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1、第 2 章 交换单元与交换网络1目 录2.1 引言交换信号形式及时分复用技术2.2 交换单元模型及数学描述2.3 基本交换单元2.4 交换网络2.5 小结22.1 引言交换信号形式及时分复用技术2.1.1 交换信号形式2.1.2 时分复用技术32.1.1 交换信号形式交换信号形式：电信号 和 光信号。 电信号：模拟信号和数字信号数字信号交换：同步时分复用信号(电路交换) 统计时分复用信号（分组交换） 波分复用和时分复用区别？42.1.1 交换信号形式（1）模拟信号 和 数字信号交换优缺点?（2）模拟信号数字化后有什么优势？ （语音信号频率3004000Hz）（3）模拟信号如何进行数字化？52.
2、1.1 交换信号形式模拟信号数字化脉冲编码调制（PCM）这一过程叫编译码和滤波过程交换机的用户啊电路完成。抽样频率?62.1.2 时分复用技术量化误差？782.1.2 时分复用技术数据率多少？92.1.2 时分复用技术同步时分复用 和 统计时分复用102.1.2 时分复用技术112.2 交换单元模型及数学描述2.2.1 交换的基本单元2.2.2 交换的数学描述122.2.1 交换的基本单元如何用数学模型来描述这个交换单元呢？（抽象的过程）132.2.1 交换的基本单元交换单元的方向性交换单元集中式和扩展式142.2.1 交换的基本单元152.2.2 交换的数学描述连接连接：（点到点，同发，广播
3、等）、集合、函数等概念162.2.2 交换的数学描述图形、函数和排列表示172.2.2 交换的数学描述几种常见的连接函数直线连接交叉连接间隔交叉连接洗牌连接182.2.2 交换的数学描述几种常见的连接函数19作业：写出几种常见连接函数、排列和图形表示形式。202.3 基本交换单元2.3.1 引言2.3.2 开关阵列2.3.3 空间交换交换单元S2.3.4 时间交换单元（时间连线器）T2.3.5 总线性交换单元2.3.6 小结212.3.1 引言如何建立一条入线和一条出线之间的连接 ？ 最简单的方法：使用开关。如何建立任意入线和任意出线之间的连接 ？ 最简单的方法：使用开关阵列。 开关应该具有：
4、控制端和状态端。222.3.2 开关阵列（分类）（一）继电器 继电器是由外部的电流流经一个线圈产生磁场，使一对或多对机械触点吸合或断开，从而达到控制电路通断的目的。用继电器构成的交换单元应是无向的，并且既可交换模拟信息，又可交换数字信息。继电器的动作会对其它部件产生干扰和噪声，其动作较慢，体积也较大。q继电器的动作较慢，一般为继电器的动作较慢，一般为ms数量级；数量级； q继电器的体积较大，一般为继电器的体积较大，一般为cm数量级。数量级。23（二）模拟电子开关q模拟电子开关利用半导体材料制成，取代继电器构成小型交模拟电子开关利用半导体材料制成，取代继电器构成小型交换单元。如换单元。如MOTO
5、ROLA公司生产的公司生产的MC142100和和MC145100是是44的电子开关阵列。与继电器相比，其构成的交换单元的电子开关阵列。与继电器相比，其构成的交换单元有如下重要特点：有如下重要特点： q体积小。如构成体积小。如构成88交换单元的全部开关及其连线可以集成交换单元的全部开关及其连线可以集成在一个芯片上；在一个芯片上； q开关动作比继电器快得多。同时产生的干扰和噪音极小；开关动作比继电器快得多。同时产生的干扰和噪音极小； q信息在半导体材料中传送，信号只能单方向传送，并且衰耗信息在半导体材料中传送，信号只能单方向传送，并且衰耗和时延较大。和时延较大。（三）数字电子开关它可以简单地用逻辑
6、门构成，用于数字信号的交换，其开关动它可以简单地用逻辑门构成，用于数字信号的交换，其开关动作极快并且没有信号损失。作极快并且没有信号损失。 24（四）22连接单元25（五）多路选择开关26多路选择器构成多路选择器构成MN交换单元交换单元272.3.3 空间交换交换单元S 空间接线器用来完成同步时分复用信号的不同复用线之间空间接线器用来完成同步时分复用信号的不同复用线之间的交换功能，而不改变其时隙位置，简称为的交换功能，而不改变其时隙位置，简称为S接线器。接线器。 功能：功能： S接线器完成不同复用总线接线器完成不同复用总线(PCM线线)间同一间同一TS之间的交之间的交换换; S接线器是通过控制
