交換技術概論

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2012-2電話的產生發(fā)明者：

1847年生于英國蘇格蘭的亞歷山大·格雷厄姆·貝爾，從小就對聲學和語言學有濃厚的興趣。時間：1876年3月10日現(xiàn)象：他發(fā)現(xiàn)一塊鐵片在磁鐵前振動會發(fā)出微弱聲音的，而且這種聲音能通過導線傳向遠方。思考：他想，如果對著鐵片講話，不也可以引起鐵片的振動嗎?。這就是貝爾關于電話的最初構想，并最終實現(xiàn)。§1.1交換的基本概念1-3/89

2012-2

電話的出現(xiàn)： 把聲音信號轉換成電信號，利用金屬導線作媒介

振動膜片電磁鐵助聽筒助聲筒傳送線圖1-1貝爾第一部話機結構示意圖1-4/89

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2012-2電話：是用電信號來傳送人類語言信息的一種通信設備。這種通信方式稱為電話通信。

稱連接兩個話機的這一對線為一條線路。這種概念現(xiàn)在仍然使用。？討論：形成網，有何問題需要解決，如何解決？1-6/89

2012-2交換機的產生

用戶線急劇增大；每個用戶如何確定與其他用戶通話的問題；每新增加一個的處理問題。沒有實用價值。

用戶數(shù)增多時：1-7/89

2012-2

解決辦法：采用中央交換的方法

—在用戶分布區(qū)域中心安裝公共設備出現(xiàn)交換機，完成各個用戶之間的接續(xù)當任意兩個用戶要通話時，由交換機將它們連通，通話完畢將線路拆除，供其他用戶使用。1-8/89

2012-2？討論：中央交換機應該解決哪些問題??

（必須的功能）？1-9/89

2012-2交換機必須的功能：及時發(fā)現(xiàn)用戶的呼叫請求。記錄被叫用戶號碼。判別被叫用戶當前的忙閑狀態(tài)。若被叫用戶空閑，交換機應能選擇一條鏈路將主被叫用戶話機連通。通知被叫用戶有電話呼叫。監(jiān)測被叫摘機，使雙方進入通話狀態(tài)。能隨時監(jiān)視通話狀態(tài)。能使任意兩個電話進行通話；在同一時間內，能使若干對用戶同時通話且互不干擾。1-10/89

2012-2？討論：如何擴大范圍？1-11/89

2012-2中繼線用戶線1-12/89

2012-2多臺交換機組成的通信網絡

利用匯接交換機互連多個端局交換機，疏導本交換區(qū)各交換機之間的互通業(yè)務。端局交換機用戶交換機，在信令方式上相當于用戶電話機1-13/89

2012-2電話交換網的一般結構

專門用來傳送各交換機之間通信操作和維護信令的數(shù)據(jù)通信的分組交換網絡。用戶環(huán)路，常以模擬方式傳送300-3400Hz話音信號。采用PCM時分復用，每個用戶占用64kbit/s帶寬，常以2Mbit/s或更高速率的復用群傳送話音/數(shù)據(jù)。1-14/89

2012-2網狀網星型網樹型網環(huán)型網交換機與交換機的連接復合網1-15/89

2012-2

通信網的組成：終端交換機終端交換機傳輸終端設備：完成信號的發(fā)送和接受，信號變換、匹配；傳輸設備：完成信號的遠距離傳輸，信號轉換、匹配；交換設備：完成信號的交換，節(jié)點鏈路的匯集、轉接、分配。交換設備是現(xiàn)代通信網的核心，起著關鍵性的作用。*！1-16/89

2012-2內容提要1.1交換的基本概念1.2交換的發(fā)展1.3交換方式1.4話務理論基礎1-17/89

2012-2§1.2交換機的發(fā)展一、人工交換機階段二、機電式自動交換機階段三、電子式自動交換機階段 *1-18/89

2012-2？討論：根據(jù)前面提出的功能，逐個進行設計，組成實際的交換機？

先根據(jù)人工操作來考慮。1-19/89

2012-21.磁石交換機

1878年，美國新港市 （圖在下頁）

2.共電交換機(1882年)

