電信交換

電信交換，又稱為電話交換或電話轉換。在電訊行業中，電話交換就是讓一個連線用電話進行通話的電子系統。中央處理室就是安置各種裝置的場所，連線電話線路並且傳遞通話資訊，又稱為電話機樓或電話機房。運作機制.在電信領域，交換局或者中心局用於存放連線電話呼叫的交換機。它可以建立鏈路並中轉語音資訊，使電話呼叫能夠運作起來。電信交換指的是由交換機提供的服務。許多電信交換局是長途局，負責長途電話的轉接。每個長途局會分配兩個或三個數字的區號。以前區號對應於交換機的名字，例如869-1234代表TOwnsend 9-1234，在某些地方還可能代表TOWnsend 1234。歷史.1878年，康乃狄克州的紐黑文市開設了第一個電信交換局。交換板用“車身螺絲”製成，話筒蓋和電話繩連線著手柄。它可以同時處理兩路會話。。隨後，電話接線員開始處理一到數百個接駁板的組合。每個接線員座位周圍可能有一面到三面接駁板，板上是一排排¼英寸耳機插座，前面還有電話綫。每條綫都是一路電話線的端點。當呼叫方提起話機，對應的插座附近會有燈亮起，然後接線員可以拿起話筒然後詢問“電話號碼多少？”。隨後，如果電話號碼在他管理的範圍之內，就將插頭插進一個本地的插孔，然後被叫方就開始響鈴了。如果不歸他管轄，他就插進一個交接電路。這時，可能在其他接駁板前面的接線員，也可能千里之外的另一個房間的接線員會進行下一步處理。1891年3月10日堪薩斯州託貝卡的殯葬工阿爾蒙·斯特羅格發明了斯特羅格交換機，又名步進式交換機。這種裝置將電話電路交換技術帶入自動化時代。儘管在原始的專利基礎上有許多擴充和改良，但最為人熟知的設計就是安排10層接觸器每個有10個不同輸出，圍成一個圓弧，然後圓心處設定一個連線到輸入的中心接觸器。當用於撥號電話時，每撥打兩個號碼，第一個號碼使中心接觸器升降到對應的一層，第二個號碼則使它轉動到該層對應的10個接觸器中某一個。這些步進開關排成一排，其中第一個用來檢測“提機”的使用者線，稱為“線路發現器”，最多可檢測100條。線路發現器將使用者線連至一個“撥號音”線路，使使用者知道已經可以撥號。隨後使用者進行脈衝撥叫，速度為每秒10個脈衝左右。基於斯特羅格設計的交換機後來受到縱橫式交換機投入使用，但尚未普及即被更先進的程控交換機取代。有一種從脈衝撥號到雙音多頻撥號的過渡技術使用DTMF“連線發現器”將DTMF轉換為脈衝，然後送到舊的步進式或者縱橫式交換機去。這種技術直到1990年代末仍在使用。1930年12月，紐約市成為美國第一個使用兩個字母+五個數字格式的地區，在二戰以前一直獨此一家。此後美國其它地方開始套用這種格式。1955年，貝爾系統試圖透過將用於各種號碼組合的名字組成“建議名字列表”來標準化命名的區號。1961年，紐約電話公司引入“已選字母”交換機制，頭兩個字母不再作為任意特定名字的開頭是一個底特律建築商的名字了。直到1958年實施使用者長途撥號制和與它們不相鄰的非導向地區是用字母撥號，這些交換局使用三個字母、四個數字的的格式，直到1968年全部改成數字。電話號碼趣聞.某些大城市的電話交換局被用作專門處理北美洲標準的7位電話號碼中頭兩個或三個號碼相同的電話。在接駁板手工交換的時代過去以後，交換局們通常將交換局名字的頭兩位字母用作普通電話撥叫中該交換機的數字字首。例如CAstle。某些號碼組合不服從這個命名約定，例如“57”、“95”和“97”，這是導致該命名系統最後被廢棄的因素之一。另一個因素是需要更多的號碼以防止區號不夠用。因為步進式交換機的脈衝較費時，一個有很多8、9或者0的電話號碼意味著需要較長時間進行撥號。電話公司通常把這些“大”號碼分配給付費電話因為它們通常很少人撥打。