7、存储器控制电子交叉矩阵接点的闭接线器是通过控制存储器控制电子交叉矩阵接点的闭合来实现合来实现TS在不同在不同PCM间的交换的。间的交换的。 组成结构：组成结构： 电子交叉矩阵电子交叉矩阵(开关时间所要求开关时间所要求) CM (控制存储器）控制存储器）2829工作方式：工作方式： q输入控制：输入控制：CM组号对应输入组号对应输入HW （控制线与输入（控制线与输入HW平行。）平行。） q输出控制：输出控制： CM组号对应输出组号对应输出HW -可以完成广播可以完成广播的功能的功能 （控制线与输出（控制线与输出HW平行。）平行。）CMC的容量：的容量： 每组单元的数量等于其控制每组单元的数量等于
8、其控制HW线上的时隙数。线上的时隙数。 每个存储单元的字长，等于入线（或出线）地址每个存储单元的字长，等于入线（或出线）地址编号的二进制码位数编号的二进制码位数 实质：实质： 通过时间分割的手段来完成空间通过时间分割的手段来完成空间HW交换。交换。 302.3.4 时间交换单元（时间连线器）Tn功能：完成同一复用总线功能：完成同一复用总线(PCM线线)上不同时隙间的交上不同时隙间的交换。换。 对位置化信道：对位置化信道：TS3TS8，等待，等待5个时隙后输出即可。个时隙后输出即可。n组成结构组成结构：SM(Speech Memory)存储话音信息存储话音信息 CM(Control Memory
9、)控制控制SM的读写的读写n原理：先存储，后转发。原理：先存储，后转发。 n工作方式工作方式： q输出控制：输出控制： （顺序写入，控制读出）（顺序写入，控制读出）q输入控制：（控制写入，顺序读出）输入控制：（控制写入，顺序读出）（掌握两种工作方式下的工作过程，会区分工作方式）（掌握两种工作方式下的工作过程，会区分工作方式）31存储话音信息存储话音信息控制控制SM的读写的读写32T连接器输出控制T连接器输入控制33nSM： 暂存时隙的数字语音信息；暂存时隙的数字语音信息； 每个每个TS占用占用SM的一个单元；的一个单元； SM容量对一条容量对一条PCM而言而言, 容量容量=328bit。 nC
10、M： 提供提供SM的读写地址的读写地址, 它是由处理机在链路试选时写它是由处理机在链路试选时写入的；入的； 提供时间信息提供时间信息: 即在哪一时隙对即在哪一时隙对SM进行读或写进行读或写(由由CM的地址单元号提供的地址单元号提供)； 提供地址信息提供地址信息: 即在即在某个时隙对某个时隙对SM的哪一个地址进行读或写的哪一个地址进行读或写(由由CM内容内容提供提供)； 容量：一条容量：一条PCM而言，而言，325bit。342.3.5 总线性交换单元总线是一个最早用在计算机领域中的名词，它指的是把计算机中的各个部件连接在一起的一种技术设备。 计算机局域网中就使用了总线来完成电信交换的功能 。3
11、5内容：交换类型、缓存容量、总线速度36n入线控制部件的功能是接收入线信号，进行相应的格式变换，放在缓冲存储器中，并在分配给该部件的时隙上把收到的信息送到总线上。因为输入信息是连续的比特流，而总线上接收和发送信息则是猝发的，所以设一个入线控制部件，每隔时间获得一个时隙，输入信息的速率为V b/s，则缓冲存储器的容量至少应是(V) bit。 37n出线控制部件的功能是检测总线上的信号，并把属于自己的信息读入一个缓冲存储器中，进行格式变换，然后由出线送出，形成出线信号。同理，设一个出线控制部件，在每个时间段内获得的信息量是一个常数，而出线的数字信息的速率为V b/s，则缓冲存储器容量至少应是(V)
12、 bit。 38n总线一般包括多条数据线和控制线。数据线用于在入线控制部件和出线控制部件之间传送信号，控制线用于控制各入线控制部件获得时隙和发送信息，以及出线控制部件读取属于自己的信息。其中数据线的多少对于交换单元的容量有决定性的意义，因此把总线包括的数据线数量称为总线的宽度。 n总线时隙分配要按一定的规则进行。最简单也最常用的规则，是不管各入线控制部件是否有信息，只是按顺序把时隙分给各入线。比较复杂但效率较高的规则是只在入线有信息时才分配时隙给它。39n 由上述的功能描述可以看出，总线上的信号是一 个同步时分多路复用信号。并且，所有输入信号 将被复合成为一个信号。 n若有N条入线，每条入线的
13、信号速率是V b/s，则总 线上的信号速率就是NV b/s。因此，在总线型交换单元中，总线是信息的集散地。n若入线较多且输入信号的速率较高，则总线上的信 息速率会变得非常高。所以总线型交换单元入线数和信号速率受总线能够传送的信息速率及入线、出线控制电路的工作速率的限制。 40n设总线上的一个时隙长度不超过T，且在一个时隙中只能传送B bit，则有kNVB/Tn其中，k是时隙分配规则因子。若采用简单的固定分配时隙的规则，k1；若采用按需分配的规则，k1。 1/k反映了总线的利用程度。因此，可以通过增加B、减少T 或减少k 来增加交换单元的容量。 412.3.6 小结 开关阵列的选择与控制。422
