hào)碼，并用一組數(shù)字的排列或稱置換來表示它的一種連接方式。例如，對(duì)于4×4BANYAN網(wǎng)絡(luò)，給定連接函數(shù)的排列表示為2-86/98

2012-2第1級(jí)交換單元完成的連接置換第1級(jí)交換單元和第2級(jí)交換單元之間完成的連接置換第2級(jí)交換單元完成的連接置換2-87/98

2012-2(4)BANYAN網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞發(fā)生阻塞的2×2交換單元在交換網(wǎng)絡(luò)的最后一級(jí)，即交換網(wǎng)絡(luò)的兩條或多條入線同時(shí)試圖占用同一條出線，這稱為出線阻塞。如在圖2-31中，入線0～7都要同時(shí)接到出線3。由于出線阻塞不是由于交換網(wǎng)絡(luò)本身的缺陷造成的，采用諸如輸入或輸出緩沖排隊(duì)方法可以很好地解決。所以通常內(nèi)部阻塞不包括出線阻塞。發(fā)生阻塞的2×2交換單元在交換網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)(除最后一級(jí)之外)，例如在圖2-34中，假設(shè)有8×8BANYAN網(wǎng)絡(luò)，在入線0、1、4、6上同時(shí)接收到信元，其路由標(biāo)記分別為3、7、2、4，即此時(shí)需要建立：連接1：0→3連接2：1→7連接3：4→2連接4：6→4連接1：0→3011連接2：1→7111連接3：4→2010連接4