交换原理课设.docx
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交换原理课设
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2012年春季学期
《交换原理》课程设计
题目：
西校区校园电话交换网络规划__
专业班级：
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姓名:
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学号：
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指导教师：
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成绩：
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摘要
电话交换网是利用数字程序交换机来完成通信中的信息交换网络，它将交换机的各个功能模块连接在一起完成信息的交换过程。
本次课设主要设计了兰州理工大学西校区校园电话交换网络，通过调查西校区现有的固定电话用户数，进行用户话务量调查，估算忙时话务量，并进行分析，根据用户容量进行用户编号计划，最后设计出呼损概率小于等于5%的无阻塞校园电话交换网络。
数字交换网络是数字交换的核心，交换机的容量主要取决于交换网络的大小和处理机系统的呼叫处理能力。
数字交换网络处于系统结构的中心，它为各种终端模块提供接续通路，也为终端处理单元和辅助处理单元中的微处理机之间传递控制信息提供通路。
关键词：
电话交换网络；数字程控交换机；忙时话务量
目录
前言1
第1章设计目标及要求2
第2章DSN网络的基本原理3
2.1数字交换网络3
2.2处理机6
2.3DSN的工作原理10
2.4DSN的扩充10
第3章话务量的概念及计算12
3.1话务量及其计算12
3.1.1话务量12
3.1.2话务量的概念12
3.1.3话务的统计及对用户的调查13
3.1.4话务量的计算14
3.2中继线的计算15
3.3用户交换机配置计划的技术要求和技术指标15
3.3.1呼损概率15
3.3.2交换网络的阻塞概率15
3.3.3交换系统的呼叫处理能力15
第4章硬件设计18
总结19
致谢20
参考文献21
前言
现代交换原理课程设计作为现代交换原理课程的重要组成部分，目的使学生进一步理解课程内容，完成校园电话交换网络的设计，增强学生理论联系实际的能力，提高学生的分析和设计能力。
通过实践教学引导学生理论指导下有所创新，为以后工程实践奠定基础。
现代交换原理课程是一门理论性、工程性和实践性都很强的课程。
理论教学和实践教学相结合，才能提高学生的综合能力。
本次课程设计通过以下几方面提高能力培养：
1.学生自己统计用户数量，根据实际需求设计校园电话交换网络。
2.注意与实践的结合，在理论中讲清基本原理，然后在实际中加以运用，为以后的工作实践奠定基础。
第1章设计目标及要求
现代交换技术是通信网络中的关键技术，它决定了网络的性能以及向用户提供何种。
对于用户来说，在减低成本的前提下，保证网络的高可靠性、高性能、易维护、易扩展，与采用何种组网技术密切相关；对于设备厂商来说，在保证用户网络功能实现的基础上，如何能够取得更为可观的利润，采用组网技术的优劣，成为提高利润的一个手段。
本次设计要求学生在掌握交换原理的基础上，完成数字交换网络硬件图纸设计，以期达到培养学生综合应用基础知识和提高动手设计的能力和实际操作水平，为今后的工作积累经验。
设计任务：
掌握DSE的工作原理和DSN的组网规则，熟练运用基本设计方法进行系统设计，实现DSN网络硬件设计。
工作要求：
