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移动端

3.3 电路交换

《无线通信网络与系统》第3章通信网络,本章对通信网络的各种方法进行了一个概述。本章首先基于地理覆盖范围对不同类型的网络进行了讨论。然后,分别对电路交换和分组交换网络进行了研究。本节为大家介绍电路交换。

作者:朱磊/许魁 译来源:机械工业出版社|2017-11-16 16:05

3.3 电路交换

在过去,电路交换(circuit switching)是用于语音和数据通信的主要技术。通过电路交换进行通信意味着,两个台站之间有一条专用通信路径。路径是网络节点之间路径的顺序连接。在每个链路上,使用专用的物理或逻辑信道进行连接。电路交换最常见的例子就是电话网。

基于电路交换的通信过程可分为3个阶段,下面参考图3-3进行解释。

1) 电路建立。在传输任何信号之前,必须建立一个终端到终端(台站到台站)的电路。例如,台站A发送请求到节点4,请求连接到台站E。通常,从A到4的连接是一条专用线路,所以这部分的连接已经存在。节点4必须找到通往台站E的下一条路由。基于路由信息、可用性程度、成本等因素,节点4选择通向节点5的链路,并给其分配一个信道(频分复用或时分复用),并发送消息请求连接到台站E。目前,建立了一条从台站A经节点4到节点5的专用路径。因为许多台站可能连接到节点4,所以它必须能够建立从多个台站到多个节点的多条内部路径。我们将在本节稍后讨论这是如何做的。这一过程的剩余部分与之类似。节点5建立到节点6的专用路径并将其与通往节点4的路径连接在一起。节点6完成与台站E的连接。在完成连接时,需要进行测试,以确定台站E是否忙或准备接受该连接。

2) 信息传递。信息现在可以从台站A经过该网络传输到台站E。根据网络性质,传输的信息可能是模拟语音、数字化语音或二进制数据。传输路径是台站A—节点4的链路、节点4的内部交换、节点4—节点5的信道、节点5的内部交换、节点5—节点6的信道、节点6的内部交换、节点6—台站E的链路。一般来说,这种连接是全双工的,信号可以同时双向传输。

3) 电路断开。经过一段时间的信息传输后,通常由一个台站或者两个台站进行连接终止。终止信号需要传输给节点4、5、6以释放专用信道资源。

请注意,连接路径需要在数据传输开始之前建立。因此,在路径中的每个节点之间必须保留足够的信道容量,每个节点必须有可用的内部交换容量来处理所请求的连接。交换机必须足够智能地完成这些分配并设计一条通过网络的路由。

电路交换可能是相当低效的。即使没有数据要传输,也必须在一个连接的持续时间内为其保留信道容量。对于语音连接,每个方向的利用率可能是大约40%,其他20%的时间花在谈话方之间的停顿上。对于终端到计算机的连接,在连接的大部分时间内,容量可能是空闲的。在性能方面,呼叫建立的信号传输之前有一个延迟。然而,一旦建立了电路,网络对用户来说是有效的透明的。信息以一个固定的数据速率传输,并且除了传输链路的传播延迟外没有其他的延迟。因此,每个节点的延迟是可以忽略不计的。

电路交换最初用来处理语音流量,现在也用于处理数据流量。电路交换网络的最著名例子是公用电话网(见图3-4)。这实际上是一个由各个国家的网络相互连接而形成的国际服务网络。虽然最初设计和实现的电话网旨在服务模拟电话用户,但它通过调制解调器处理大量的数据流量,并能够很好地将其转换到数字网络。电路交换的另一个著名应用是专用交换机(Private Branch Exchange,PBX),用于在建筑物或办公室内连接电话。电路交换也应用于私人网络。通常,这样的网络由一个公司或其他大型组织建立,用于互连其各个站点。这样的网络通常在每个站点有一个PBX系统并通过从运营商(例如AT&T)租用专用链路进行相互连接。电路交换应用的最后一个常见例子是数据交换。与PBX类似,数据交换机用于实现数字数据处理设备的互连,如终端和计算机。

在无线蜂窝系统中,也使用了一个与电路交换类似的概念。在进行通信之前,移动用户与其连接的基站进行协商以获得具有某些特征的连接,有时需要有专用的时隙和带宽。

在有线公用交换电话网络中,公共电话网络可以由4个通用架构组件来描述:

●用户:连接到网络的设备。连接到公用电信网络的许多用户设备仍然是电话,但是数据流量的百分比逐年增加。

●用户线:用户与网络之间的链路,也称为本地环路。几乎所有用户线连接都使用双绞线。用户线的长度通常在几公里到几十公里的范围内。用户线也称为一个用户环路,或本地环路。

●交换中心:网络中的交换中心。直接支持用户的交换中心称为端局(End Office)。通常,一个端局将支持一个局部区域内的成千上万个用户。在美国有超过19000个端局,所以每个端局都有一个到其他端局的直接链路显然是不切实际的,这将需要大约2×108阶链接。相反,系统还使用了中间交换节点。

●中继线:中继线是交换中心之间的电话线路。中继线利用FDM或同步TDM技术承载多个音频电路。早些时候,这些称为载波系统。

用户直接连接到一个端局,端局交换用户与用户之间以及用户与其他交换中心之间的流量。其他交换中心负责端局之间的路由和交换流量。图3-5给出了二者之间的区别。为了将连接到同一个端局的两个用户连接起来,需要按照前面所述的方式在它们之间建立一个电路。如果两个用户连接到不同的端局,它们之间的电路包括由一个或多个中间局组成的电路链。如图3-5所示,端局仅需要简单的设置就可以建立电话线a和b之间的连接。电话线c和d之间的连接更复杂一点儿。在c的端局中,电话线c与到中间交换机的TDM中继线上的一条信道之间建立了一个连接。在中间的交换机,该信道连接到TDM中继线与d的端局之间的信道。在该端局,信道与电话线d连接。

电路交换技术已经用来承载语音流量。语音流量的重要要求之一是几乎没有传输延迟和延迟抖动。由于发送和接收以相同的信号速率进行,所以必须保持恒定的信号传输速率。这些需求对于人们的正常交谈是非常必要的。另外,接收信号的质量必须足够高,至少要具有较好的清晰度。

电路交换应用广泛,并且牢牢占据主导地位,因为它非常适合于语音信号的模拟传输。在当今的数字世界中,它的低效率显得更加明显。然而,尽管效率较低,但电路交换仍将是局域网和广域网的一个非常有吸引力的选择。它的一个关键优势是,它是透明的。一旦建立了一个电路,它看起来像是两个台站直接连接在一起。在台站不需要特殊的网络逻辑。


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