电信交换

电信交换，又称为电话交换或电话转换。在电讯行业中，电话交换就是让一个连接用电话进行通话的电子系统。中央处理室就是安置各种设备（包括电话转换机）的场所，连接电话线路并且传递通话信息，又称为电话机楼或电话机房。
运作机制.
在电信领域，交换局或者中心局用于存放连接电话呼叫的交换机。它可以建立链路并中转语音信息，使电话呼叫能够运作起来。电信交换指的是由交换机提供的服务。
许多电信交换局是长途局，负责长途电话的转接。每个长途局会分配两个或三个数字的区号。以前区号对应于交换机的名字，例如869-1234代表TOwnsend 9-1234，在某些地方还可能代表TOWnsend 1234（拨号的时候只拨大写的字母和数字）。
历史.
1878年，康乃狄克州的纽黑文市开设了第一个电信交换局。交换板用“车身螺丝”制成，话筒盖和电话绳连接着手柄。它可以同时处理两路会话。（参见 美国国家公园服务 ）。
随后，电话接线员开始处理一到数百个接驳板的组合。每个接线员座位周围可能有一面到三面接驳板，板上是一排排¼英寸耳机插座，前面还有电话线。每条线都是一路电话线的端点。当呼叫方提起话机，对应的插座附近会有灯亮起，然后接线员可以拿起话筒然后询问“电话号码多少？”。随后，如果电话号码在他管理的范围之内，就将插头插进一个本地的插孔，然后被叫方就开始响铃了。如果不归他管辖，他就插进一个交接电路。这时，可能在其他接驳板前面的接线员，也可能千里之外的另一个房间的接线员会进行下一步处理。
1891年3月10日堪萨斯州托贝卡的殡葬工阿尔蒙·斯特罗格发明了斯特罗格交换机，又名步进式交换机。这种设备将电话电路交换技术带入自动化时代。尽管在原始的专利基础上有许多扩充和改良，但最为人熟知的设计就是安排10层接触器每个有10个不同输出，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。当用于拨号电话时，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。
这些步进开关排成一排，其中第一个用来检测“提机”的用户线，称为“线路发现器”，最多可检测100条。线路发现器将用户线连至一个“拨号音”线路，使用户知道已经可以拨号。随后用户进行脉冲拨叫，速度为每秒10个脉冲左右（不同的国家有不同的规定）。
基于斯特罗格设计的交换机后来受到纵横式交换机（又名纵横制交换机）技术的挑战。新式电话交换机保证更快的交换速度，并可以接受大约20脉冲每秒的拨号速度，比斯特罗格的10脉冲每秒高约一倍。使用双音多频（DTMF）信令的固体继电器交换机（可以支持按键式拨号）在纵横式交换机彻底取代步进式之前成为最后的赢家。在中国，尽管也有几种纵横制交换机（部分为自行研制）投入使用，但尚未普及即被更先进的程控交换机取代。
有一种从脉冲拨号到双音多频拨号的过渡技术使用DTMF“连接发现器”将DTMF转换为脉冲，然后送到旧的步进式或者纵横式交换机去。这种技术直到1990年代末仍在使用。
1930年12月，纽约市成为美国第一个使用两个字母+五个数字格式的地区，在二战以前一直独此一家。此后美国其它地方开始套用这种格式（某些地区如佛罗里达从1930年代到1950年代早期的电话号码只有六位数字，两个代表交换机名字的字母后面跟四个数字，比如“DUnkirk 0799”）。直到1950年代中期，直接跟在名字后面的数字从不为“0”或“1”，事实上除了洛杉矶邻近地区以外“0”根本就不使用（“BEnsonhurst 0”电话号码前缀在The Honeymooners这部著名电视情景喜剧中作为一个虚构细节出现）。
1955年，贝尔系统试图通过将用于各种号码组合的名字组成“建议名字列表”来标准化命名的区号。1961年，纽约电话公司引入“已选字母”交换机制，头两个字母不再作为任意特定名字的开头（例如“FL 6-9970”），随后在1965年全国所有新入网电话号码仅包含数字（威奇托福尔斯是美国第一个实现这点的，早在1958年就实现了）。但直到1970年代，现存的号码仍沿用老方法。芝加哥一个地毯商常常用他的电话号码“NAtional 2-9000”（国家 2-9000）在WGN电台做广告；更不用说TYler 8-7100（泰勒村，得克萨斯一个乡村）是一个底特律建筑商的名字了。
直到1958年实施用户长途拨号制（Subscriber Trunk Dialling，简称STD)之前，在英国多数地区不使用带有字母的电话号码。只有使用导向的地区（伯明翰、爱丁堡、利物浦、格拉斯哥、伦敦和曼切斯特）和与它们不相邻的非导向地区是用字母拨号，这些交换局使用三个字母、四个数字的的格式，直到1968年全部改成数字。
电话号码趣闻.
