通訊系統/電話系統

從西方視角來看，電話無處不在。然而，現實情況是，世界上 80% 的人口只能有限地使用電話。

對於普通人來說，電話系統就是一個“黑盒子”。很少有人需要了解 PSTN 的工作原理。主要考慮的是它是否正常工作，以及是否相對便宜。PSTN 的設計可靠性為 99.999%（稱為 5 個 9 的可靠性）。

電話呼叫

要撥打電話，只需拿起聽筒，輸入號碼，然後等待系統施展魔法即可。

• 從支架上拿起聽筒會釋放掛鉤開關，並使直流電流流動（20-120 毫安）。中央局監控此環路電流，將其解釋為服務請求。

• 局透過傳送撥號音來確認服務請求。這通常發生在拿起聽筒並放到耳邊的時間內。接收到撥號音後，使用者開始撥號。

• 在過去，撥號時，旋轉撥盤開關會以預定方式開啟和關閉環路。如果協調性很高，則可以透過閃爍掛鉤開關來完成相同的任務。為了確保客戶系統正在響應，撥號開始後會移除撥號音。在當今大多數系統中，使用 DTMF（雙音多頻）信令 電話如何工作

• 根據局型別和接收到的數字，可能會發生一些事情。在大多數情況下，終端使用者連線到所謂的 5 類局或終端局。這些是最常見的電話交換型別。每個 5 類局都有一個或多個三位數的交換機號碼。這些是普通 7 位電話號碼中的前三位數字。

• 如果中央局包含使用者撥打的交換機號碼，它將知道呼叫是本地呼叫，並且對方連線到同一個局。因此，局將控制整個呼叫建立和拆除。

• 如果前三位數字不對應於終端局處理的交換機，則它必須找到一條到可以處理呼叫的局的幹線。這意味著每個局都必須知道其呼叫區內所有局的交換機號碼，以及如何到達這些局。因此，呼叫建立和拆除將在兩個交換機之間共享。它們必須監控正在進行的呼叫，並相互告知呼叫狀態的任何變化。

• 如果撥打的第一個數字是 1，局將識別出這是一個長途電話，並將開始尋找一條空閒的收費幹線。收費局擁有更大的知識庫，瞭解遠端交換機的位置以及如何到達這些交換機。

• 電話系統必須足夠智慧，能夠識別出在本地呼叫中，通常只需要七位數字。然而，一些非常小的交換機允許透過省略交換機號碼，僅使用最後 4 位數字或分機號碼來撥打本地電話。在大都市區，可能需要在本地電話前加三位數的區號。國際電話可能需要多達 16 位數字。

• 一旦接收到整個號碼，連線兩端的局必須提醒雙方正在發生的事情。在發起端，將一個振鈴音傳送到聽筒的揚聲器中。在終端端，局會產生更大的振鈴電壓來啟用鈴聲。

• 遠端局監控線路以確定是否有人接聽振鈴的電話。這是透過檢查遠端使用者拿起聽筒時透過掛鉤開關引起的直流電流來完成的。然後，遠端局必須在聽筒到達耳邊之前斷開振鈴，並向發起局發出有人接聽電話的訊號。然後，發起局必須斷開振鈴返音並完成語音連線。

• 在整個呼叫過程中，兩個終端局都會監控各自的環路電流，以確定一方是否結束通話電話。一旦發生這種情況，一方的局會向另一方發出訊號，並將撥號音放置在環路上。這提醒剩餘的方連線已經終止。

• 如果線路正在使用中，中央局將不會建立連線，並向發起方返回忙音。透過這種方式，不會不必要地佔用交換、呼叫處理和傳輸資源。但是，有一些選項（如來電轉接和呼叫等待）會修改此過程。

• 使用來電轉接，呼叫到忙線會路由到接聽服務。使用呼叫等待，呼叫方會聽到振鈴音，被叫方會聽到蜂鳴聲，他們可以忽略蜂鳴聲，也可以向局發出訊號，要求新呼叫優先於現有呼叫。但是，如果由於系統本身太忙而無法完成呼叫，則會向發起方返回快速忙音。

• 在觸屏環境中，會遵循相同的步驟，只是使用音調將號碼傳送到本地局，而不是中斷環路電流。一些通常被稱為 CLASS（定製本地區域信令服務）的呼叫功能在有觸屏服務的區域可用。