手搖發(fā)電機

集中供電重要概念：中央饋電；兩線傳送； 摘、掛機；主叫、被叫；一、人工交換機階段1-20/89

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2012-2用戶號牌用戶塞孔呼叫塞子應答塞子應答、振鈴鍵話務員送、受話器塞孔手搖發(fā)電機繩路人工交換機*1-23/89

2012-2人工交換機的基本功能檢測出主叫用戶呼叫；建立電話交換機到主叫用戶的臨時通路，通過此通路獲得被叫用戶信息；通過振鈴呼出被叫用戶；為主、被叫建立通話通路；檢測話終釋放通路。1-24/89

2012-2話務員的工作內容觀察主叫呼叫請求，并判斷該主叫是否有呼出權限；判斷該被叫用戶的忙閑狀態(tài)；建立通路前，判斷是否存在空閑的繩路等；通知被叫用戶；監(jiān)測雙方通話狀態(tài)。1-25/89

2012-2？討論：

1.人工交換有哪些缺點？

2.針對人工交換機的缺點，如何改進？如何實現(xiàn)自動化？自動化首先需要解決哪些問題？1-26/89

2012-21.步進制交換機

1891年，美國史端喬發(fā)明 直接控制方式自動交換機的2個關鍵點：為每個話機編號，每個話機要能發(fā)出號碼；交換機要能識別號碼，并根據(jù)號碼完成接續(xù)。解決辦法：采用脈沖撥號盤，用斷續(xù)的脈沖來表示號碼；用上升旋轉的機鍵接收號碼—直接受號碼脈沖控制。*二、機電式自動交換機階段1-27/89

2012-2基本原理控制部分控制部分線弧預選器選組器終接器弧刷1-28/89

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2.縱橫制交換機

1926年，瑞典研制成功。間接控制，將控制部分單獨出來，公用。話路控制電路*號碼接受器號碼發(fā)送器1-31/89

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2012-2基本原理用戶電路1用戶電路2用戶電路m繩路n繩路2繩路1標志器記發(fā)器1-33/89

2012-21.空分程控交換機

1965年，美國AT&T1ESS—第一部存儲程序控制的空分交換機。話路部分：空分網絡小型縱橫繼電器+電子元件

2.時分模擬程控交換機話路部分：PAM3.時分數(shù)字程控交換機話路部分：PCM

它是計算機與PCM技術相結合的產物。*三、電子式自動交換機階段--存儲程序控制。1-34/89

2012-2程控交換機的組成：交換網絡用戶電路出中繼入中繼信號設備I/O設備處理機存儲器用戶電路程控交換機結構圖**！*1-35/89

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2012-2我國程控交換機的發(fā)展：引進情況（七國八制）1.F-150日本。福州、廈門、成都、貴陽、桂林、南寧、 西安、蘭州、西寧…2.S-1240比利時1976。北京、上海、重慶、成都、廣州、武漢…3.E10-B法國CIA-ALCATEL---阿爾卡特1981。4.DMS-100加拿大。北京、重慶、西安5.AXE-10瑞典愛立信。廣州、重慶、浙江、遼寧6.EWSD德國西門子。7.NEAX-61日本NEC。8.5ESS-2000美國AT&T1992。1-37/89

2012-2我國自行研制情況：1.DS30：西安十所仿F-150生產，長途交換機2.PABX機：長郵長虹、桂林542、珠海…3.C5端局機：十所、重郵、萬家樂、聯(lián)想…4.HJD-04：巨龍（537廠、515廠等）5.SP30：大唐6.ZXT10：中興7.C&C08：華為1-38/89

2012-2內容提要1.1交換的基本概念1.2交換的發(fā)展1.3交換方式1.4話務理論基礎1-39/89

2012-2§1.3交換方式交換方式分類：電路交換報文交換分組交換(含ATM、IP交換、MPLS等)！1-40/89

2012-2一、電路交換語音通信的特點是差錯率要求不高，但實時性要求很高針對語音通信的要求，電路交換采用面向連接的、獨占電路的方式來滿足實時性的要求。電路交換的基本過程包括“電路建立階段”、“通話階段”、“電路釋放階段”三個過程。電路建立階段是根據(jù)用戶所撥的被叫號碼，由交換機負責連接起來的一條電路，在通話階段該電路歸該用戶獨占，即使他們不講話，不傳輸信息，該電路也不能分配給其他用戶使用。1-41/89