某些大城市的电话交换局被用作专门处理北美洲标准的7位电话号码中头两个或三个号码相同的电话。在接驳板手工交换的时代过去以后，交换局们通常将交换局名字的头两位字母用作普通电话拨叫中该交换机的数字前缀。例如CAstle（22，城堡）、TRinity（87，三位一体）、Mutual（68，共联）。某些号码组合不服从这个命名约定，例如“57”、“95”和“97”，这是导致该命名系统最后被废弃的因素之一。另一个因素是需要更多的号码以防止区号不够用。
因为步进式交换机的脉冲较费时，一个有很多8、9或者0的电话号码意味着需要较长时间进行拨号。电话公司通常把这些“大”号码分配给付费电话因为它们通常很少人拨打。
为测试链路中所有交换机的基本功能，全部由5组成的号码（555–5555）作为特别的“测试”号码被保留（正好位于交换开关排的上下左右中间）。“555”这个交换局号码从来没有实际分配过号，这就是今天的电视和电影节目总是使用555-xxxx的号码的缘故（过去，这些节目常常用特定的后四位数字组合表达一些含义，例如西岸使用“0079”其他许多地方则用“9970”。例子如电视连续剧“Perry Mason”及1948年的电影“Sorry, Wrong Number”）。这样，不可能用节目里面的假号码真的拨到某个人那里去，于是避免了很多误会。1982年摇滚乐手Tommy Tutone的歌曲词暗示867-5309是一个名叫珍妮的女孩子的电话号码，结果附加上各地的区号拨打这个电话号码向珍妮问好俨然成为时尚，于是很多用户收到很多不想要的呼叫。事实上，很多美国电话公司要么不再使用这个号码，要么将它保留做测试用途。
然而，今天只有555-01xx开头的可供虚构，其它的555号码可以分配给“信息提供商”使用。副作用是可用的虚构号码减少到只有100个，于是当初那些电影电视用过的号码也被使用。“958”和“959”交换局也在多数地区被保留，于是只有很少公司或个人使用这些数字开头的号码（尽管这个事实不是很多人知道，因此很少人在虚构作品中使用这些号码）。
葛伦·米勒管弦乐团演奏的作品“PEnnsylvania 6-5000”（宾西法尼亚），刚好表示纽约宾西法尼亚酒店的号码。如果你想要拨打这个号，改拨(212)736-5000，一样能找到该酒店。
技术.
本章使用如下术语：
人工接线服务.
