浅谈交换技术的发展方向

张寒松

(铁岭供电公司，辽宁 铁岭 112000)

目前的交换技术包括3个范畴:源于电话通信的电路交换CS;源于数据通信的包交换PS;与信息承载平台完全分离的接续控制中心，即软交换中心[1]。电路交换完成2个终端之间、终端与中继电路之间或中继电路之间的物理连接，实现两个电话终端 (低速数据终端)之间的信息交流。包交换完成将打包封装的数据从源地址到目的地址的传送，实现两个数据终端之间的信息交换。

随着通信技术的发展，电路交换与包交换、软交换逐渐走向融合。如:电路交换机发展了与包交换连接的IP网关板卡，实现了电路交换与包交换系统的综合组网。包交换设备配置了TDM(时分调制)接口，实现了与电路交换设备的连接。

当前，IP业务的发展、普及和包交换的宽带、开放、综合特性使其成了通信技术发展的主流。不久的将来，包交换将取代电路交换，实现软交换和下一代网络NGN的发展目标。

1 电路交换原理

1.1 电路交换原理框图

图1为电路交换原理框图。电路交换的核心是一个“开关矩阵”。用户电话终端与交换机的用户接口电路相连。用户接口电路又通过交换系统内部的话音数据总线，实现与交换矩阵的连接。

现代的电路交换设备，通常采用TDM的时分交换矩阵 (T矩阵)和空分交换矩阵 (S矩阵)(专网交换机只采用单T交换机矩阵。只有大容量的电信公网交换机才采用TST或TSST多级组群结构)来完成两个电话终端之间的连接。T矩阵和S矩阵都是四线制式，其容量通常表示为M×M(发×收)。

图1左侧用户1和用户N通话:在矩阵中，用户1的发信与用户N的收信连通。用户N的发信与用户1的收信连通。

图1右侧:用户1接通中继电路1:在矩阵中，用户1的发信与中继1的收信连通。中继1的发信与用户1的收信连通。

1.2 电路交换的特点

图1 电路交换原理框图

电路交换是一种实时交换，当一个用户呼叫另一个用户 (或中继)时，立即在其间建立起连接。电路交换是一种面向连接的交换。只有完成了电路连接，用户才能进行信息收发。用户连接一旦建立，只受用户摘挂机的控制。与用户是否通话无关，即使用户不讲话，电路中无信息传输，只要用户不挂机，电路一直保持连接状态。用户连接一旦建立，该电路不会再被第三者使用，具有连接的唯一特性。交换机对连接双方的信号透明传输，不作任何检测和处理。电路交换建立在物理层上，具备固定的连接模式和接口模式，任何硬件故障都可能造成接续失败或通话中断。电路交换采用立即损失制。即，容许系统在链路全忙和被叫用户占线的情况下，产生呼叫损失 (呼损)。对用户双方传输的信息 (话音或低速数据)无差错控制[2]。

1.3 电路交换的接续流程

电路交换的接续流程由呼出接续和呼入接续2个部分组成。

a. 呼出接续流程

如图2所示，呼出流程是指用户摘机到听到拨号音的呼叫处理过程。

图2 用户呼出接续流程图

b. 呼入接续流程

如图3所示，呼入流程是指用户拨完号到接通被叫用户 (被叫振铃、主叫听回铃音)的呼叫处理过程。

1.4 电路交换组网

电路交换设备通过中继电路组网，主要技术涉及中继接口、中继信令、汇接交换等3个方面。

图3 用户呼入接续流程图

a. 中继接口

传统电路交换常用的中继接口有:二线环路中继接口 (FXO)、二/四级E＆M中继接口、2M数字中继A接口、2M数字中继ISDN 30B+D PRI(PRA)接口、ISDN 2B+D BRI(BRA)数字中继接口。

b. 中继信令

用户信令DTMF(用于环路中继接口)、E＆M信令 (Bell CoreⅠ～Ⅴ类，用于二/四级E＆M中继接口)、CAS随路信令 (中国1号/R2) (用于2M数字中继A接口)、CCS 7号信令、CCS“Q”信令系统。

c. 汇接交换

交换机中，实现中继电路至中继电路之间接续的交换功能称汇接交换。汇接交换功能包含路由选择、中继电路之间的通道连接、信令转发、释放控制等4个功能部分。

2 包交换系统组成

2.1 概念的引入

包交换起源于计算机之间的数据分组传输、交换。是将要传输、交换的数据打成一个“包”，数据包由封装标记、报头报尾、数据字段等部分组成。

报头部分包括该数据的源地址、目的地址、差错控制、数据长度 (字节数)。

报尾部分通常用于差错控制校验。

图4 包交换设备的硬件结构原理示意图

如图4所示，包交换采用存储转发机制。连接在包交换机一个端口上的数据终端设备 (源终端)，将一段需要交换到另一端口 (连接目的终端)的数据打包后发送到数据交换机的相应端口。数据交换机 (分组交换机)分析这包数据的报头，将其转存到目的地址所对应端口的数据缓冲器中。一旦该端口空闲，即将缓冲器中的数据发往与之连接的目的终端设备。实现数据包的交换。