1、分析DSE的工作原理；
2、研究DSN的组网规则；
3、实现18846用户的电信级DSN网络图纸设计；
4、提交设计图纸、设计说明。
第2章DSN网络的基本原理
2.1数字交换网络
1.DSE的结构
DSE是组成数字交换网络（DSN）的基本单元。
双交换端口0
RX交换
TX端口0
交换RX
8端口TX
···
···
39线并行
时分复用总线
双交换端口0
RX交换
TX端口7
RX交换
15端口TX
时钟
图2.1DSE的结构
（1）每个DSE由8个双交换端口构成，共有16个交换端口。
每一个交换端口是双向端口，分为发送侧（TX）和接收侧（RX）两部分。
每一个交换端口接一条32路双向PCM链路，输入/输出串行码率为4096Kb/s,每帧32路，称为32个信道，每路16b。
（2）16个交换端口之间用39条并行时分复用总线连接，包括：
数据总线16线；
端口地址总线4线；
信道地址总线5线；
控制总线5线；
证实线1线；
返回信道总线5线；
时钟线3线；
（3）端口的接收侧（RX）包括有：
输入同步电路：
由于输入PCM链路的速率虽然相同，但其相位可能有差异，即其帧和位可能不同步，本电路就是为使帧和位同步。
端口：
它有32个存储单元，每个单元对应着1条信道，其存入内容是该信道应接续的发送端口号码。
信道RAM：
它有32个存储单元，每个单元对应着32条信道，其存入内容是该信道应接续的发送话路号码。
（4）端口的发送侧（TX）包括有：
端口8
端口0数据
端口
···
···
PCM入输入
同步
端口15
接收端
发送端
端口
RAM
信道
接收端RAM
数据
RAM
缓冲器
数据
RAM
PCM出
发送
控制
端口
比较器
发送端
端口7
···
···
TDM
总线
图2.2端口结构简图
数据RAM：
交换用的话音存储器，它有32个存储单元，分别对应32个信道。
它采用控制写入，顺序读出方式。
端口比较器：
将时分复用总线上的端口号码与本端口号码相比较，如果相同，就说明数据总线上的数据是送至本端口的。
发送控制：
用来协调发送侧的内部操作，如对RAM的读写，空闲话路选择。
DSE的16个交换端口中，任一端口接收侧32个信道中任一信道可通过时分复用总线连接到16个交换端口中任一端口发送侧32个信道中的任一信道。
所以，这实际上是一个512×512的无向分配型交换单元。
2.DSE工作原理
PCM链路每帧有32个信道，每路有16比特。
这16比特信息称为信道字，信道字可以有控制信息，又可以有用户话音/数据信息，DSE根据所收到的不同信道字来完成不同的任务。
信道字有四种：
（1）置闲信道字。
在话路空闲时传送，对已占用的话路，如连续2次收到置闲信号，就表示要使该话路置为空闲状态。
（2）选择信道字。
选择命令由端口号码、功能码、话路号码等组成。
空闲的接收话路上受到选择命令，意味着要根据选择命令的内容在DSE中建立连接，即把此话路与某发送话路相接通。
（3）数据信道字。
表示在信道中所传送的是话音或数据信息。
对此，8比特的话音信息来说，只用到16位中的8位。
（4）换码信道字。
表示本信道字中包含出理机传送的控制信息。
当选择和建立通路时，若所选信道成功，会沿一条证实线会送一个“证实”信号（ACK），若选择失败，就会回送一个“不证实”信号（NACK）。
NACK信息是通过PCM链中的某信道向与之相连的前一级端口回送的，并逐级反向回送给发送信道字的部件。
在DSE中，任一接收端口RX的一个信道CH，通过时分复用总线连接到任一发送端口TX的任意一个信道CH，就形成了DSE内部的一条通道。
这是由RX的控制逻辑电路根据外部送来的选择信道字，进行通路选择而建立的。
DSE具有建立、保持、拆除其内部通道的功能，并通过已建立的通路进行信息交换。
对选择信道字来说，可以选择指定的发送端口上的任一空闲路由，这称为指定选择；也可以选择发送端口任意空闲路由，这称为自由选择。