2012-2基本原理交換機A交換機B交換機C通話階段（獨占鏈路）建立階段釋放階段通話立階段證實呼叫建立呼叫建立證實釋放請求釋放請求釋放證實釋放證實電路交換過程示意圖1-42/89

2012-2電路交換的分類機械接點、電子接點，只是材料結構上的變化空分位置化信道時分空分交換：模擬信號物理的實際電路并獨占線路同步時分交換：數(shù)字信號幀結構方式分時共享獨占時隙*1-43/89

2012-2電路交換的優(yōu)點信息的傳輸時延小，對一次接續(xù)而言，傳輸時延固定不變；信息以數(shù)字信號形式在數(shù)據(jù)通路中“透明”傳輸，交換機對用戶的數(shù)據(jù)信息不存儲、不分析、不處理，交換機在處理方面的開銷比較小，對用戶的數(shù)據(jù)信息也不需要附加用于控制的額外信息，也不做差錯控制處理，信息的傳輸效率比較高。信息的編碼方法和信息格式由通信雙方協(xié)調，不受網絡的限制。用基于呼叫損失制的方法來處理業(yè)務流量，業(yè)務過負荷時呼損率增加，但不影響已建立的呼叫。1-44/89

2012-2電路交換的缺點電路的接續(xù)時間較長。整個通話期間，即使沒有通話信息，電路資源也被通信雙方獨占，電路利用率低。通信雙方在信息傳輸、編碼格式、同步方式、通信協(xié)議等方面要完全兼容。物理連接的任何部分發(fā)生故障都會引起通信的中斷。存在呼損，即可能出現(xiàn)由于交換網絡負載過重而呼叫不通。資源分配不靈活；傳輸鏈路帶寬固定。1-45/89

2012-2二、報文交換為了克服電路交換中各種不同類型和特性的用戶終端之間不能互通，通信電路利用率低以及有呼損等方面的缺點，提出了報文交換的思想。報文交換基本原理是“存儲—轉發(fā)”，不需要提供通信雙方的物理連接，而是將所接收的報文暫時存儲。1-46/89

2012-2報文交換基本原理

信息的格式是以報文為基本單位。一份報文包括三個部分：報頭或標題(發(fā)信站地址、終點收信站地址及其他輔助信息組成)、正文(傳輸用戶信息)和報尾(報文的結束標志)。

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2012-2報文交換如果A用戶要向B用戶發(fā)送信息，A用戶不需要先連通與B用戶之間的電路，而只需與交換機接通，由交換機暫時把A用戶要發(fā)送的報文接收和存儲起來。報文中除了用戶要傳送的信息以外，還有目的地址和源地址，交換機根據(jù)報文中提供的B用戶的地址來選擇輸出路由，并將報文送到輸出隊列上排隊，等到該輸出線空閑時才將該報文送到下一個交換機，最后送到終點用戶B。1-48/89

2012-2報文交換主要優(yōu)點報文以存儲轉發(fā)方式通過交換機，輸入輸出電路的速率、碼型格式等可以不同，很容易實現(xiàn)各種不同類型終端之間的相互通信。在報文交換的過程中沒有電路接續(xù)過程，來自不同用戶的報文可以在一條線路上以報文為單位進行多路復用，線路可以以它的最高傳輸能力工作，大大提高線路的利用率。用戶不需要叫通對方就可發(fā)送報文，無呼損，并可以節(jié)省通信終端操作人員的時間?？梢园l(fā)送多目的地址的報文。1-49/89

2012-2報文交換主要缺點信息通過交換機時產生的時延大，而且時延不定、變化也大，不利于實時通信。交換機要有能力存儲用戶發(fā)送的報文，其中有的報文可能很長，要求交換機具有高速處理能力和大的存儲容量。1-50/89