總之，完成本地電話呼叫的步驟如下

• 最初，呼叫方進入摘機狀態。
• 一旦直流電流流入環路，交換機就會向呼叫方傳送撥號音，以確保其能夠訪問交換機。
• 現在，呼叫方開始撥打目標電話號碼，可以使用旋轉撥號器或觸屏鍵盤。
• 交換機將找到目標號碼對應的本地環路。
• 找到後，交換機將檢查目標使用者的摘機或掛機狀態，以便直流電流能夠流動。同時，交換機為兩個本地環路提供訊號通路。
• 當目標使用者摘機時，交換機向被叫使用者傳送忙音。
• 如果目標使用者摘機，當目標使用者接聽電話並完成環路時。
• 當目標使用者接聽電話時，直流電流流過環路。直流電流流過環路表明交換機已接聽電話。因此，交換機將刪除振鈴和振鈴返音訊號。
• 如果兩個電話都掛機，交換機將識別出該環路上的開路並透過交換機斷開連線。

但電話線去哪裡了？

電話線連線到服務區介面的接線端子。這些通常位於街道上的電線杆或小型外殼上。服務區介面將使用者接入電纜捆綁成一根更大的電纜。這些電纜又彙集在一起，形成更大的饋線電纜。整個佈線系統有點像一棵巨大的樹。

從中央局出來的電纜可能包含數百甚至數千對電線，但當電纜到達終端使用者時，通常會減少到大約 50 對。單個使用者由許多拼接在一起的電纜段組成。貝爾通訊研究公司聲稱，美國平均使用者的線路有 22 個接頭。

饋線電纜透過一個叫做電纜庫的大型地下室進入中央局。每個饋線可能包含數百對電線，並加壓以防止水分或地下水進入並影響電線的傳輸特性。一個典型的電纜庫可能包含數萬對電線。

電纜穿過電纜庫，並在 MDF（主分配架）的垂直側端接。為了保護中央局裝置免受高壓瞬變（如雷擊）的影響（這些瞬變可能沿電線傳播），線路透過碳塊或氣體管進行防浪湧保護。

MDF 的水平側將傳入的電話線連線到外圍裝置。要將線路外觀連線到特定的介面，只需在 MDF 的垂直側和水平側之間放置一根跳線即可。

來自終端使用者的訊號通常是模擬訊號。因此，外圍裝置將訊號轉換為數字形式，然後將其傳遞到網路的其餘部分。

來自其他中央局的傳入幹線由專門的載波系統組成。它們可以是模擬的或數字的，但所有新系統都是純數字的。

大多數終端使用者的語音和資料介面都複用到高速路徑上，這些路徑透過內部交換網路，然後路由到傳出線路或幹線。傳入的數字載波系統可以直接透過交叉連線進入交換網路，也可以在交換之前進行解複用。

PSTN 層次結構

從歷史上看，電話網路由一個分層的結構組成，包括 5 種不同的局型別。其中最常見的是 5 類終端局。終端局直接連線到使用者電話機，並在相對較小的區域內執行交換功能。電話交換機透過本地環路或線路連線到使用者，一般每個使用者一條線路。電話局之間透過中繼線相互連線。

5 類局或終端局在較小的服務區域內互連電話。每個終端局可能包含多個三位數的交換機號碼，並知道其他局擁有的其他本地交換機號碼。

局之間的呼叫透過局間中繼線或匯接中繼線路由。長途呼叫透過長途中繼線路由到長途局。平均每個 5 類局為大約 41,000 個使用者提供服務，在城市環境中覆蓋 30 平方公里。

有些節點可能根本沒有使用者，可能只與其他節點相連。這些節點間或中繼線連線通常透過 FDM 或 TDM 傳輸鏈路實現。

交換區網路

交換網路由本地交換機和匯接交換機組成，並透過中繼線連線。匯接局透過雙絞線、同軸電纜、微波或光纖載波互連 5 類局。如果直接中繼線被佔用，則會提供本地交換機之間的備用路由路徑。