人工服务的情况下，用户摘机并请接线员接通某一号码. 如果被叫号码在同一个中心局, 接线员通过将线插入交换台上对应被叫用户线的插孔来建立通话。如果通话是连到其他中心局，接线员则插入其他局的中继线路，并要求该局接线员应答 (称为“转入”接线员)并建立通话。
各大城市多数人工交换局都是共电式的，电话线路由中心局供电，直到今天都是如此。当用户提起话机，线路状态转变为提机，在接线员地交换台上面会有灯亮起，蜂鸣器响起。在一般的共电系统，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48伏直流电压。当用户提机，电话在两条线之间加上一个直流阻抗。在人工交换过程里，通过提机状态的电流会流过接线员控制台上的蜂鸣器和灯。此时蜂鸣器和灯将告诉接线员，有个用户提机请求服务了。如果连到交换机的时候，提机时则会通过合上一个继电器使用户线连至拨号音以及收号设备。
较小的城镇里，早期一般采用磁石电话，或者摇柄电话。用户转动摇炳发出电流激活呼叫状态，通知接线员有呼入。在用户家里的电池提供会话所需电流。磁石系统直到1980年代末期仍在美国一些小镇使用。
在有数百个中心局的大城市如纽约市，要花很多年才全部从人工转变成拨号服务。在此过程中，为了将转接到人工局的服务自动化，使用了一种能显示用户所拨号码的特殊交换台。例如默里山交换局的用户拿起电话并拨打锡帝岛交换局的用户，用户将不会知道目标电话号码是手工接线的。因为在连接到锡帝岛交换局的入线接线员时，他能直接从交换台上看到电话号码，从而将线路插入适当的插孔。
数字化以前的程控交换.
程控交换，或拨号服务，在1900年代早期就已经出现。其目的是减少人工电话接线员。在程控交换出现以前，接线员必须对每一个电话呼叫完成连接的工作。现在几乎所有地方的接线员都被程控交换所取代。电话交换机就是程控交换的神经中枢。它能将一个呼叫从一个电话路由到另一个，一般来说是公共交换电话网（PSTN）的一部分。
本地交换机可以自动感应电话的提机状态，并为该电话提供拨号音，接受脉冲或者DTMF号音，然后将呼入电话连接到同一个交换机的被叫电话，或者远方的另一个交换机。
交换机随后保持连接直到有一方挂机，此时连接断开。对连接状态的跟踪称为监控。也可以让交换机集成更多的功能组件，例如计费设备等。
贝尔系统的拨号服务实现了一个名为“自动号码识别”（ANI）的特性。ANI可以支持一些服务如自动计费、免费800号码、以及911（紧急报警电话）等。在人工接线服务里面，操作员可以根据交换台上亮起的灯在哪个耳机孔附近确定呼叫方是谁。在早期的拨号服务里没有ANI。长途电话会由一队操作员处理并且他们会询问呼叫方的电话号码，然后写在纸质票据上面。
早期的交换机的部件包括马达、凸轮、旋转开关和继电器等。某种程度上，交换机是继电器逻辑的计算机。自动交换机有斯特罗格式（也称为步进交换机）、全继电器式、X-Y式、配电盘式以及纵横式交换机等一些类型，统称为机电式交换机。
机电信令.
连接两台交换机的电路称为"局间中继"。在七号信令以前，贝尔系统的机电交换机在美国的干线上使用各种不同的电压和信号音。这些在今天已经极少见到。