2012-2三、分組交換語音通信的特點：差錯率要求不高，一般在10-6。實時性強，要求在ms級。突發(fā)性不高。數(shù)據(jù)通信的特點：對差錯率要求極高，一般要求誤碼率達到10-9，同時還要做差錯控制，保證數(shù)據(jù)的完全正確。實時性要求不強，可以在分鐘甚至小時級。突發(fā)性高。1-51/89

2012-2？討論：針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c和要求，如何改進電路交換和報文交換方式來滿足數(shù)據(jù)通信的要求？突發(fā)性可靠率高時延要求不高借鑒生活中的運輸系統(tǒng)。電路交換不利于實現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)終端沒備之間的相互通信，而報文交換信息傳輸時延又太長，不滿足許多數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實時性要求1-52/89

2012-2基本原理分組頭(標題)地址、信息類型、編號標志化信道各個包分別獨立傳輸不定長的數(shù)據(jù)包1-53/89

2012-2基本原理（續(xù)）1-54/89

2012-2分組交換涵蓋范圍分組交換是一種大類結合方式，后來發(fā)展起來的ATM、IP、MPLS等其他交換技術，從根本的交換思想和方式上來看都屬于分組交換這個大類，只是具體的技術細節(jié)有所區(qū)別。1-55/89

2012-2分組交換的優(yōu)點①加速了數(shù)據(jù)在網絡中的傳輸。因為分組是逐個傳輸，可以使后一個分組的存儲操作與前一個分組的轉發(fā)操作并行，這種流水線式傳輸方式減少了報文的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所需的緩沖區(qū)比傳輸一份報文所需的緩沖區(qū)小得多，這樣因緩沖區(qū)不足而等待發(fā)送的機率及等待的時間也必然少得多。②簡化了存儲管理。因為分組的長度固定，相應的緩沖區(qū)的大小也固定，在交換結點中存儲器的管理通常被簡化為對緩沖區(qū)的管理，相對比較容易。③減少了出錯概率和重發(fā)數(shù)據(jù)量。因為分組較短，其出錯機率必然減少，每次重發(fā)的數(shù)據(jù)量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。④由于分組短小，更適用于采用優(yōu)先級策略，便于及時傳送一些緊急數(shù)據(jù)，因此對于計算機之間的突發(fā)式的數(shù)據(jù)通信，分組交換顯然更為合適些。

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2012-2分組交換的缺點①盡管分組交換比報文交換的傳輸時延少，但仍存在存儲轉發(fā)時延，而且其結點交換機必須具有更強的處理能力。②分組交換與報文交換一樣，每個分組都要加上源、目的地址和分組編號等信息，使傳送的信息量大增大，增加了額外開銷，一定程度上降低了通信效率，增加了處理的時間，使控制復雜，時延增加。③當分組交換采用數(shù)據(jù)報服務時，可能出現(xiàn)失序、丟失或重復分組，分組到達目的結點時，要對分組按編號進行排序等工作，增加了麻煩。若采用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和虛電路釋放三個過程。1-57/89

2012-2四、ATM交換綜合電路和分組交換的優(yōu)點：定長與異步定長的數(shù)據(jù)包48Bytes5BytesATM(AsynchronousTransferMode)1-58/89

2012-2信息轉移技術電路交換分組交換空分時分固定長度可變長度同步轉移方式(STM)異步轉移方式(ATM)X.25數(shù)據(jù)報空分信道虛信道標記時間位置異步時分(ATD)同步時分(STD)1-59/89

2012-2五、IP交換IP交換控制器ATM交換機控制端口IFMPIFMPGSMPIP交換機結構*通用交換機管理協(xié)議流管理協(xié)議1-60/89

2012-2六、軟交換與IMSSoftSwitch3GAccessAMGIADBroadbandAccessPSTNTMGSGPLMN分組核心網UMGUMGAppServerPolicyServeriOSSINSoftSwitchMRS1-61/89

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2012-2IP化通信網的發(fā)展方向網絡的特征：低成本、結構簡單、功能高、標準化程度高數(shù)字化綜合化寬帶化智能化標準化個人化全球化通信網！移動化1-64/89