交換區包括所有相互瞭解的局，但不涉及長途費用。在非常大的城市地區，交換區之間會發生重疊，也可能跨越區號邊界。

長途網路

長途網路由透過長途局互連的交換機組成。長途局跟蹤長途費用，通常侷限於國家邊界。這些中繼線包括高容量同軸電纜、微波或光纖。

用於控制呼叫建立和拆除的訊息可以使用兩種基本方法傳送。傳統上，局間訊息透過與語音路徑相同的通道傳送，但在較新的系統中，正在採用共用通道信令。在這種方法中，局擁有專用設施，用於傳送局間訊息。這有一些優點，可能最值得注意的是，如果有人想要欺詐系統，會遇到更困難的程度。當使用帶內信令時，人們可以透過建立停用長途電路使用的音調，撥打長途電話而不被收費。

局間信令

中繼線用於互連不同級別的電話交換機。這些鏈路需要交換各種資訊，包括

• 與呼叫相關的信令訊息

• 計費資訊

• 路由和流量控制訊號

• 維護測試訊號

電話局可以透過兩種方式相互通訊並傳遞路由資訊。資訊可以傳達在用於傳達語音訊號的相同通道中，或者可以完全與其分離。

CAS

CAS（通道相關信令）方法使用語音通道透過中繼線傳送資訊。例如，在局間中繼線中使用 2600 Hz 音調來指示掛機。該系統的主要缺點是使用者可以透過注入適當的音調繞過長途中心。避免此問題的一種方法是使用長途中繼線上的帶外訊號。由於客戶的訊號必須透過音訊抗混疊濾波器，因此無法注入帶外信令音調。

通道內信令的主要優點是每次建立連線時都會檢查語音路徑的完整性。帶外信令允許在整個通話過程中對連線進行持續監督。

CCIS

CCIS（共用通道局間信令）方法將信令資訊傳達在與客戶語音路徑完全分離的設施上。這使得控制更快、更高效，但 CCS 網路的可靠性必須大大高於單個語音路徑的可靠性。信令通道可以遵循與最終連線路徑相同的路由，也可以與其完全分離。如果信令路徑分離，則網路中需要 STP（交換轉移點），從而有效地建立兩個網路：語音網路和信令網路疊加。

SS7

幾乎所有需要匯接或長途局路由的呼叫都是由 SS7 信令網路建立和控制的。

SS7 信令網路是一個分組交換設施，主要由 STP（信令轉移點）和 SCP（服務控制點）組成，它們連線到 PSTN SSP（信令交換點）。STP 成對部署，是系統的核心。它們確定在建立局間連線時應使用哪些中繼線和局。

SCP 是一個數據庫，用於跟蹤以下內容：信用卡授權、虛擬網路使用者列表、800 號碼轉換表、計費和其他特殊服務。

5 類局

電話 中央局 通常被稱為交換機，因為它切換或路由呼叫。無論誰發起呼叫，所有 5 類局都有相同的目標，因此結構相似。任何現代交換系統中都有三個主要元件：中央控制、網路和外設。

通用通訊交換機

電信交換機的內部結構有點像整個系統的組織。內部結構通常用傳統的金字塔或層次結構表示。操作的控制或大腦顯示在頂部，連線到外部世界的外圍單元放置在底部。

從物理上講，交換機只是一系列裝滿電子裝置的盒子。

任何 PSTN 交換機的 MTBF（平均故障間隔時間）都必須很長，因為如果電話通訊中斷很長時間，業務很快就會停滯，更重要的是，緊急服務將受到嚴重影響。出於這些原因，大型公共交換機內建了大量冗餘。冗餘以兩種基本方式提供：熱備用和負載共享。

在熱備用配置中，兩個或多個處理器被提供相同的資訊並做出決策，但是，這些處理器中只有一個負責並執行決策。在發生故障的情況下，正常的單元承擔全部負載。效能不會下降，並且正在進行的通話不應丟失。

在負載共享配置中，所有處理器都在積極工作，但沒有達到其全部容量。在發生故障的情況下，有故障的處理器將與系統隔離，其他處理器承擔其負載。效能可能會下降，正在進行的通話可能會丟失。

外圍層

外圍是任何系統中最外層。它包含與所有外線和中繼線的介面。

網路層

網路交換機實際上執行從一個使用者或埠到另一個使用者的訊號路由。交換可以在空間域或時間域中完成。最初，所有交換都是透過空間域中的機械觸點完成的。如今，大多數交換機本質上是數字的，主要在時間域中執行。但是，總是需要一定程度的空間交換，因為訊號最終必須從一條線路路由到另一條線路。