為測試鏈路中所有交換機的基本功能，全部由5組成的號碼。這樣，不可能用節目裡面的假號碼真的撥到某個人那裡去，於是避免了很多誤會。1982年搖滾樂手Tommy Tutone的歌曲詞暗示867-5309是一個名叫珍妮的女孩子的電話號碼，結果附加上各地的區號撥打這個電話號碼向珍妮問好儼然成為時尚，於是很多使用者收到很多不想要的呼叫。事實上，很多美國電話公司要麼不再使用這個號碼，要麼將它保留做測試用途。然而，今天只有555-01xx開頭的可供虛構，其它的555號碼可以分配給“資訊提供商”使用。副作用是可用的虛構號碼減少到只有100個，於是當初那些電影電視用過的號碼也被使用。“958”和“959”交換局也在多數地區被保留，於是只有很少公司或個人使用這些數字開頭的號碼。葛倫·米勒管弦樂團演奏的作品“PEnnsylvania 6-5000”，剛好表示紐約賓西法尼亞酒店的號碼。如果你想要撥打這個號，改撥(212)736-5000，一樣能找到該酒店。技術.本文使用如下術語：人工接綫服務.人工服務的情況下，使用者摘機並請接線員接通某一號碼. 如果被叫號碼在同一個中心局, 接線員透過將線插入交換臺上對應被叫使用者線的插孔來建立通話。如果通話是連到其他中心局，接線員則插入其他局的中繼線路，並要求該局接線員應答 (稱為“轉入”接線員)並建立通話。各大城市多數人工交換局都是共電式的，電話線路由中心局供電，直到今天都是如此。當用戶提起話機，線路狀態轉變為提機，在接線員地交換臺上面會有燈亮起，蜂鳴器響起。在一般的共電系統，從使用者電話機到交換機的一對電纜在電話掛機或者空閒狀態時是開路的。從電話局穿過導線到達端點時，兩端有48伏直流電壓。當用戶提機，電話在兩條線之間加上一個直流阻抗。在人工交換過程裡，透過提機狀態的電流會流過接線員控制檯上的蜂鳴器和燈。蜂鳴器和燈告訴接線員，有個使用者提機請求服務了。如果連到交換機的時候，提機時則會透過合上一個繼電器使使用者線連至撥號音以及收號裝置。較小的城鎮裡，早期一般採用磁石電話，或者搖柄電話。使用者轉動搖炳發出電流啟用呼叫狀態，通知接線員有呼入。在使用者家裡的電池提供會話所需電流。磁石系統直到1980年代末期仍在美國一些小鎮使用。在有數百個中心局的大城市如紐約市，要花很多年才全部從人工轉變成撥號服務。在此過程中，為了將轉接到人工局的服務自動化，使用了一種能顯示使用者所撥號碼的特殊交換臺。例如，如果MUrray Hill交換局的使用者拿起電話並撥打CIty Island交換局的使用者，使用者將不需要知道目標電話號碼是手工接線的。撥打該號碼會連線到CIty Island交換局的入線接線員，他能從交換臺上看到電話號碼，從而將線路插入適當的插孔。數字化以前的程控交換.程控交換，或撥號服務，在1900年代早期就已經出現。其目的是減少人工電話接線員。在程控交換出現以前，接線員必須對每一個電話呼叫完成連線的工作。現在幾乎所有地方的接線員都被程控交換所取代。電話交換機就是程控交換的神經中樞。它能將一個呼叫從一個電話路由到另一個，一般來說是公共交換電話網的一部分。本地交換機可以自動感應電話的提機狀態，併為該電話提供撥號音，接受脈衝或者DTMF號音，然後將呼入電話連線到同一個交換機的被叫電話，或者遠方的另一個交換機。交換機隨後保持連線直到有一方掛機，此時連線斷開。對連線狀態的跟蹤稱為監控。也可以讓交換機整合更多的功能元件，例如計費裝置等。貝爾系統的撥號服務實現了一個名為“自動號碼識別”等。在人工接線服務裡面，操作員可以根據交換臺上亮起的燈在哪個耳機孔附近確定呼叫方是誰。在早期的撥號服務裡沒有ANI。長途電話會由一隊操作員處理並且他們會詢問呼叫方的電話號碼，然後寫在紙質票據上面。