1.3 交换原理、复用技术与传输技术

1.3.1 交换原理

1.交换节点的功能结构

通信网由终端、交换机和传输系统组成。终端只是信息产生的源点或信息接收的目的点。传输系统负责信息的传输。网络中的复杂控制由交换机来完成，因此，交换机的性能决定了网络的性能。

在通信网中，交换机完成如下功能。

① 接入功能：完成用户业务的集中和接入，通常由各类用户接口和中继接口完成。

② 交换功能：指信息从通信设备的一个端口进入，从另一个端口输出。这一功能由交换网络完成。

③ 控制功能：负责呼叫控制及连接的建立、监视、释放等。

④ 其他控制与管理功能：包括路由信息的更新和维护、计费、话务统计维护管理等。

交换节点分为面向连接和无连接两种，其基本功能结构如图1.7所示。

2.交换机的物理结构

以固定电话（以下简称“固话”）电路交换机为例来说明交换机的物理结构，图1.8所示为其基本组成。用户通过用户线连接到交换系统的用户接口，其他交换机通过中继线连接到交换机的中继接口。用户接口或中继接口将来自不同终端（如电话机、计算机等）或其他交换机的各种传输信号转换成统一的交换机内部工作信号，交换机内部工作信号包括信令信号和消息信号两种，信令信号传输给处理机，消息信号传输给交换网络。

除业务接口外，交换机还有维护接口，用来连接维护中心，对交换机进行集中的运行、管理和维护（Operation Administration and Maintenance，OAM）。

运行是指在具体安装一台交换机时，对交换机所做的配置和状态控制。操作员应能通过运行功能了解交换机的各类接口和参数，例如了解各接口线所对应的地址和电话号码，以及整个交换机安装了多少个终端和中继线接口等。

管理是对通信网中业务量进行控制和对路由表进行维护，同时也负责日常业务量的统计、通信时间的记录及计费等工作。通过计费接口，可以将交换机采集到的原始通信数据，如通信开始和结束时间，发、收双方电话号码等信息送到存储器或计费中心，计费中心按通信距离、通信时长、优惠时段和费率等计算通信费用，并形成通信账单。

维护包括对交换机进行故障的检测、故障的定位和修复。

交换网络实现各入/出线上信号的传输和交换。交换机内部的网络通道（如固话交换机的TS16）可以传输交换机内部的管理信息或处理机之间的通信信息。

在控制系统控制下，交换机收发信令，完成交换接续、日常维护、业务量统计、测试、计费和设备的管理，以及系统输入、输出等所有的控制功能。

1.3.2 复用技术

复用是指在单一线路上同时传输多路信号的技术，根据传输信号的不同，通常有适于模拟信号传输的频分复用（Frequency Division Mu1tip1exing，FDM）技术和适于数字信号传输的时分复用（Time Division Mu1tip1exing，TDM）技术。光纤作为传输媒体时，用光信号作为传输信号，由于光纤的带宽很宽，多种不同波长的光信号可以同时通过光纤传输，即波分复用（Wave1ength Division Mu1tip1exing，WDM）技术。下面分别用具体事例来分析这三种复用技术。

1.频分复用技术

传输一路模拟电视信号需带宽6 MHz，一根75 Ω同轴电缆的带宽为400 MHz左右，因此，可用一根75Ω同轴电缆传输多路模拟电视信号，这是模拟有线电视的传输原理。

图1.9所示为信号复用与分路的过程示意图，它给出了模拟有线电视采用频分复用技术，由一根75Ω同轴电缆传输三路模拟电视信号的过程。三路模拟电视信号的带宽均为6MHz，这些模拟电视信号经过75Ω同轴电缆传输前，先经复用器将其中两路模拟电视信号的频段分别调制到6～12 MHz和12～18 MHz，然后将分别位于三个不同频段的模拟电视信号复用，再通过一根75Ω同轴电缆传输。在接收端，由分路器将位于不同频段的信号还原为0～6MHz的模拟电视信号。

当然，频分复用技术可应用在其他场合，其基本思想是通过将多路窄带信号分别调制到不同频段，使各路信号间互不干扰，然后，将这些位于不同频段的窄带信号复用，通过同一线路传输。

2.时分复用技术

如果有多路传输速率为64kb/s的数字信号，需要同时经过一条传输速率为2.048Mb/s的线路进行传输。数字基带信号和模拟信号不同，体现在单路基带信号占用线路的全部带宽。为了在一条传输速率为2.048Mb/s的线路传输多路速率为64kb/s的数字信号，需将线路的传输时间以T为周期进行划分，假定T=125μs，则每一周期内线路可用于传输的时隙数为