網路總是提供某種形式的集中。也就是說，並非所有客戶都可以同時得到處理。統計分析表明，在大多數情況下，交換機只需要在同一時間處理大約 20% 的所有使用者。這類似於高速公路系統，高速公路的設計不是為了同時處理所有車輛，而只是為了處理特定的峰值負載。

中央控制

它包含系統智慧和客戶資料庫。它知道客戶是誰，他們想要什麼，以及如何提供他們所需的服務。

在步進式交換機中，智慧是完全分散式的，沒有中央控制，而在橫杆式裝置中，所有智慧都駐留在中央控制器或計算機中。在所有現代系統中，智慧在一定程度上是分散式的，各種功能模組共同參與決策過程。

曾經，計算機和電信交換機之間存在著明顯的區別，但如今這種區分變得越來越模糊，中央控制器可以被視為一種專門的計算機。

專用元件

有一些與電話系統相關的元件值得特別關注。

線路卡

線路卡是電話局中最常見的元件。它是一個非常複雜的裝置，包含了各種各樣的技術。

（電話）線路介面通常被稱為 BORSCHT 電路。

這個首字母縮略詞描述了標準電話線路介面的功能要求。電話機的尖端和環形引線透過一些保護裝置連線到外圍模組中的線路介面。此介面必須執行以下功能

B 電池供電

O 過壓保護

R 振鈴

S 監督和信令

C 編碼

H 混合

T 測試

許多這些功能可以整合到一個單一的 IC 中，通常稱為 SLIC 晶片（使用者線路介面晶片）。SLIC 已經為 PBX 市場提供了十多年。然而，最近它們也開始應用於中央局環境。

B - 電池供電

大多數家用電器都由電力網供電。電話是其中的一個顯著例外。這是因為電話應該在停電的情況下仍然可以工作。事實上，電話在災難或緊急情況下是至關重要的。

電話局提供額定值為 -48 伏的直流電源為電話供電。此幅度被認為是最大安全直流工作電壓。對電話公司來說，提供可能對客戶或其員工造成電擊的直流電壓是不利的。選擇負極是為了減少埋設電纜的腐蝕作用。

多功能電話並不總是能夠從電話交換機獲得電源，並且通常需要備用電源。出於這個原因，諸如 ISDN SAA 介面之類的複雜線路介面具有“故障轉 POTS”模式。如果電源故障，複雜電話將無法完全發揮作用。電話交換機可以透過電話線環路感知到本地電源故障，並切換到僅 POTS 服務。

POTS 環路需要額定值為 -48 伏的 20-100 毫安直流電流來維持語音和信令路徑。手機中的耳機不需要偏置，但碳話筒需要。使用者信令是透過在環路上暫時短路來實現的，從而改變環路電流，然後在中央局進行檢測。

提供環路電流有幾種方法，最簡單的方法是在電池串聯一個電阻。

另一種提供環路電流的方法是使用電子電流源。

雖然這種方法相當複雜，但在高壓雙極技術出現後變得非常流行。其中更難滿足的要求之一是 60 分貝的縱向線路平衡要求。為了實現這一點，環路兩側對地的阻抗必須匹配在 0.1% 以內。對於雷射修整厚膜電阻來說，這很容易實現，但對於電流源來說，則有些棘手。

一部標準電話需要至少約 20 毫安的電流。這意味著最大可能的環路電阻約為 2000 $\Omega$。在實際應用中，環路通常限制在 1250 W。最大環路長度由導線規格決定。

O - 過壓保護

可能發生的兩種主要型別的過壓是雷擊和電源線接觸。在這兩種情況下，電路必須恢復或失效。在任何情況下都不能允許浪湧進一步傳播到系統中，或引起火災。

最初的浪湧保護由 MDF 上的放電管和/或碳塊提供，如果施加的電壓超過幾百伏，它們會產生電弧。由於這些裝置需要一定時間才能響應，因此線上路電路輸入端也使用了高速二極體。

R - 振鈴

振鈴通常由專用振鈴發生器提供，該振鈴發生器透過繼電器連線到環路。如果電流發生器具有足夠高的電壓源，則可以線上路介面處產生振鈴電壓。或者，可以將具有升壓功能的開關轉換器放置在介面上。