某些信令通过拨号数字通讯。早期的一种形式叫做配电盘呼叫指示脉冲，它使用一些非标准格式的脉冲来设置两台配电盘交换机之间的呼叫。也许更通用的机电交换机间拨号数字通讯形式是发送拨号脉冲，它相当于反向发送的拨号脉冲，但在交换机之间的干线电路上发送。在贝尔系统的干线上，纵横式交换机和纵横式汇接器通常以20脉冲每秒的速度传送。这个速度比北电/贝尔系统的电话拨号快一倍。由于交换机要花一半的时间侦听听数字，使用较快的脉冲速度可使干线设施运作效率更高。DTMF不用于干线信令。在数字化以前，多频（MF）是最后一种信令形式。它用与DTMF不同的一套音调，但也是两两组合。拨号之前先拨一个特别的"键脉冲"（KP）信号，拨号完毕则补充一个"开始"（ST）。贝尔系统MF音调体系的一个编钟成为CCITT标准。同一体系也用于美国和部分欧洲国家，包括西班牙。交换机之间传输的数字串常常被简写以便改善功能。例如，某个交换机可能只发送电话号码的最后四位或者五位。有一种情况是，七位数字之前加上一到两位以便区分两个区号（每呼叫二位数字节约）。这可以增加干线的效益且减少了对交换机上的数字收发器数目的要求。每台机电交换机都要用许多巨大的金属部件制造。如果每一秒钟都能分成两半来使，就可以用更少的机架处理更多的话务量。
其它用于通讯监控或呼叫过程的信令还有"E和M信令"、单频信令、夺位信令（RBS）等等。从物理连接而不是传送的信号路数上，E和M信令的干线有四条线。这样交换机之间的五十条干线就需要一百对。这四条线分别命名为“顶、铃、眼、耳”。使用E和M信令时，为防止两台交换机同时在同一干线上发起拨号呼叫，需要一个握手过程。握手协议开始于线路电压从地压转为-48伏特的时候。通过直流电压的变化，本地交换机发送一个信号表示已经准备好接受呼叫，而远程交换机就应答一个确认信息，表示即将发送拨号脉冲。这是通过继电器逻辑和离散电子雪实现的。在干线电路上的这些电压变化会导致用户线上听到啵、嘎这样的电流声，表示握手协议一步一步进行中。另一种握手过程用来启动计时，目的是计费。在被叫方应答时它会导致另外一些杂音。
另一种常见的监视信令称为单频信令或者SF信令。最常见的形式是利用一个固定2600Hz的声音来标明干线处于空闲。当交换机听到这个2600赫兹的声音持续一段时间之后，就进入空闲状态（对持续时间的要求可以减少出错机会）。某些系统使用的声音频率超过3000赫兹，尤其是SSB频率复用微波波段。在T-1数字载波上，数字的格式称为"交替传号反转"（AMI），有时候会通过从T-1数字流中夺取一些位来传送信令。如果小心地设计，所夺去的位不会对于因质量造成影响。这可以在直流电不能够持续供应时直接支持通过一个数字载波在两个机电交换机之间发送E和M信令，或者脉冲拨号。
机电电话网中的各种声音.
机电交换设备的一个特点是维护人员可以听见步进式的机械装置和纵横式的继电器响声。贝尔系统大多数中心局都有钢筋混凝土结构，天花板和地板都是混凝土制成。在农村地区，某些小型交换设施例如通讯拨号局（CDOs）有时候放在鉄屋子里。这些设施总是使用混凝土地板。这种坚实的表面会反射声音。
在话务繁忙的时候，大型交换机处理呼叫时发出的喀哒声达到让人难以听见彼此闲谈话的程度。例如，在美国的星期一或者星期五傍晚大约五点钟，金属踫撞发出的嘎嘎声就会让你不得不提高说话音量。这种噪音聼起来就像是冰雹砸在金属屋顶上的声音。在周日黎明时分，呼叫处理可能会放慢下来，让人能听见单个的电话拨号和线路接驳。另外的噪音来源是呜呜响的电源转换器和嗡嗡叫的铃声发生器。某些系统中使用的WireSpring继电器会发出连续而有节奏的“喀-喀-喀”声音，这是正在产生重排（每分钟120次）和忙（每分钟60次）两种信令。贝尔系统的电话网中，一般有警示铃声、锣音、或者钟声等几种告警声音。它们可以在某些交换机部件发生故障时发出告警信号。还有一种噪音来源是：穿孔卡式故障报告系统是连接到交换机一般控制单元上的。这个故障报告系统会在卡片上根据一种内部调试代码穿孔以记录发生故障时的实际情况。
管理与维护.