早期的交換機的部件包括馬達、凸輪、旋轉開關和繼電器等。某種程度上，交換機是繼電器邏輯的計算機。自動交換機有斯特羅格式、全繼電器式、X-Y式、配電盤式以及縱橫式交換機等一些型別，統稱為機電式交換機。機電信令.連線兩臺交換機的電路稱為"局間中繼"。在七號信令以前，貝爾系統的機電交換機在美國的幹線上使用各種不同的電壓和訊號音。這些在今天已經極少見到。某些信令透過撥號數字通訊。早期的一種形式叫做配電盤呼叫指示脈衝，它使用一些非標準格式的脈衝來設定兩臺配電盤交換機之間的呼叫。也許更通用的機電交換機間撥號數字通訊形式是傳送撥號脈衝，它相當於反向傳送的撥號脈衝，但在交換機之間的幹線電路上傳送。在貝爾系統的幹線上，縱橫式交換機和縱橫式匯接器通常以20脈衝每秒的速度傳送。這個速度比北電/貝爾系統的電話撥號快一倍。由於交換機要花一半的時間偵聽聽數字，使用較快的脈衝速度可使幹線設施運作效率更高。DTMF不用於幹線信令。在數字化以前，多頻。這可以增加幹線的效益且減少了對交換機上的數字收發器數目的要求。每臺機電交換機都要用許多巨大的金屬部件製造。如果每一秒鐘都能分成兩半來使，就可以用更少的機架處理更多的話務量。其它用於通訊監控或呼叫過程的信令還有"E和M信令"、單頻信令、奪位信令等等。從物理連線而不是傳送的訊號路數上，E和M信令的幹綫有四條綫。這樣交換機之間的五十條幹綫就需要一百對。這四條綫分別命名為“頂、鈴、眼、耳”。使用E和M信令時，為防止兩臺交換機同時在同一幹綫上發起撥號呼叫，需要一個握手過程。握手協議開始於綫路電壓從地壓轉為-48伏特的時候。透過直流電壓的變化，本地交換機傳送一個訊號表示已經準備好接受呼叫，而遠端交換機就應答一個確認資訊，表示即將傳送撥號脈衝。這是透過繼電器邏輯和離散電子雪實現的。在幹綫電路上的這些電壓變化會導致用戶綫上聽到啵、嘎這樣的電流聲，表示握手協議一步一步進行中。另一種握手過程用來啟動計時，目的是計費。在被叫方應答時它會導致另外一些雜音。另一種常見的監視信令稱為單頻信令或者SF信令。最常見的形式是利用一個固定2600Hz的聲音來標明幹綫處於空閒。當交換機聽到這個2600赫茲的聲音持續一段時間之後，就進入空閒狀態，有時候會透過從T-1數字流中奪取一些位來傳送信令。如果小心地設計，所奪去的位不會對於因質量造成影響。這可以在直流電不能夠持續供應時直接支援透過一個數字載波在兩個機電交換機之間傳送E和M信令，或者脈衝撥號。機電電話網中的各種聲音.機電交換裝置的一個特點是維護人員可以聽見步進式的機械裝置和縱橫式的繼電器響聲。貝爾系統大多數中心局都有鋼筋混凝土結構，天花板和地板都是混凝土製成。在農村地區，某些小型交換設施例如通訊撥號局有時候放在鉄屋子裡。這些設施總是使用混凝土地板。這種堅實的表面會反射聲音。在話務繁忙的時候，大型交換機處理呼叫時發出的喀噠聲達到讓人難以聽見彼此閒談話的程度。例如，在美國的星期一或者星期五傍晚大約五點鐘，金屬踫撞發出的嘎嘎聲就會讓你不得不提高説話音量。這種噪音聼起來就像是冰雹砸在金屬屋頂上的聲音。在週日黎明時分，呼叫處理可能會放慢下來，讓人能聽見單個的電話撥號和綫路接駁。另外的噪音嗚嗚響的電源轉換器和嗡嗡叫的鈴聲發生器。某些系統中使用的WireSpring繼電器會發出連續而有節奏的“喀-喀-喀”聲音，這是正在產生重排兩種信令。貝爾系統的電話網中，一般有警示鈴聲、鑼音、或者鈡聲等幾種告警聲音。它們可以在某些交換機部件發生故障時發出告警訊號。還有一種噪音：穿孔卡式故障報告系統是連線到交換機一般控制單元上的。這個故障報告系統會在卡片上根據一種內部除錯程式碼穿孔以記錄發生故障時的實際情況。管理與維護.機電系統的維護一部分是直流電氣的，另一部分是機械調整的。