在加拿大，振鈴電壓的額定值為 86 Vrms，頻率為 20 赫茲，週期為 2 秒開 4 秒關。在農村共用線路上，有時使用長短振鈴程式碼。

在美國，共用線路使用多種全選擇和半選擇振鈴方法。其中一種方法採用從大約 16 赫茲到 66 赫茲的不同頻率。在這種情況下，每個電話鈴聲都調諧到其自己的頻率。其他方法使用正負電池電壓，或者在與地線相對於尖端或環形側的線路線上施加振鈴。

S - 監督和信令

中央局必須監督環路，以便識別客戶的服務請求。服務請求是透過摘機發起的。這只是從 CO 獲取環路電流。

在振鈴過程中，監測遠端的環路電流，使 CO 能夠在電話接聽時斷開振鈴發生器。在整個通話過程中，辦公室繼續監測連線兩端的環路電流，以確定何時透過掛機結束通話。

信令是告知 CO 客戶想要什麼的一種方式。使用者環路中使用的兩種基本信令方法是脈衝撥號和雙音多頻。有趣的是，模擬交換機中首選的使用者環路信令方法是數字的，而數字交換機中首選的方法是模擬的！

雙音多頻信令音調

使用兩個音調來執行信令功能，以消除將語音解釋為訊號的可能性。曾經，DTMF 解碼器是昂貴且笨重的裝置，位於公共裝置機架中，但如今隨著 LSI 技術的出現，這種功能可以在晶片上實現。例如，Mitel MT8865 DTMF 濾波器和 MT8860 DTMF 解碼器。

位置 11 到 14 目前未使用。

C - 編碼

電信訊號很少進行線性編碼，而是進行壓縮擴充套件（壓縮和擴充套件的組合）。這允許在整個訊號大小範圍內獲得更均勻的信噪比。如果沒有壓縮擴充套件，則需要 12 位線性編碼方案才能在低音量級別獲得相同的信噪比。它還能降低接收機處的噪聲和串擾水平。

如今，用於實現編碼演算法的兩種主要的國際標準是：A 法，在歐洲使用，以及 µ 法，在北美使用。它們都涉及 8 kHz 取樣和 8 位 A/D 和 D/A 轉換，從而產生 64 kbps 的數字位元流。

雖然實際的壓縮演算法是連續函式，但編解碼器透過線性段對其進行近似。A 法有 13 個線性段，µ 法有 15 個線性段或線段。

歐洲和北美編解碼器之間的另一個重要區別可以從決策閾值的位置及其數字值看出。

當在歐洲和北美之間進行電話通話時，必須考慮到所有這些差異。可以透過將模擬語音透過與最初處理它的相同型別的編解碼器，然後使用另一個編解碼器重新編碼，來重新生成模擬語音。另一種方法是使用查詢表將一個系統的二進位制值轉換為另一個系統的二進位制值。

由於透過的最高頻率約為 3.4 kHz，因此需要大量的創造力才能以 4.8、9.6 kbps 或更高的速度傳遞資料。請注意，這些速度遠高於奈奎斯特速率，但遠低於夏農-哈特利極限。

如今，所有現代電話系統都在 BORSCHT 介面中使用編解碼器來對傳入的模擬訊號進行數字化。具有諷刺意味的是，儘管電話系統已經更新為數字技術，但電話機和線路仍然保持模擬狀態。

根據國際協議，所有語音編解碼器都使用 8 kHz 的取樣率。由於每個傳輸的樣本長 8 位，因此模擬語音訊號被編碼為 64 kbps 的二進位制流。此速率決定了大多數其他數字通訊系統的基本通道資料速率。

透過繞過編解碼器，可以將 64 kbps 的客戶資料透過電話系統傳送。但是，由於仍然使用舊式的信令方案，因此數字資料速率通常限制為 56 kbps。

H - 混合器

雙工器執行雙向 2 線到 4 線轉換。它允許將兩個單向電氣路徑組合成一個單一的雙向路徑，反之亦然。將訊號的傳送和接收部分分開是有利的，因為製作單向放大器、濾波器和邏輯器件更容易。