机电系统的维护一部分是直流电气的，另一部分是机械调整的。不像现代的交换机，当电话拨通以后流过交换机的直流电流是持续的。话音会通过一条金属组成的物理线路进行传输。
在所有的系统中，都不希望用户注意到由于维护工作失败对服务质量的影响。许多“置忙”工具作为部件加入到机电交换机中，当系统失败的时候，就会将本交换机的所有受影响线路标记为正在使用，以便交换逻辑路由到其他地方。TD工具起类似的作用，当用户没及时缴纳话费的时候就会被临时暂停服务。这会影响到用户的局方设备（纵横式）或者线路组（步进式）。用户可以接受呼叫但不能拨出。
贝尔系统的斯特罗格步进式交换局的维护工作一直持续著。他们需要不断清洗。步进局里设备面板上的指示灯用来提示操作员一些情况，例如保险丝断了通常会亮白灯，或者什么地方卡住了（比如一直保持提机状态）一般亮绿灯。与较新式的技术相比，步进局更容易出现单点故障。
纵横局使用更通用和一般的控制电路。例如，数字收发器（是"来源寄存器"这个组件的一部分）仅在需要接受用户所拨号码这段时间连接到呼叫上。纵横式结构比步进式更灵活。后期的纵横式系统具有穿孔式故障记录系统。到1970年代，贝尔系统已经将为几乎所有步进式和纵横式交换机加装自动号码识别功能。
电子交换机.
第一台电子交换机并不是数字的。西部电器的1ESS是一种使用金属导线的电子交换机。它使用了微处理器和存储程序控制交换技术（SPC）。
修改电话号码、测试或者对线路置忙都是在电脑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。 这些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）的方法互相通讯。这种数据连接方法是七号信令系统的前身。
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做模拟程控交换机。
数字交换机.
数字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七号信令协议（或其变种）。根据Federal Standard 1037C（美国国家标准）及MIL-STD-188（美国军方标准），在美国和军事通讯中，数字交换机是指执行数字信号的时分复用交换的设备。1980年代以后建造的所有交换机都是数字的，所以这种术语上的区分是没有差别的。本节描述数字交换机，包括算法和设备。
数字交换机在极短的时间片（一秒很多个）内对语音进行编码。在每一个时间片，实时产生语音信号的数字表示方式。所产生的数位将被发送至接收端，那里则反过来在接收端的电话中产生声音。换句话讲，当你使用电话时，你的声音被编码，然后在对方那里重新产生声音。在整个过程中，你的声音只发生了非常小，一般只有几分之一秒的延迟。换句话说，电话并不是真正的实时通讯，因为声音需要重新产生，但只延迟了非常短的时间。
每个本地环路电话线都连接到一个远程集中器。集中器在很多情况下位于交换机所在的同一座建筑。在集中器和电话交换机之间的接口由欧洲电信标准协会规范为V5协议。
某些电话交换机并不直接连接到集中器，而只用于和其他交换机连接。通常一个中心交换局里面会有一个或多个复合机器被称为“载波级”交换机或者汇接器。
电话交换机通常由电信服务提供商或者“中转商”拥有和运作，也会放在他们自己的建筑物里。但有时候独立的企业或者私营商业单位也会在自己的地方放置自己的交换机，称为用户交换机（PBX）。
交换机在电信系统中的地位.
电话交换机只是庞大的电信网络中的一小部分。电话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根线。普普通通的一个交换局可能有数万对线连接到终端盒上（称为总配线架，MDF）。MDF有保护部件如放电管等防止电源线短路或者外部电压过高等。典型的电话公司里有一个大数据库跟踪每一对用户线。在1980年代贝尔系统的记录系统电脑化之前，这些信息是用铅笔写在账本上的。
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。这些设备用于在现有铜线已经用完或者在附近就有用户时，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。
DLC常常指的是用户环路载波（SLC），在朗讯为其线对增容的专有设备起了专有名字之后，早期的SLC系统（SLC-1）使用模拟载波在中心局和远端之间通讯。随后的系统（SLC-96、SLC-5）和其他厂商的DLC产品如线路卡可将模拟信号转换为数字信号（使用PCM编码）。这种数字信号可以通过铜线、光缆或其他传输介质传送到中心局。其他组件包括用以产生振铃电流的振铃发生器和备份电池等。
DLC线路可以配制成通用的（UDLC）或者集成的（IDLC）。通用DLC有两个终端，一个中心局终端（COT）和远程终端（RT），其功能是一样的。两个终端都直接面对模拟信号，并将它们转换成数字信号，并传送到另一方。有时候，传送是由独立设备处理的。在集成的DLC里，不用COT。相反，RT通过数字方式连接到电话交换机。这减少了所需设备的数量。某些标准如Telcordia的TR/GR-008和TR/GR-302涵盖了DLC。
交换机也用于两个中心局之间以及长途中心局中。
交换设计.