2.DSN网络结构
DSN网络是由多个总线型交换单元——DSE按照一定的连接方式连接而成。
DSN采用单侧折叠式结构，这种结构的所有出线/入线处于同侧，并使任何一个网络终端具有唯一的地址。
通路选择时根据出、入线端子的地址号进行比较，来决定接续路由的反射点，而且反射点可处在DSN的任一级，即接续路由不一定要经过DSN中的所有各级，DSN扩充方便，可平滑地进行扩充。
在交换网络需要扩充时，对原网络结构不需改动。
1.DSN的组成
时空一体的数字交换网络DSN（DigitalSwitchNetwork）采用时空一体数交换单元DSE构成，它将交换机的所有模块连在一起进行信息交换，完成用户通话功能。
S1240的DSN是一种多级模块化结构，为一种交换级的折叠式装置，由选面级交换器AS（AccessSwitch）和选组级GS（GroupSwitch）两部分组成。
其最少为一级，最多可到四级，第一级称为选面级，其余三级称为选组级，DSN是多级交换网络，它由入口级和选组级两大部分组成。
如图所示：
图2.3DSN的结构图
选面级和选组级均由完全相同的含有16个交换端口的数字交换单元DSE构成，不同之处仅在于它们的规模和职能。
每个交换端口接一条32路双向PCM。
2.2处理机
1）程控数字交换机的控制系统
程控数字交换机的控制方式主要是指控制系统中处理机的配置方式，可分为集中控制方式和分散控制方式。
分散控制方式又分为分级功能控制和全分布控制两种。
目前大、中容量的程控数字交换机均采用分散控制方式。
如EWSD、AXE10采用2级的分级功能控制结构，其中EWSD的2级处理机称为群处理机（GP）和协调处理机（CP），AXE10的2级处理机称为区域处理机（RP）和中央处理机（CP）；NEAX61、F150采用3级的分级功能控制结构，NEAX61、F1的3级处理机称为用户处理机（LPR）、呼叫处理机（CPR）和主处理机（MPR）；S1240采用分布控制结构，处理机分布在各个终端模块和辅助控制单元中。
程控数字交换机对控制系统的要求：
①具有足够大的呼叫处理能力，如前所述用BHCA值来衡量；②具有高度的可靠性，要求控制系统可靠地长期连续不间断地工作，系统中断累计时间在20年内不得超过一小时，平均在一年内不得超过三分钟；③能适应新业务和新技术发展的要求；④经济合理。
2）处理机的冗余配置
程控数字交换机不论采用何种控制结构，为了保证系统的可靠性，一般情况下，处理机都采取冗余配置措施。
处理机冗余配置方式有双机冗余配置和N+n冗余配置，其中双机冗余配置方式又可分为主/备用和话务分担方式；N+n冗余配置方式的处理机可以采用N+1备用方式。
负荷分担：
也叫话务分担，基本结构如图9所示。
两台处理机独立进行工作，正常情况各承担一半话务负荷。
当一台处理机产生故障可用另一台处理机承担全部负荷。
负荷分担的优点：
①过负荷能力强，能适应较大的话务波动；②可以防止软件差错引起的系统中断；③可联机扩容。
主/备用工作方式是指一台处理机联机运行，另一台处理机话路设备完全分离作为备用。
当主用处理机发生故障时，进行主备用转换。
（1）选面级交换器AS
选面级AS（AccessSwitch）也称入口级，是DSN的第一级，由成对的AS组成，每个AS就是一个单级的DSE，它有16个端口，可接16条PCM链路。
其功能是把进入数字交换网络的话务分配到选组级的几个平面上。
S1240的一个完整的DSN的AS最多可有1024个（512对）DSE，即：
8（选面级交换器）×8（交换单元／组）×16（组）＝1024个DSE。
一个AS是一个具有16个端口的DSE，其中4个端口（端口8～11）用于连接选组级，其余的12个端口与各种模块的控制单元TCE或ACE相连。