线路上任何指定时隙（Time S1ot，TS），只能传输一路数字信号。

125 μs成为线路传输数据的基本时间单位，称为帧长，这是线路为了实现时分复用而固定划分的传输时间间隔。每一路数字信号在线路传输的每一帧数据中有着位置固定的时隙，线路接收端的分路器就是根据时隙和信号之间的固定关系，重新将每一数据帧中包含的属于不同路由的数据分离出来。因此，复用器需要有缓冲功能，从复用器到通过线路传输出去需要一定的等待时间，该等待时间不会超过125 μs。线路帧长越短，数据在复用器中可能等待的时间越短，但每一帧包含的数据越少。线路传输的每一帧数据，除了各路信号传输的数据外，还有一些开销（overhead）。

从最初30/32的数字基带交换机到如今的同步数字体系（Synchronous Digita1Hierarchy， SDH），125μs对公共交换电话网（Pub1ic Switched Te1ephone Network，PSTN）和宽带综合业务数字网（Broadband Integrated Services Digita1Network，B-ISDN）等具有重要的意义。

图1.10给出了通过时分复用技术互联4对终端的过程，图1.10（a）所示的连接方式完全等同于图1.10（b）所示的连接方式，只是图1.10（a）所示的连接方式将4条传输速率为64kb/s的点对点物理链路复用到1条传输速率为256kb/s的点对点线路上。

图1.11所示的终端互联方式和图1.10相比，有着本质区别。分组交换节点输出端口根据先来先服务原则输出数据，每个输入端口占用输出端口的时间是随机的，由通过该输入端口输入的数据长度和密度确定。如果一段时间内，只有某个输入端口输入数据，则由该输入端口完全占用输出端口的服务时间。在所有输入端口以相同密度输入数据的情况下，各输入端口占用输出端口的时间比例也是不同的，由通过输入端口输入的数据长度确定。当然，如果输入端口输入数据的速率之和超过了输出端口的输出速率，输出端口的输出缓冲器最终将溢出，导致一部分通过输入端口输入的数据被丢弃。但由于通过输入端口输入的数据具有间歇性和突发性，输入端口输入速率之和可以大于输出端口的输出速率。这种根据先来先服务和每一次服务输出一组完整数据的原则分配输出端口服务时间的方式称为统计复用方式（又称异步时分复用），以区别于同步时分复用方式。

如今的无线移动通信中，频分复用和时分复用技术已分别扩展为频分多址（Frequency Division Mu1tip1e Access，FDMA）和时分多址技术（Time Division Mu1tip1e Access，TDMA）。

3.波分复用技术

波分复用是将多个单一波长的光信号复用在一起，而且每一种光信号只有有光和无光两种强度。根据同一光纤上复用光信号的波长数量，存在波分复用和密集波分复用（Dense Wave1ength Division Mu1tip1exing，DWDM）两种复用技术，一般将在一根光纤上复用16种及以上不同波长光信号的复用过程称为密集波分复用。由于受光/电或电/光转换电路的限制，单一波长光信号传输的速率目前很难超过40Gb/s，而在远距离传输时，因为存在色散问题，更是如此，因此波分复用技术是目前提高单根光纤数据传输速率的有效方法。

与频分复用过程一样，波分复用发送端用复用器（合波器）将不同波长的光信号复用到同一光纤上，接收端用分路器（分波器）将不同波长的光信号分离出来，如图1.12所示。

1.3.3 网络中的信息传输技术

信息在网络中传输的完整过程包括信息的复用、传输和交换。复用方式和传输方式对交换方式有很大影响。1.3.2节简析了复用技术，下面介绍同步传输模式（Synchronous Transfer Mode，STM）和异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）。

1.同步传输模式

同步时分复用是指将时间划分为基本时间单位，每一帧的时长固定（一般为125μs）。每帧分成若干个时隙，并按顺序编号，各帧中编号相同的时隙为同一个子信道，该信道速率恒定，周期性地出现。一个子信道传输一路信息。因此，根据信道在时间轴上的位置，就可以知道信道号。

同步传输模式的优点是一旦建立连接，该连接的服务质量不会受网络中其他用户的影响。这对恒定比特率业务没有影响。对可变比特率业务而言，它会降低信道利用率。

2.异步传输模式

异步传输模式采用异步时分复用技术，把需要传输的信息分成很多分组。每个分组前附加标志码，说明分组去往哪个输出端。来自同一用户信息划分的分组，标志码相同。各分组在复接时可以使用任何时隙（子信道）。这时，一个信道中的信息与它在时间轴上的时隙没有必然联系。将这样的子信道合成为一个信道的技术，称为异步时分复用或统计时分复用，如图1.13所示。

对异步时分复用信号的交换实际上是按照每个分组信息的路由标记，将其分发到出线，这种交换方式叫异步时分交换。

异步时分复用的优点是能够统计地、动态地占用信道资源。在连接建立及带宽分配时， ATM与输入业务流速率无关。在相等的信道资源前提下，ATM比STM接纳的连接数更多。