电路交换-最早的电话交换方式

1．2．1　电路交换

电路交换（Circuit Switching，CS）是最早出现的一种交换方式，起初用于电话交换机，完成电话交换。世界上第一代电话交换机采用的是空分电路交换方式，即利用接点等开关元件构成电路交换网络，因此，这种交换方式称为电路交换方式。

1．电路交换方式的电话网络

（1）电话交换的过程

图1．10所示为电路交换方式的公共交换电话网络（Public Switched Telephone Net－work，PSTN）示意图。电话通信的过程是：主叫和被叫两点之间首先要建立双向的话音传送通路（物理线路）才能进入通话阶段，而且双方不通话时，其他用户不能使用其线路。在通话过程中，任何一方挂机，交换机会拆除已建立的通话通路，并向另一方送忙音提示挂机，从而结束通话。

图1．10　电路交换方式的电话通信网（PSTN）示意图

电话通信的过程也就是电路交换的过程，因此电话交换的过程可分为三个阶段：连接（呼叫）建立、信息传送（通话）、连接（呼叫）拆除，如图1．11所示。

图1．11　电路交换的基本过程

（2）电路交换的特点

①信息传送的最小单位是时隙

电路交换基于脉冲编码调制（PCM）传输系统中的时隙（Timeslot，TS），即通信的信道为时隙。在PCM30/32路传输系统中，每帧的时间是125μs，将其分割成32个时间片，每一个时间片称为一个时隙（E1接口为32个时隙）。时隙是电路交换方式传输、复用和交换的最小单位。

②同步时分复用（固定分配带宽）

所谓时分复用，就是采用时间分割的方法，把一条高速数字信道分成若干条低速数字信道，构成同时传输多个低速信号的信道。

同步时分复用指的是把时间划分为等长的基本单位（帧），每帧占用时长是固定的125μs。每帧再划分为更小的单位时隙（TS），TS按其在帧中的位置进行编号，所有帧中编号相同的时隙组成一个子信道，该信道是恒定速率的，在时钟脉冲的控制下，周期性地出现，因此称为同步时分复用。一个子信道传递一路信息，这种信道也称为位置化信道，根据它在时间轴上的位置，就可以知道它是第几路信息。这条高速数字信道也称为同步时分复用线。

对同步时分复用信号的交换实际上是对信息所在位置的交换，即时隙的内容在时间轴上的移动，称为同步时分交换。

同步时分复用系统，每秒传送8 000帧，每帧32个时隙（125μs，256 bit），每个时隙8 bit（3．9μs），固定长度，每路通信信道的速率为64 kbit/s（恒定速率），即对每路通信所分配的带宽是固定的。PCM32路同步时分复用系统的帧结构如图1．12所示。

图1．12　PCM30/32路同步时分复用系统的帧结构

③面向物理连接的工作方式

所谓物理连接，是指用户通信时，建立的连接由一条接一条的专用电路资源连接而成，无论是否有用户信息传送，这条专用连接始终存在，且每一段占用恒定的电路资源，这个连接则称为物理连接。电路交换在传送信息之前，先建立通信的源和目的之间的一条物理连接通路。

④信息具有透明性

电路交换对所传送的话音信息不做任何处理，而是原封不动地传送，即透明传送。

⑤信息传送无差错控制

电路交换是专门为电话通信网设计的交换方式。话音业务的特点是对实时性要求高，而对可靠性要求不高，因此，在电路交换中对所传送的话音信息没有差错控制机制。

⑥基于呼叫损失制的流量控制

在电路交换中，当满负荷时，再到来的呼叫则直接损失掉，从而达到流量控制的目的。

电路交换适合于实时性强、可靠性要求不高、恒定速率的业务。

2．利用PSTN进行数据传输

（1）数据通信和电话通信的区别(www.xing528.com)

①通信对象不同

数据通信实现的是计算机和计算机之间以及人和计算机之间的通信，而电话通信是实现人和人之间的通信。计算机之间的通信过程需要定义严格的通信协议和标准，计算机完成的每件工作都需要人预先编好程序。

②传输可靠性要求不同

数据信号使用二进制“0”和“1”的组合编码表示，如果一个码组在传输过程中发生错误，则在接收端会被理解成为完全不同的含义。特别是对于银行、军事、医学等关键事务的处理，发生毫厘之差都会造成巨大的损失，因此，一般数据通信的比特差错率控制在10^－8以下，而电话通信比特差错率可高达10^－3。