不像現代的交換機，當電話撥通以後流過交換機的直流電流是持續的。話音會透過一條金屬組成的物理綫路進行傳輸。在所有的系統中，都不希望使用者注意到由於維護工作失敗對服務質量的影響。許多“置忙”工具作為部件加入到機電交換機中，當系統失敗的時候，就會將本交換機的所有受影響綫路標記為正在使用，以便交換邏輯路由到其他地方。TD工具起類似的作用，當使用者沒及時繳納話費的時候就會被臨時暫停服務。這會影響到使用者的局方裝置。使用者可以接受呼叫但不能撥出。貝爾系統的斯特羅格步進式交換局的維護工作一直持續著。他們需要不斷清洗。步進局裡裝置面板上的指示燈用來提示操作員一些情況，例如保險絲斷了通常會亮白燈，或者什麼地方卡住了一般亮綠燈。與較新式的技術相比，步進局更容易出現單點故障。縱橫局使用更通用和一般的控制電路。例如，數字收發器僅在需要接受使用者所撥號碼這段時間連線到呼叫上。縱橫式結構比步進式更靈活。後期的縱橫式系統具有穿孔式故障記錄系統。到1970年代，貝爾系統已經將為幾乎所有步進式和縱橫式交換機加裝自動號碼識別功能。電子交換機.第一臺電子交換機並不是數字的。西部電器的1ESS是一種使用金屬導綫的電子交換機。它使用了微處理器和儲存程式控制交換技術。修改電話號碼、測試或者對綫路置忙都是在電腦終端上輸入相應指令完成的。1ESS可以支援縱橫式電話交換機和步進式電話交換機所使用的正常機電信令。 這些交換機引入了一種新的資料通訊形式：兩臺1ESS交換機可以互相透過一種稱為公共通道局間信令的方法互相通訊。這種資料連線方法是七號信令系統的前身。早期電子程控交換系統和機電式交換機並無本質區別，都採用空分話路交換，所交換的訊號也全部為模擬訊號。因此，這類程控交換機也叫做模擬程控交換機。數字交換機.數字交換機根據所撥的電話號碼，將兩個或多個數字虛電路連線起來完成交換。在兩臺交換機之間建立起呼叫需要用到七號信令協議，在美國和軍事通訊中，數字交換機是指執行數字訊號的時分複用交換的裝置。1980年代以後建造的所有交換機都是數字的，所以這種術語上的區分是沒有差別的。本節描述數字交換機，包括演算法和裝置。數字交換機在極短的時間片內對語音進行編碼。在每一個時間片，實時產生語音訊號的數字表示方式。所產生的數位將被髮送至接收端，那裡則反過來在接收端的電話中產生聲音。換句話講，當你使用電話時，你的聲音被編碼，然後在對方那裡重新產生聲音。在整個過程中，你的聲音只發生了非常小，一般只有幾分之一秒的延遲。換句話說，電話並不是真正的實時通訊，因為聲音需要重新產生，但只延遲了非常短的時間。每個本地環路電話線都連線到一個遠端集中器。集中器在很多情況下位於交換機所在的同一座建築。在集中器和電話交換機之間的介面由歐洲電信標準協會規範為V5協議。某些電話交換機並不直接連線到集中器，而只用於和其他交換機連線。通常一個中心交換局裡面會有一個或多個複合機器被稱為“載波級”交換機或者匯接器。電話交換機通常由電信服務提供商或者“中轉商”擁有和運作，也會放在他們自己的建築物裡。但有時候獨立的企業或者私營商業單位也會在自己的地方放置自己的交換機，稱為使用者交換機。交換機在電信系統中的地位.電話交換機只是龐大的電信網路中的一小部分。電話系統最艱鉅的工作和最昂貴的部分是中心局外面的佈線。早期的電信系統中，每個使用者號碼需要從交換機到使用者電話拉一根線。普普通通的一個交換局可能有數萬對線連線到終端盒上。MDF有保護部件如放電管等防止電源線短路或者外部電壓過高等。典型的電話公司裡有一個大資料庫跟蹤每一對使用者線。在1980年代貝爾系統的記錄系統電腦化之前，這些資訊是用鉛筆寫在賬本上的。為了減少外部電路的成本，一些電信公司採用“線對增容”裝置來為使用者提供電話服務。