端口0～3─与模拟用户模块ASM、数字中继模块DTM、服务电路模块SCM、公共信令信道模块CCME相连；端口4～7─仅与模拟用户模块ASM（低话务量用户）相连；端口8～11─与选组级的平面0～3相连；端口12～15─与系统基本配置模块相连，如辅助控制单元ACE、时钟和信号音模块CTM、防卫模块DFM、外设与装载模块P&L等。
在S1240中，每一终端模块与一对选面级交换器AS（2个DSE）相连，这种通路的双备份，保证了模块与数字交换网的可靠连接。
每一模拟用户模块ASM有128条用户线，每一个DSE有8个端口可接ASM，因此每对选面级交换器AS最多可为128×8＝1024个用户服务。
每一数字中继模块DTM有30条中继线，每一个DSE有4个端口可接DTM，因此每对AS最多可接30×4＝120条中继线。
（2）选组级GS
选组级GS（GroupSwitch）是一个模块化的多平面交换网络，最多可配置4个平面，每一平面最多有三级接线器，为DSN的第2、3、4级，第2、3级最多有16组，每组最多有8个数字单元DSE；第4级最多有8组，每组最多有8个DSE。
选组级的平面数取决于终端话务量的大小，每个平面的级数以及每级所配备的DSE数则是由所连接的终端个数决定的。
选组级的作用是可使交换机中任一模块通过DSN到达任一其它模块。
图2.3所示为选组级的一个平面，第2、3级DSE的16个端口分为左右两侧，端口1～7在左，与前一级相连，端口8～15在右，与后一级相连，第4级DSE的16个端口集中在左侧，与前一级相连，这种结构称为单侧（第四级）折叠式多级（2、3、4级）结构。
2.网络连接规则
DSN网络中，各级DSE之间按一定规则进行连接。
（1）AS与GS2的连接
每一个AS可根据需要接至1～4个选组级平面，连接关系为：
AS端口号8──0；AS端口号9──选组级平面1；AS端口号10──选组级平面2；AS端口号11──选组级平面3。
8个AS（即4对AS）连接GS2的一个DSE，GS2的DSE入端口号（0～7）对应AS的DSE号。
（2）GS2与GS3的连接
GS2与GS3的连接如图2.4所示。
图2.4GS2与GS3的连接
其意义为：
GS2与GS3均在同组相连；GS2的DSE号总是与GS3的端口号相对应；GS2的端口号P2总是与GS3的P2-8的DSE相对应。
（3）GS3与GS4的连接
GS3与GS4的连接如图2.5所示。
图2.5GS3与GS4的连接
其意义为：
GS3的组号对应GS4的端口号；GS3的DSE号对应着GS4的DSE号；GS3的端口号P3总是与GS4的P3-8的组号相连。
3.网络地址
在S1240中，所有的控制单元CE都通过自己的终端接口连接到选面级A端口0～7或12～15上。
每个控制单元CE（包括TCE和ACE）都有自己的网络地址，网络地址由四位数字ABCD组成。
如图2.6所示。
图2.6网络地址
A——CE与选面级AS对的连接端口号，CE可与AS对0～7及12～15端口相连，共12个端口，故用4位码表示；B——AS对与选组级第1级（交换网DSN第2级）DSE的连接端口号，每个GP第1级的DSE可接4对AS，故B用2位码表示；C——交换网DSN第2级DSE与第3级DSE的连接端口号，它们之间有8个端口相连，故C用3位码表示；D——是DSN第4级DSE端口号，它有16个端口，故D用4位码表示。
将ABCD结合在一起，共有4＋2＋3＋4＝13位码，可有12×4×8×16＝6144种组合。
这表明DSN最多可接6144个控制单元CE，每个CE具有它唯一的地址ABCD。
2.3DSN的工作原理
当两个终端模块通过DSN连接时，应从主叫所在的中断门模块经过DSN中各级DSE到反射点，再从反射点返回到被叫所在的终端模块。
每经过一个DSE，都要建立DSE内部的一条通路，从主叫到反射点经过的DSE，其内部通路为任选一个出端口形成，而从反射点到被叫经过的DSE，其内部通路为制定选择出端口。