③通信过程中信息业务量特性不同

电话通信双方讲话的时间平均各占一半，一般传输信道中不会出现长时间没有信息的情况。而计算机通信双方处于不同的工作状态，数据的传输速率差别非常大，如果用户希望获取大量文件，则一般传输速率在100 kbit/s～1 Mbit/s之间。为了满足数据通信的要求，必须构建数据通信网络，以满足高速传输数据的要求。但是在20世纪60年代人们开始进行数据通信时，使用的却是电话网络，只满足了当时对数据通信的要求。

（2）利用电话网络进行数据传输

①调制解调器

由于人们设计电话网络的目的是用于传输0．3～3．4 kHz的模拟话音信号，如果使用这样的通道传输数据信息，在发送端必须有相应的设备，将数字数据信号变换成模拟信号，即与信道相适应的信号格式，这个过程称为调制；在接收端，必须从收到的模拟信号中，恢复出数字数据信息，这个过程称为解调。由于通信一般是双向的，所以一个设备通常要具备调制和解调的双重功能，完成上述功能的设备，称为调制解调器（modem）。

②利用电话网络进行数据传输的过程

下面以非对称数字用户线路（Asymmetrical Digital Subscriber Line，ADSL）为例，说明利用电话网络进行数据传输的过程，图1．13为ADSL数据传输示意图。由图可见，在电话通信网中，话音信息传到中继线上，已经变成了PCM数字信号，但是用户环路上仍然是模拟信号。所以在实际中，发送端计算机输出的数字信号，要经过调制解调器将其变换成模拟信号，此过程称为调制（D/A变换）。模拟信号经过发送端的用户线送给发送端交换机，发送端交换机将模拟信号变成数字信号，此过程称为解调（A/D变换）。数字信号在网络中（中继线上）直接传输，到接收端局，必须再将数字信号变换成模拟信号（调制，即D/A变换），然后通过接收端的用户线送给调制解调器，将模拟信号转变成数字信号（解调，即A/D变换）后交给计算机系统。

图1．13　利用电话网络进行数据通信的示意图

可见，利用电话网络进行数据传输，只需通信的双方附加调制解调设备就可以进行低速数据传输，这就是目前访问Internet只要求用户拥有计算机、调制解调器和电话线就可以了。

（3）使用电话网络进行数字数据通信的缺点

在电话网络中进行数字信号传输至少需经过两次调制解调即A/D、D/A变换，增加了信号传输的开销。虽然网络内部对于每一路数字话音提供的是64 kbit/s传输速率，但是因为用户环路传输的是模拟信号，从而限制了网络中可以传输的数字信息速率。

3．电路交换方式的数据网络

为了克服用户线上传输比特率的限制和当时空分交换的缺陷，人们在20世纪70年代提出了基于电路交换的数据网络，用户线直接接入用户的数字设备（如计算机），进行数字信号的传输（即PCM传输）和数字交换（即程控交换），这就是所谓的电路交换数据网络（CS－DN），其典型应用实例如图1．14所示。数字接入可以提供64 kbit/s和128 kbit/s速率的数字信号的直接接入，不必附加相应的调制设备进行模拟信号和数字信号的转换。但是电路交换数据网络由于采用了类似于电话网络的电路交换，网络无法根据链路上传输的数据量合理分配资源，同样使网络传输效率比较低。

图1．14　利用电路交换的数据通信网络

4．电路交换的主要优缺点

（1）主要优点

①信息的传输时延小。

②信息以数字信号形式在通路中“透明”传输，交换机对用户的数据信息不存储、不分析、不处理，交换机的开销小，传输效率比较高。

③信息的编码方式和信息格式由通信双方协调决定，不受网络的限制。

（2）主要缺点

①电路的接续时间较长，网络利用率低。

②电路资源被通信双方独占（固定带宽分配方式），电路利用率低，不适合突发业务。

③通信双方在信息传输、编码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容，这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信协议的用户终端直接的互通。

④有呼损。由于电路交换无差错控制机制，在出现对方用户终端设备忙或交换网负载过重时，呼叫不通，因此，电路交换不适合差错敏感的数据业务。