报文交换 (Message Switching)和分组交换(Packet Switching)是包交换的2个技术分支。前者将一个数据文件打成一个大包发送、传输、接收。后者，将一个数据文件分成若干小段，打成若干个小包，经传输、交换后再整合恢复为原来的数据文件。

报文交换包大，数据延时长，不利于实时数据的传输和交换。但包头的附加开销小，数据传输效率高，占用宽带相对较窄。

分组交换包小，传输时延短，由于每包数据都要叠加包头、包尾，因此，附加开销大，数据传输速率低，占用较宽的带宽。

在数据处理系统的OSI开放式结构中，包交换居于第2、3层面。如居于数据链路层 (第2层)上的帧中继 (FR)DDN网、居于网络层 (第3层)上的X.25低速数据分组交换网以及横跨第2、3层的IP网络等。

2.2 国际互联网 (IP网络)

国际互联网又称IP网络，起源于计算机之间的通信。采用以太网接口、TCP/IP协议封装。

TCP为传输控制协议，UDP用户数据报协议。分别与IP协议共同构成TCP/IP或UDP/IP协议组合。

TCP/IP协议是因特网成功的关键。它所解决的是数据的分组交换和传输，既不关心网络在物理层面的硬件连接问题，也不考虑数据在应用层面的功能问题。这就使任何应用层的功能，都可以通过TCP/IP协议在任何网络连接中交换、传输。TCP/IP协议已经成为当今网络协议的主流和标准。TCP是可靠传输控制协议，具备流量控制，端口多重连接以及顺序控制和纠错、重发功能。

UDP/IP提供无连接数据报的通信方式，无流量、顺序控制，无纠错、重发机制。UDP/IP将传输可靠性归于通信终端之间，与网络无关。从而有效地减少了网络的传输延时，适用于IP电话、可视图像传输等实时通信系统。

IP网络结构分为4层，不同于OSI的7层。然而，物理、数据链路和网络3个底层，两者是一致的。因特网协议IP，处于OSI 7层结构的第3层，(网络层)，是Internet网关之间、网关和主机之间的通信协议。IP网络的核心部分，是由路由器互联组成的交换网络，由核心层、分发层、边缘层组成。路由器是完成IP网络层 (第3层)交换功能的包交换设备。边缘层路由器与IP交换机 (第2层)连接，实现交换终端的网络连接。IP网络交换机连接IP终端，实现IP接入功能。IP网络是一个不分级的平面型结构。即所有网络终端的地址编号相同，无论连接在IP网络的任何位置，都具备同等的功能级别。

包交换将传输与交换融合起来，产生了传输即交换的新理念。

3 软交换系统

3.1 软交换的4层结构理念

当今IP宽带网络已成为信息通信技术的主流，承载平台由窄带转向宽带，触发了电话交换技术新的换代演进。2000年国际电联 (ITU－T)提出了电话交换技术下一代网络 (NGN)的4层结构理念。

图5绘出了国际电联ITU－T提出的电话交换NGN4层结构的模式。不难看出，下一代电话交换网络由接入层、传输层、控制层和业务层构成。传统的电路交换中心，已经让位于软交换中心。在一段过渡期之内，传统电路交换设备将退居到接入层面，与软交换并存。随着时间的推移，传统电路交换将逐渐被新型的采用包交换的接入设备、综合接入设备、直接注册到软交换中心的IP电话、软件电话、可视电话等设备所取代。

包交换替代电路交换，顺应了通信技术高速(宽带)、智能 (开放)、综合的发展方向。符合如图6所描绘的电话交换功能由中心向边沿移动的发展趋势。

软交换是包交换承载环境之下的接续控制中心，与包交换合起来，共同完成下一代的电话交换功能[3]。

图5 ITU－T提出的NGN四层结构图

图6 电话交换功能由中心向边缘发展趋势图

3.2 软交换系统结构描述

根据国际论坛ISC的定义，软交换是基于分组交换网，利用软件提供分离的呼叫控制功能和媒体处理功能的设备和系统。

软交换核心是采用开放的架构，实现呼叫控制与媒体传输分离。软交换平台结构如图7，虚线框内由呼叫控制功能、地址解析/路由功能、信令功能、互通功能、业务提供功能、网络管理及计费功能等六大模块组成;外部包含:IP电话终端接入、接入网关接入、中继网关接入、信令网关接入、智能网接入、与其它软交换系统互闻互通、应用层功能扩展等部分。