级间连接由连线规律和网络地址决定。
反射点是通过地址比较决定的，即将一个终端模块的网络地址ABCD与对方的地址A﹐B，C，D，进行比较，从比较的结果来决定反射点在DSN的第几级。
地址的比较结果可有以下几种：
①D≠D，。
因为D为第2级和第3级的组号，所以两个终端模块在DSN号建立的通路必定不在同一组，不同组之间的交换必须通过第4级，反射点在第4级。
②D=D，，C≠C，。
同理，这时两个终端模块在DSN中建立的通路必定位于2、3级的同一组，同组之间交换不需要通过第4级，反射点在第3级。
③D=D，，C=C，，B≠B，。
因为C为第2级的DSE号，所以，这时两个终端模块在DSN中建立的通路必定经过第2级的同一个DSE，反射点在第2级。
④D=D，，C=C，，B=B，，A≠A﹐。
因为B为第1级的DSE号，所以这时通路只经过第1级，反射点在第1级。
另外，由被叫所在的终端模块到主叫所在的终端模块的反向通路的建立方法与正向通路的建立完全没相同。
2.4DSN的扩充
DSN可随容量的增加而增加级数，其扩充方法见图2.7
（1）当容量很小时，可仅用一对AS组成一级交换网络，这时的AS出线端口8~11被腾空。
在第一级网络中，一对AS可接12个CE，一般可取其中的8个为用户模块，则这时可接128×8=1024个用户，见图3中的A。
（2）采用两级DSN时，第二级只用一个DSE（设只有一个面时），这时第2级DSE的出线端口8~15被腾空。
其入线端口0~7最多可接4对AS，若仍按每对接1024个用户计算，可接1024×4=4096个用户，见图3中的B。
这里容许把多达四对入口级接线器接至第二级交换单元，最多可连接48对入端端口。
（3）下一步是给第二级加装一个交换单元，并且给第三级加装四个交换单元（图3中的C）这时第二级可接8对AS。
若仍按每对接1024个用户计算，可接1024×8=8192个用户以加装交换单元来扩大这一配置，直到具有八个第二级交换单元和八个第三级交换单元，组成一个完整组群（图3中的D）。
显然其容量可达框A的32倍，即可达32768个用户。
加装第三级交换单元来增加连接通践的数目，使终端数目增加以满足话务处理容量。
（4）为了使增长超过一个组所提供的终端数目，就得加装第二个组，加上第四级交换单元来连接这些组（图3中的E）。
当这些组扩大时，通过加装交换单元可以保持话务处理地容量，以这样的方法，数字交换网络扩大到有四级接线器的最大配置。
全部装备好这个配置将有四个组群接线器平面，每个平面装有16×8+16×8+8×8=320个DSE。
4个平面共需1280个DSE。
交换网络的第一级有512对入口级接线器，于是，最大的网络结构有2304个相同的DSE，提供6144对输入端口以连接终端控制单元，使一部交换机容量超过10万用户线。
图2.7DSN扩充
第3章话务量的概念及计算
电话交换机的基本功能是交换信息。
要经济有效地完成交换任务，就要研究电话交换的特点，即用户对电话的要求和使用电话的规律，这样在涉及交换系统时，根据所承受的电话业务量（话务量）及规定的服务质量指标（呼损），做到经济合理的提供用户满意的服务质量。
3.1话务量及其计算
3.1.1话务量
在电话交换中。
源对服务器的需求量称为源的话务量，而服务器所负担的话务量称为负荷，其定义是：
在时间T内，一个源（或服务器）所产生的（所负担的）话务量等于该期间内各次服务持续时间之总和。
显然，话务量与两个因素有关，需求的频繁程度和每次服务所持续时间，我们分别称之为呼叫强度和呼叫保持时间。
设在所考察的时间T内，共发生了n次呼叫，每次呼叫的平均保持时间为hav，则根据定义，话务量应为
AT=nhav（h）（3.1）
为了计算话务量密度，定义话务流量为
A1=AT/T=nhav/T（爱尔兰）（3.2）