14、.4 交换网络2.4.1 引言2.4.2 CLOS网络2.4.3 TST网络2.4.4 BANYAN网络2.4.5小结43回顾:交换复用连接（连接函数）开关（开关阵列组成的连接器）网络(单级与多级交换网络区别)网络的问题：组合（拓扑结构）、概率（某一瞬间网络的状态，以及连接的阻塞概率）和变分问题（路由问题，即最佳选路）。44n单级或多级交换网络，是指交换单元按照一定的拓扑结构连接；nK级交换网络的概念；所有的入线都只与第1级交换单元连接；所有的第1级交换单元都只与入线和第2级交换单元连接；所有的第2级交换单元都只与第1级交换单元和第3级交换单元连接；依次类推，所有的第K级交换单元都只与第K-1
15、级交换单元和出线连接；45右边为nmnm两级交换网络等效于一个nmnm单级交换网络单级交换网络无堵塞，而多级交换网络有堵塞，那为什么要使用多级交换网络呢？拓扑设计组目标？交叉点多少？价格多少？设计要求什么？如n=m=8，试比较单级交换网络与两级交换网络交叉点数的差异。462.4.1 引言交换复用连接开关网络(组合 概率 变分)网络阻塞单级交换网络不存在阻塞；多级交换网络出、入线空闲，但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象称为多级交换网络的内部阻塞。阻塞分类？如何避免阻塞？交换网络拓扑设计目标？严格无阻塞； 可重排无阻塞；广义无阻塞。472.4.2 CLOS网络构造如图所示的NN三级交换网络
16、。交叉点增长的速度小于N1+ 01m,n,r为网络参数，决定交换单元容量，记为n=6,m=11,r=6时需要多少个交叉点？严格无阻塞条件？可重排无阻塞条件？48排列函数为：可重排无阻塞条件？非对称CLOS网络，入线M，出线N，MN492.4.3 TST网络50回顾一下T连接器和S连接器51525354552.4.4 BANYAN网络n以22交换单元为基础构件构成的多级互连网络得到了高度重视，BANYAN就是由若干个22交换单元组成的多级交换网络。 5644二级交换网络注：每一条入线到每一条出线都有一条路径，注：每一条入线到每一条出线都有一条路径， 并且只有一条路径。并且只有一条路径。（一）唯一
17、路径57用12个22交换单元就可以构成个88的三级交换网络 58n用较小的BANYAN网络构成较大的BANYAN网络，其构成方法如下： n假设已有NN的BANYAN网络，需构成2N2N的BANYAN网络，则可使用2组NN，再加上一组N个22交换单元构成。第一组NN的N条出线分别与N个22的某一入线相连，第二组NN的N条出线分别与N个22的另一入线相连。例如，用88 BANYAN网络构成1616 BANYAN网络时，可用2组88，加上8个22交换单元构成，共需32个22交换单元。 n对于NN的BANYAN网络，其级数约为Mlog2N，每一级需要N/2个22交换单元，共需要(N/2)log2N个2
18、2交换单元。59全部全部8条通往出线条通往出线3上的路径，每条路径上三个交换单元的出上的路径，每条路径上三个交换单元的出线号码都分别是线号码都分别是0、1、1组合起来的二进制数字组合起来的二进制数字011正是正是BANYAN网络的出线号码网络的出线号码3。 图 2-31（二）自由选路60工作过程简单、模块化、可扩展性好及信元交换时延小等优点，但有内部阻塞！简单、模块化、可扩展性好及信元交换时延小等优点，但有内部阻塞！616263内部阻塞的解决方法 1.通过适当限制入线上的信息量或加大缓冲存储器来减少内部阻塞 内部阻塞是在22交换单元的两条入线要向同一个出线上发送信元时产生的，在最坏的情况下，这个概率是1/2。但是，如果入线上并不总是有信号，这个概率就会下降。 2. 通过增加多级交换网络的多余级数来消除内部阻塞 例如，把88 BANYAN网络的级数由3增加到5，就可以消除内 部阻塞。事实上，有人已经证明了，若要完全消除NN的BANYAN网络(其级数为Mlog2N)的内部阻塞，至少需要2log2N-1级。 3. 增加BANYAN网络的平面数，构成多通道交换网络。 4. 使用排序-BANYAN网络，这是解决BANYAN网络的 内部阻塞问题的一个重要方法。64BATCHER排序-BANYAN交换网络65662.5 小结交换-复用连接-函数开关-单元网络-交换67