2012-2內容提要1.1交換的基本概念1.2交換的發(fā)展1.3交換方式1.4話務理論基礎1-65/89

2012-2§1.4話務理論基礎在組建一個交換局時，首先要考慮的是該交換局的交換設備和局間中繼線的配備數(shù)量。不可能為所有用戶同時通話提供足夠多的交換設備和中繼傳輸電路，為什么？？應該配備多少交換設備和中繼線路？？1-66/89

2012-2基本概念話務量的含義 話務量表示通話業(yè)務的數(shù)量，又稱話務負載。由于用戶的電話呼叫完全是隨機的，因此話務量是一種隨機變量，是一種統(tǒng)計量，它是設計交換設備、中繼設備的基本依據(jù)。話務量三要素呼叫強度：λ（單位時間內平均發(fā)生的呼叫次數(shù)）占用時長：S（聽撥號音、撥號、振鈴、通話）考察時間：T話務量Y：它是三要素的乘積，Y=

·S·T。 話務量的大小與用戶通話的頻繁程度和通話占用的時間長度以及統(tǒng)計觀察的時間長度有關。1-67/89

2012-2話務量強度A

對話務量而言，最關心的是單位時間內的話務量，稱為話務量強度，用A表示。同時為了稱呼方便，將話務量強度簡稱為話務量，它是度量通信系統(tǒng)繁忙程度的指標。因此話務量強度的定義為：

除了前面的定義之外，人們所說的話務量都是指話務量強度，后面所說的話務量也都是指話務量強度。1-68/89

2012-2忙時話務量 一天中最忙的一個小時的話務量。平均同時占用數(shù)9-1002415-161-69/89

2012-2話務量單位A＝λS；“e”作其量綱，讀作“愛爾蘭”。

、S采用相同的時間單位（小時），則A為“e”，1e=1小時呼。采用“分鐘”，則A為“分鐘呼”。采用“100秒”，則A為“百秒呼”。1e=1呼/小時=60呼/分鐘=36呼/百秒用戶線上的話務量一般為0.2e.它的含義是什么？

0.2e=0.2x60=12分鐘呼。呼叫4次，每次占用3分鐘 或者每次占用2分鐘，呼叫6次；或者呼叫1次，占用12分鐘。中繼線上的話務量一般為0.7e.它的含義是什么？

0.7e=0.7x60=42分鐘呼。有14次呼叫，每次占用3分鐘。1-70/89

2012-2線束的概念不管交換網絡內部如何連接，表現(xiàn)在交換系統(tǒng)外部則是若干入線和若干出線。入線可以通過交換網絡連接到出線，這些出線可以組成一個線束或幾個線束。話務負載是由用戶出發(fā)、經交換網絡的入線流向它的出線。因此入線是線束的負載源，把能連接到一定線束的負載源(入線)的總和稱為“負載源組”。交換網絡負載源組線束交換網絡負載源組線束1線束21-71/89

2012-2線束的容量 線束中的出線數(shù)代表線束的大小，稱它為線束的容量，用M表示線束的利用度 每條入線能夠到達的出線范圍，即每條入線能夠選用的出線數(shù)量，稱為利用度，用D表示。根據(jù)交換網絡的線束構成的不同，可把線束分成兩類：全利用度線束和部分利用度線束。1-72/89

2012-2全利用度線束：(D=M)

線束中的任一出線都能被使用這個線束的負載源組中的任一負載源所選用，這類線束稱為全利用度線束。1514151N1-73/89

2012-2部分利用度線束：(D<M)

任一負載源僅能選用其線束中的部分出線，也就是說線束中的部分出線不能被全部負載源組中的任一負載源所選用，這類線束稱為部分利用度線束。14611-74/89

2012-2愛爾蘭公式服務質量指標指的是交換設備未能完成接續(xù)的電話呼叫業(yè)務量與用戶發(fā)出的電話呼叫業(yè)務量之比，即呼叫損失率，簡稱呼損。話務量、呼損與交換設備數(shù)量之間存在著固有的關系，研究它們三者的固有關系的理論即是話務理論。愛爾蘭在1918年首先應用概率論中的統(tǒng)計平衡理論，發(fā)表了立即制呼損計算公式。流入話務量：指在一個平均占用時長內，負載源發(fā)生的平均呼叫次數(shù)。也叫呼叫強度。完成話務量：指在一個平均占用時長內，交換設備發(fā)生的平均占用次數(shù)。也叫結束強度。1-75/89