话务流量代表了单位时间内服务时间总和，它表现了单个源或服务器的占用率，永远小于或等于1。
话务流量的单位是爱尔兰（Erlang）,是为纪念话务量理论的创始人，丹麦数学家A.K.Erlang而命名。
应当注意，话务量的量纲是时间，而话务流量是无量纲的。
3.1.2话务量的概念
话务量又称为话务负荷和电话负荷，是反映交换系统话务负荷大小的量，它指从主叫用户出发，经交换网络到达被叫用户的话务流量。
显然，呼叫次数越多，每次呼叫占用的时间越长，交换机的负荷就越重。
所以影响话务量的基本因素是：
呼叫次数和占用时长。
话务量的计算公式为：
A×t（3.3）
式中A—话务量；
C—单位时间内发生的平均呼叫次数；
t—每次呼叫平均占用时长。
话务量的单位叫“爱尔兰”,或叫“小时呼”，简写为Erl。
3.1.3话务的统计及对用户的调查
本次课程设计为兰州理工大学西校区校园电话网规划，在我们做出调查的基础上，进行分析和计算，然后整体规划布局。
调查结果如下：
北村：
宿舍有A.B.C.D.E.F.G.H.共8座，每座有七层，每栋楼有182个宿舍，各分配一部电话，两栋宿舍之间有一个值班室，配一部电话，大约有1460部电话。
南村，宿舍有A.B.C.D.E.F.G.H和南苑9号楼，前五栋的分配和北村相同。
南苑9号共有245个宿舍，每个宿舍配一部电话，总共有245部电话。
因此南村总共有1699部电话。
1号和2号教学楼，教学楼三层和四层各有6间办公室，每个办公室3张办公桌，每张办公桌有一部电话，每栋楼有一个值班室和一个教研休息室，各配一部电话，共有39*2=78部电话。
4号和6号教学楼只有两个信息点为值班室和教研休息室，各配一部电话，共4部电话。
实验馆AB;各有8个办公室，每个办公室有2张办公桌配一部电话，每馆一个值班室，配一部电话，共17*2=34部。
其他，金工实习中心有两个办公室，每个办公室和一个值班室，3部电话，体育教研室11个办公室，每个办公室一部电话，共11部，校医院5个办公室和一个值班室6部电话，食堂楼有13个院办公室，每个办公室3个年纪办公各配3部电话，共59部电话。
经过调查，西校区现有固话数约为3337部，可考虑到未来的扩建增加办公人数，初步设计用户电话容量为5000部，能够满足较长一段时间的需求。
忙时话务调查发现，学生的最忙时为晚上21：
00到23：
00，而其他办公人员为早上9：
00到10:
00,学生的最忙时话务量交换很大部分发生在局外，而办公人员很大部分发生在局内，因为忙时话务量的抽样调查时按人为单位的，所以忙时话务量BHCA分学生和办公人员分别计算，考虑到网络的阻塞问题，因学生和办公人员的忙时不同，而且学生数远大于办公人员数，所以最忙时应为晚上21：
00到23：
00，如果在这个时段不发生阻塞，那么交换网络就为无阻塞网络。
用户号码的编号在参考现有的号码的基础上，并根据号码编制的原则，虽然4位，5位（有1位局号），6位（有2位局号）都能满足本次设计的要求，但与实际不符合，因此对电话号码的编制为7位PQRABCD，前3位PQR为局号，后4位ABCD为用户号编号。
因为存在用户数增加的可能，在设计的时用户数大于实际调查数，可以满足较长时间段内的需求。
据人数调查可知：
西校区共有学生18750人、其他办公人员约为150人。
在学生的调查中，一般打电话最忙的时间为中午11:
30到13:
00，下午17:
00到18:
30，晚上21：
00到23：
00之间，时长大概在5min到12min左右，在本次设计中我们取平均值8min为通话时长。
其中包括局内和局外，经调查，局内一般很少通话，忙时大概为1.4min;因此我们算出局外呼叫时长一般为6.6min，其中还包括出局（即从学校往局外拨的电话）和入局（即从外边接收
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