3.3 软交换的10大系统功能

软交换的主要功能可归纳为以下10项:媒体网关接入功能、呼叫控制和处理功能、业务提供功能、互联互通功能、协议功能、资源管理功能、计费功能、认证与授权功能、地址解析功能、话音处理功能[4]。

3.4 软交换系统的工作模式

下一代网络 (NGN)是一个广泛的概念，在传输领域的核心是智能光网络，在IP网络领域是IPV6，在移动电话领域是3G，软交换只是NGN在电话交换领域的核心。

转交换与3G都采用了IMS(因特网多媒体子系统)架构来实现业务承载与接续控制的分离。图8绘出了软交换IMS架构的通话控制与用户媒体流传输分离模式的描述示意图。

电话终端A(模拟电话)通过综合接入设备(IAD)注册到软交换中心，被确认为合法用户后，便具备了基本的电话功能。

电话终端B(软件电话)直接注册到软交换中心，成为合法用户。

A呼叫B。先由A终端 (通过IAD)向软交换中心发送会话邀请 (INVET)。软交换中心接收到“邀请”，将A终端发来的以阿拉伯数字编排的电话号码认作域名，经DNS域名地址解析，将B终端的网络地址回发给用户A所在的综合接入设备IAD。用户A(通过IAD)按软交换中心发来的终端B的网络地址，进行重定位，在IP网络上找到终端B，双方进行语音数据交流。完成通话接续。

图8 软交换IMS架构的通话控制与用户媒体流传输分离描述示意图

由图8可见，软交换中心只处理用户的接续控制，不介入用户双方的通话连接，两用户之间进行点对点的直接数据传输，大大地减少了软交换中心处理的数据流量，实现了接续控制与信息承载的分离。

3.5 软交换的业务功能

软交换系统的常规电话功能和扩展业务功能如下:用户鉴权/登录;用户注册/注销;用户通话记录;网络地址解析;网络重定向功能;分布式多中心接入;全网络移动终端不变号码;会话边界控制;跨域放号;呼叫接续;呼叫保持;呼出限制;呼叫等待;遇忙回叫;回拨业务 (Call Baike);缩位拨号;三方通话;热线服务;会议电话;可视电话会议;个人会议;遇忙回叫;叫醒服务;用户级别控制;主管群;强插;广播功能;主叫号码显示;寻呼;强拆;无条件呼叫前转;恶意呼叫追查;预先录音通告;语音邮箱;遇忙转移;久叫不应转移;呼叫转接;呼叫代答;音量控制/显示;咨询呼叫;自动应答;扬声器控制;用户编号编程;可视电话;呼叫日志;最后号码重拨;现场状态显示业务;信息等待提示;时间显示;最后号码重拨;Web管理;短信业务 (SMS);即时消息(IMS);构筑统一通信平台;SIP语音邮件;IVR交互式语音业务;SIP中继组网;XML应用集成;网络录音;第三方应用功能调用;可视调度功能;网络管理[5]。

4 电话交换的发展方向——由电路交换过渡到包交换、软交换

在宽带通信领域，传统的电路交换的不足之处越来越明显:如只能完成窄带交换，实现语音和低速数据通信。用户功能由交换机软硬件提供，不开放。增加新功能、新业务很困难。不能适应用户对活动图像通信的要求等。宽带接入已取代窄带接入。在长途电话领域，软交换已经取代了电路交换。IP电路的优越性初现端倪。由此可见IP电路取代PSTN，宽带包交换替代传统电路交换实现软交换是发展的必然趋势，软交换的应用将改变通信的时、空理念，给交换发展提供了一个新的增值和发展空间。

[1]糜正琨，杨国民.交换技术 [M].北京:清华大学出版社，2006.

[2]蒋青泉.交换技术[M].北京:高等教育出版社，2003.

[3]Franklin D.Ohrtman.JR.软交换技术 [M].北京:电子工业出版社，2003.

[4]王春娥.浅谈软交换技术 [J].数字技术与应用，2010，27(6):64.

[5]徐培文、王 鹰、尹宁旻.软交换及其管理技术[M].北京:机械工业出版社，2005.