2012-2呼損的計算方法 呼損是指由于交換機內部鏈路或者中繼線不足引起的阻塞概率，是衡量通信系統(tǒng)質量的重要指標之一，呼損可用小數(shù)表示，也可用百分數(shù)表示。按時間計算的呼損：E

E＝線束處于全忙的概率=按呼叫計算的呼損：B

B＝一個呼叫發(fā)生后被損失掉的概率=1-76/89

2012-2愛爾蘭公式愛爾蘭分布條件下（N→∞，N》m）

愛爾蘭公式在交換設備計算中非常有用，為了書寫方便，常用Em(A)表示。Em(A)的含義：線束容量為m的全利用度線束流入話務量為A（單位為e）時，按愛爾蘭呼損公式計算的呼損為Em(A)。1-77/89

2012-2為了應用方便，按愛爾蘭呼損公式的計算之值列成表，只要知道E、m、A三個量中任意兩個，通過查表就可求出第三個量的值。Em(A)----愛爾蘭呼損表第一部分：已知m、A，求E。

Em(A)=E20(11.5)=0.006866第二部分：已知m、E，求A。設Em(A)=0.030，m=48由表二查出A=40.018e1-78/89

2012-2

為了應用方便，按愛爾蘭呼損公式的計算之值列成表，只要知道E、m、A三個量中任意兩個，通過查表就可求出第三個量的值。Em(A)----愛爾蘭呼損表第一部分：已知m、A，求E。

Em(A)=E20(11.5)=0.006866

第二部分：已知m、E，求A。設Em(A)=0.030，m=48由表二查出A=40.018e

愛爾蘭表1-79/89

2012-2呼損是流入話務量A和出線數(shù)m的函數(shù)，當呼損一定時，流入話務量A和出線m之間的關系如圖所示。1-80/89

2012-2該曲線表明：當E一定時，中繼線越多所能承擔的話務量就越大；當話務量A一定時，出線數(shù)m越多，呼損E就越小；即呼損越小，為處理相同話務量所需要的出線數(shù)越多；當出線數(shù)m一定時，話務量越大則呼損就越大；或者說，m一定時，允許的呼損越大，能承擔的話務量就越大；當線束m很大時，話務量A與出線數(shù)m呈現(xiàn)線性關系，每線承擔的話務量趨于一個常數(shù)；1-81/89

2012-2線束的利用率線束的利用率表示線束使用效率的高低，即線束的平均使用效率。在單位時間內，線束空閑的時間越短，占用時間越長，其利用率就越高。從前面的概念知道，線束被占用就是該線束承擔著話務量，因此也可以說，線束承擔的話務量越大，線束的利用率就越高。從這個概念出發(fā)，線束利用率在數(shù)值上可以用每條出線承擔的平均話務量來表示。如果用

來表示線束的利用率，則有：1-82/89

2012-2怎樣才能提高線束的利用率呢？首先分析一下m、E、

之間的關系。m與

的關系（E不變） 設E＝0.01，改變m的值，分別用愛爾蘭公式求出對應的A，然后用（1.5）式求出

。m＝5時，A＝1.361e，則

＝1.361*(1-0.01)/5＝0.269m＝10時，A＝4.461e，則

＝4.461*(1-0.01)/10＝0.442m＝20時，A＝12.031e，則

＝12.031*(1-0.01)/20＝0.596m＝50時，A＝37.901e，則

＝37.901*(1-0.01)/50＝0.750m＝80時，A＝65.36e，則

＝65.36*(1-0.01)/80＝0.809m＝100時，A＝84.06e，則

＝84.06*(1-0.01)/100＝0.832m＝150時，A＝131.58e，則

＝131.58*(1-0.01)/150＝0.8681-83/89

2012-2根據(jù)上述結果，可以看出:在呼損一定的條件下，當線束較小時，其利用率較低；當線束容量增大時，其利用率逐步升高；當線束容量大到一定程度后，其利用率的提高就很慢，這是因為線束的利用率已經趨于飽和。因此在通