建立音訊頻段混合器最簡單的方法之一是使用變壓器混合器。

單芯變壓器混合器

有幾種方法可以拆分發送和接收路徑，最簡單的方法是使用單芯混合變壓器。

基本定義的變壓器方程為

${\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}}={\frac {V_{3}}{n_{3}}}=\cdots \quad \quad \quad and\quad \quad \quad I_{1}n_{1}+I_{2}n_{2}+I_{3}n_{3}+\cdots =0$

對於具有中心抽頭的次級繞組的單芯混合器，正確執行的阻抗關係（共軛匹配）為

$for\quad \quad \quad n_{2}=n_{3}\quad \quad \quad Z_{2}=Z_{3}=2Z_{4}\quad \quad \quad and\quad \quad \quad Z_{1}=\left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right)^{2}Z_{4}$

注意如果變壓器從次級繞組之一驅動會發生什麼

$let\quad \quad \quad n_{1}=n_{2}=n_{3}\quad \quad \quad \therefore I_{3}=-I_{1}-I_{2}$

但是I₁ 和I₂ 沿相反方向流動，因此

$I_{3}=-\left({-I}\right)_{1}-I_{2}\quad \quad \quad and\;if\quad \quad \quad \left|{I_{1}}\right|=\left|{I_{2}}\right|\quad \quad \quad then\quad \quad \quad I_{3}=0$

可以透過調整阻抗 Z₁ - Z₄ 來滿足最後一個要求，以使電流相等。由此我們觀察到，注入任何埠的訊號只會在相鄰端口出現，而不會出現在對面的埠。

在正確平衡的單芯混合器中，典型的吞吐量或插入損耗約為 3.5 dB，THL（反向混合器損耗）約為 25 dB。

雙芯混合器

當正確平衡時，2 芯網路可以實現 50 dB 的 THL，而插入損耗保持在約 3.5 dB。它的效能優於單芯器件，但體積更大，價格也更高。

平衡網路

所有電信裝置都針對標準阻抗終端進行測試和表徵。這些阻抗基於線路調查，是外部佈線廠的近似等效電路表示。出於這個原因，這些網路因國家而異。在北美，IRL（輸入回波損耗）針對

T - 測試

為了保持高服務水平（99.999%），裝置必須能夠在客戶甚至意識到可能存在問題之前檢測和修復故障。因此，線上路介面上提供了一個單獨的測試匯流排和訪問繼電器。測試可以在橋接模式下執行，也可以在迴圈和線路卡彼此斷開的情況下執行。

測試可以在三個基本方向進行

• 從線路介面向外檢視使用者線路

• 從線路連線檢視線路卡

• 從線路卡的中央局側

這些測試通常是自動化的，並且在深夜進行，此時客戶很少有可能會請求服務，從而中斷測試。一些預定的測試可能包括

• 傳送和接收電平

• 傳送和接收頻率響應

• 插入損耗

• 反向混合器損耗

• 量化失真

• 混疊失真

其他一些在除錯線路或投訴時可能執行的測試包括

• 脈衝噪聲測試

• C 訊息噪聲

• 縱向平衡

中繼器

透過將兩個混合器背靠背放置，可以建立一個雙向放大器或中繼器。中繼器內 4 線路徑的總增益不得超過變壓器的組合反向混合器損耗。如果發生這種情況，電路將振盪或唱歌。

中繼器內 4 線路徑的總增益不得超過變壓器的組合反向混合器損耗。如果發生這種情況，電路將振盪或唱歌。

空間分隔交換

空間交換機上任何兩個客戶之間的物理路徑不會與其他人共享。由機電繼電器組成的交叉點被用來執行互連，但更新的系統使用半導體。

在交叉開關矩陣中，輸入和輸出的數量不必相等，從而有利於集中或擴充套件。在任何情況下，都需要總共 NxM 個交叉點。雖然只顯示了一個觸點，但如果整個系統都保持尖端和環路的完整性，則許多系統需要兩個觸點。

摺疊矩陣對輸入和輸出進行相同處理，只需要N(N-1)/2個交叉點。這種型別交換機的主要缺點是隨著系統規模的擴大，交叉點數量會迅速增加。交叉點數量以N²增長，但任何給定時間最多隻有N個交叉點可以處於活動狀態。單個交叉點的故障會阻止共享該交叉點的兩個裝置之間的通訊。