這些裝置用於在現有銅線已經用完或者在附近就有使用者時，可以減少銅線對的長度，並可以使用ISDN或者DSL這些數字服務。線對增容或者數字環路載波放置在中心局以外，通常是在大使用者旁邊，距離中心局有一定距離的地方。DLC常常指的是使用者環路載波。這種數字訊號可以透過銅綫、光纜或其他傳輸介質傳送到中心局。其他元件包括用以產生振鈴電流的振鈴發生器和備份電池等。DLC綫路可以配製成通用的，其功能是一樣的。兩個終端都直接面對模擬訊號，並將它們轉換成數字訊號，並傳送到另一方。有時候，傳送是由獨立裝置處理的。在整合的DLC裡，不用COT。相反，RT透過數字方式連線到電話交換機。這減少了所需裝置的數量。某些標準如Telcordia的TR/GR-008和TR/GR-302涵蓋了DLC。交換機也用於兩個中心局之間以及長途中心局中。交換設計.相比於中心局，長途交換機可能使用較慢但更有效的交換分配演算法，因為它們的輸入輸出通道使用率接近100%。中心局則有超過90%的通道容量閒置。傳統電話交換機連線到物理電路連線起來，電話交換機會將A1和B2上面的資訊進行交換，如果交換機同時具有這兩條物理連線和時隙的話。為了做到這點，它需要在時隙和連線之間以每秒鐘8000次的速度交換資料。這是在用於迴圈處理當前連線的電子列表的數字邏輯電路控制之下進行的。利用這兩種型別的交換技術使現代交換機比不使用多路和時分技術的交換機體積減少很多。交換機結構使用更小、更簡單的子交換機組成奇數個層次。每一層的每個子交換機互相連線，然後與下一層的子交換機連線。多數的設計中，物理交換層與時間交換層是交錯的。這些層的負載是平衡的，因為電話系統裡面主叫方同時也可以充當被叫方。時分交換機讀取將一個時隙迴圈完整讀入記憶體，然後以不同的順序寫入，同樣是在一個迴圈電腦記憶體的控制下。這會導致一些訊號延遲。多路交換機交換的是電路，常常使用非阻塞最小跨度交換的某種變體，或者使用交叉直通交換機。中華人民共和國的交換結構.中國大陸採用四級匯接輻射長途電話網路。結構上，C1局全部互聯並輻射到所有C2局，C2局向C3局輻射，C3局向C4局輻射。此外，北京到各省中心局都有直達電路，各大區各省中心局之間基本互聯，此外還有其他直達綫路以提高效率。北京和重要省會城市等城市使用三位區號，北京為“010”，重要省會城市則以“02”開頭。其他則用四位。普通固定電話號碼首位不用1、0，9則用於本地區的專用服務臺例如聲訊臺等。長途區號的首位如下分配：交換控制演算法.完全連線網路.為了確保電話連線總能成功，一種方法是建造完全連線網路，也就是所有的交換機之間都互相互聯。這種方法通常用於中心局內部的交換機，其資源利用率較低。Clos非阻塞交換演算法.子交換機之間的層閒連線是交換系統中的短缺資源。控制邏輯必須分配好這些連結，多數交換機透過一種可容錯的方法實現。阻塞最小跨度交換裡面關於查理斯·克魯斯演算法的討論，它用於許多電話交換機，並也許是現代工業中最重要的演算法之一。容錯性.組合交換機本質上有很好的容錯性。如果一個子交換機崩潰，控制電腦會在週期性檢測過程中發現。然後電腦會將所有到該子交換機的連結標記為“佔用”。這可以防止新的呼叫進入該交換機，也不會中斷還在通話的呼叫。這樣，在這些呼叫結束後，子交換機就不再使用了。一段時間之後，就會有技術人員來更換電路板。下一次測試如果能成功，到這個修理好的子交換機的連線將被標記為“空閒”，於是交換機恢復所有功能。為了防止一些檢測不出的錯誤，交換機內所有層間的鏈路透過一個先進先出佇列進行分配。這樣，如果有使用者提機並重撥，他們就會由子交換機之間不同的鏈路服務。後進先出的鏈路分配可能導致用戶老是撥號失敗。