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电话交换技术的昨天、今天和明天?

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在21世纪的第一个10年,人类社会已经进入信息时代,通信技术已经渗透到生活中的每个角落。通信技术中的一个重要的分支是交换技术,而实现交换的设备是交换机。在通信领域,连接电话呼叫的交换机通常存放在交换局或者中心局,交换机可以建立链路并中转语音信息,使电话呼叫能够运作起来。简单地说,通信交换指的就是由交换机提供的服务。

通信交换的历史源远流长,自第一部电话发明以来,交换即成为通信的必须步骤。1878年,在美国康涅狄格州的纽黑文市开设了世界上第一个电信交换局。当时的交换完全由电话接线员手工处理。每个接线员座位周围可能有一面到三面接驳板,板上是耳机插座,前面还有电话线。每条线都是一路电话线的端点。当呼叫方摘起话机发出请求时,接线员可以根据被叫的号码来接入对应的插座,如果电话号码在其管理的范围之内,接线员就将插头插进一个本地的插孔,然后被叫方就开始响铃了;如果不归其管辖,接线员就插进一个交接电路。

多数的人工交换局都是共电式的,即电话线路由中心局供电。当用户提起话机,线路状态转变为摘机,在接线员的交换台上面会有灯亮起,并有蜂鸣器响起。在一般的共电系统中,从用户电话机到交换机(或者人工交换局)的一对电缆在电话挂机或者空闲状态时是开路的。从电话局穿过导线到达端点时,两端有48V直流电压。当用户摘机时,电话在两条线之间加上一个直流阻抗。早期的人工电话交换机如图

早期人工电话交换机

1891年3月10日,美国人阿尔蒙·斯特罗格为了减少人工电话接线员而发明了步进式交换机,这种设备将电话交换技术带入自动化时代。步进式交换机有很多变种和改良,但最为人熟知的设计就是安排10层接触器,每个接触器有10个不同输出,它们围成一个圆弧,然后圆心处设置一个连接到输入的中心接触器。当拨打电话时,每拨打两个号码,第一个号码使中心接触器升降到对应的一层,第二个号码则使它转动到该层对应的10个接触器中某一个。

步进式交换机后来受到纵横式交换机技术的挑战。这种交换机可以提供更快的交换速度,并可以接受大约20脉冲/秒的拨号速度,比步进式交换机的10脉冲/秒高约一倍。下图所示为纵横式交换机的原理图。关于其工作原理,此处不做详述,感兴趣的读者可参考相关资料。

纵横式交换机原理图

步进式交换机之后是电子交换机,美国的1ESS(注意:是“1”,不是“I”)是一种使用金属导线的有代表性的电子交换机。电子交换机使用了微处理器和存储程序控制交换技术(SPC)。在电子交换机上,修改电话号码、测试或者对线路置“忙”都是在计算机终端上输入相应指令完成的。1ESS可以支持纵横式电话交换机和步进式电话交换机所使用的正常机电信令。这种交换机引入了一种新的数据通信形式:两台1ESS交换机可以互相通过一种称为公共信道局间信令(CCIS)的方法互相通信。这种数据连接方法即是后来广泛应用的No.7信令系统的前身。

早期电子程控交换系统和机电式交换机并无本质区别,都采用空分话路交换,所交换的信号也全部为模拟信号。因此,这类程控交换机也叫作模拟程控交换机。

目前,应用最为普遍的是数字程控交换机。数字程控交换机根据所拨的电话号码,将两个或多个数字虚电路连接起来完成交换。在两台交换机之间建立起呼叫需要用到No.7信令协议(或其变种)。20世纪80年代以后制造的所有交换机都是数字程控交换机。

数字程控交换机在极短的时间片内对语音进行编码。在每一个时间片内,实时产生语音信号的数字表达式。这些表达式将被发送至接收端,在那里则执行相反的操作,从而在接收端的电话中产生声音。换句话讲,当使用电话时,声音在发起呼叫端被编码,在对端解码,重新产生声音。在整个过程中,声音只发生了非常小,一般只有几分之一秒的延迟。从这个角度讲,电话并不是真正的实时通信,因为声音需要重新产生,尽管只延迟了非常短的时间。

数字程控交换机的控制部分采用计算机,话路部分交换的是经过脉冲编码调制(PCM,Pulse Code Modulation)后的数字化的话音信号,数字交换机的交换网络是数字交换网络,用户话机发出的模拟话音信号在数字交换机的用户电路上要转换为 PCM 信号。总的来说,数字程控交换机是数字通信技术、计算机技术与大规模集成电路相结合的产物。

数字程控交换机的主要优点是:

能灵活地向用户提供多种新服务功能;

便于采用共路信令系统;

体积小、重量轻、功耗低、可靠性高;

操作维护管理自动化。

电话交换机通常由电信服务提供商运作,随着经济和技术的发展,现在很多独立的企业或者商业单位也拥有了自己的交换机,称为用户交换机(PBX,Private Branch Exchange),在欧洲的某些地方,PBX也被称为PABX(Private Automatic Branch Exchange)。

程控数字交换机的产品多种多样,比较典型的见表

从整个通信网的角度分析,电话交换机只是庞大的电信网络中的小部件。电信系统最艰巨的工作和最昂贵的部分是中心局外面的布线。早期的电信系统中,每个用户号码需要从交换机到用户电话拉一对线。普通的一个交换局可能有数万对线连接到终端盒上(称为主分发框(MDF,Main Distribution Frame))。MDF有保护部件如保险丝等防止电源线短路或者外部电压过高等。典型的电话公司通常使用一个大型数据库跟踪每一对用户线。为了减少外部电路的成本,一些电信公司采用“线对增容”设备来为用户提供电话服务。线对增容设备可以减少铜线对的长度,并可以使用ISDN或者DSL这些数字服务。线对增容或者数字环路载波(DLC)放置在中心局以外,通常是在大用户旁边,距离中心局有一定距离的地方。

技术的发展日新月异,电信网和因特网正越来越趋于融合,通信应用也正加速向IP方向发展,交换技术由电路交换技术向分组交换转变,软交换技术将成为这个转变的关键。

软交换实际上是一种控制设备,它源于这样的思路:把传统交换机按功能分解,控制功能由软交换完成,承载功能由媒体网关完成,信令功能由信令网关完成。由于软交换只涉及呼叫发起和接收的节点,简化了信令的结构和控制的复杂性,具有对网络业务、接入技术和智能业务的开放性,新兴运营商将其作为进入话音市场的技术手段,而传统的电路交换网运营商也可通过它完成向分组化网络的过渡,所以它被认为是未来通信技术的趋势之一。

作为在IP基础设施上提供电信业务的关键,软交换技术将在下一代网络中起着核心的作用。

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