相比于中心局，长途交换机可能使用较慢但更有效的交换分配算法，因为它们的输入输出通道使用率接近100%。中心局则有超过90%的通道容量闲置。
传统电话交换机连接到物理电路（即线对），现代电话交换机则使用多路设备和时分交换技术。换句话说，每条语音通道是在一条物理线对（用A或者B表示）上面的时隙（用1或者2表示）。为了把两条语音通道（例如A1和B2）连接起来，电话交换机会将A1和B2上面的信息进行交换，如果交换机同时具有这两条物理连接和时隙的话。为了做到这点，它需要在时隙和连接之间以每秒钟8000次的速度交换数据。这是在用于循环处理当前连接的电子列表的数字逻辑电路控制之下进行的。利用这两种类型的交换技术使现代交换机比不使用多路和时分技术的交换机体积减少很多。
交换机结构使用更小、更简单的子交换机组成奇数个层次。每一层的每个子交换机互相连接，然后与下一层的子交换机连接。多数的设计中，物理交换层与时间交换层是交错的。这些层的负载是平衡的，因为电话系统里面主叫方同时也可以充当被叫方。
时分交换机读取将一个时隙循环完整读入记忆体，然后以不同的顺序写入，同样是在一个循环电脑记忆体的控制下。这会导致一些信号延迟。
多路交换机交换的是电路，常常使用非阻塞最小跨度交换的某种变体，或者使用交叉直通交换机。
中华人民共和国的交换结构.
中国大陆采用四级汇接辐射长途电话网络。
结构上，C1局全部互联并辐射到所有C2局，C2局向C3局辐射，C3局向C4局辐射。此外，北京到各省中心局都有直达电路，各大区（C1辖区）各省中心局之间基本互联，此外还有其他直达线路以提高效率。
北京和重要省会城市等城市使用三位区号，北京为“010”，重要省会城市则以“02”开头。其他则用四位。普通固定电话号码首位不用1、0，9则用于本地区的专用服务台例如声讯台等。长途区号的首位如下分配（有例外）：
交换控制算法.
完全连接网络.
为了确保电话连接总能成功，一种方法是建造完全连接网络，也就是所有的交换机之间都互相互联。这种方法通常用于中心局内部的交换机，其资源利用率较低。
Clos非阻塞交换算法.
子交换机之间的层闲连接是交换系统中的短缺资源。控制逻辑必须分配好这些链接，多数交换机通过一种可容错的方法实现。参见非阻塞最小跨度交换里面关于查理斯·克鲁斯算法的讨论，它用于许多电话交换机，并也许是现代工业中最重要的算法之一。
容错性.
组合交换机本质上有很好的容错性。如果一个子交换机崩溃，控制电脑会在周期性检测过程中发现。然后电脑会将所有到该子交换机的链接标记为“占用”。这可以防止新的呼叫进入该交换机，也不会中断还在通话的呼叫。这样，在这些呼叫结束后，子交换机就不再使用了。一段时间之后，就会有技术人员来更换电路板。下一次测试如果能成功，到这个修理好的子交换机的连接将被标记为“空闲”，于是交换机恢复所有功能。
为了防止一些检测不出的错误，交换机内所有层间的链路通过一个先进先出队列进行分配。这样，如果有用户提机并重拨，他们就会由子交换机之间不同的链路服务。后进先出的链路分配可能导致用户老是拨号失败。