多級空間交換機

為了避免與全矩陣相關的成本損失，一種方法是將觸點組織成更小的組。這會影響呼叫處理，因為交換機控制器必須管理每個連線的多個觸點。此外，兩個使用者之間的連線可以採用多種路徑中的任何一條，從而使決策過程更加複雜。

以下草圖顯示了一個簡單的三級空間交換機。應該記住，由於需要全雙工連線，因此必須提供一個提供返回路徑的第二級交換機。

上圖中的交叉點總數為

在此處放置等式

與方陣相比，這種多級交換機所需的交叉點數量大大減少。中心級允許以多種方式在兩個使用者之間建立連線，因此可以繞過單個交叉點故障。這使得系統更加靈活和可靠，但需要更復雜的控制結構。

阻塞

非阻塞網路能夠在任何空閒輸入和任何空閒輸出之間找到路徑。這並不意味著系統能夠同時處理所有使用者的服務請求。在這種情況下，系統可能會過載，但使用者無法區分阻塞和過載之間的區別。

以下插圖顯示了阻塞如何發生。實線代表正在使用的連線。

在此處放置插圖

正在使用的連線不一定是最優路由，並且可能是由之前的連線強迫的。請注意，在這種情況下，交換機 1:1 上的最後一個使用者無法聯絡交換機 1:3 上的最後一個使用者，因為兩者都沒有一個公共的空閒中心交換級。為了克服這個問題，可以新增一個額外的中心級。為了防止阻塞，需要 2n-1 箇中心陣列。

因此，非阻塞網路中的交叉點總數 (NoC) 為

在此處放置等式

隨著線路總數的增加，交叉點總數可以用以下公式近似

這種型別的非阻塞網路被稱為 Clos 交換機，以其發明者的名字命名。它的基本特徵包括

• 第一級交換中的擴充套件

• 奇數箇中心級

• 最後一級中的集中

時分交換

時域交換隻是時域複用的應用，可以對模擬訊號或數字訊號進行。任何數量的輸入都可以按順序路由到單個輸出。

這種技術可以提高傳輸鏈路利用率，並且可以修改為支援電路交換。如果在輸入端放置一個複用器，則在輸出端放置一個解複用器。該系統可用於複用模擬訊號或數字訊號。

每個使用者都被分配一個唯一的交換機，但所有使用者共享相同的內部訊號路徑。對於 N 個使用者，存在 2N 個交換機。當輸入序列與輸出序列不同時，會發生 TDM 匯流排交換。

每個使用者都可以短暫地訪問公共結構。如果需要更高的資料速率，可以分配多個輸入，從而為使用者提供更多時間來傳輸訊號。

時隙交換 [TSI]

如果資訊可以排列成一個序列，它也可以重新排列，就像洗牌一樣。這是時隙交換單元的任務。全雙工操作是透過在兩個方向上交換時隙來實現的。

傳入的 TDM 通道按順序對映到 RAM 中，而傳出的通道則非順序讀出。此輸出地址生成器只是一個由中央控制器控制的記憶體對映指標。

所需的記憶體訪問時間可以近似為通道速率的倒數。RAM 寬度由通道中的位數決定，長度由幀中的通道數決定。

時分複用交換

結合 TDM 和 TSI 允許將來自一個數字位元流的通道切換到另一個數字位元流上的任何通道。多級時間交換機可以由級聯的交換模組組成。為了防止阻塞，需要 3 個或更多級。

雖然看起來在這個例子中只使用了時域交換，但它也被稱為時間-空間-時間交換機，簡稱TST。這是因為中心級實際上是在空間上將不同的輸入線路切換到公共輸出線路。由於術語存在歧義，一些電信裝置製造商可能會將此稱為TTT交換機，如果所有訊號都是數字訊號。

對於小型交換機，空間交換最有效。然而，隨著交換機規模的擴大，時域交換往往更佔優勢。

有時很難在各種電信交換機之間進行直接比較，因為內部架構可能完全不同。然而，可以在特定情況下比較 BHCA（繁忙時段呼叫嘗試）容量或效能，例如流量強度。

流量強度是平均保持時間和呼叫速率的乘積，用 CCS（百呼秒）或 Erlang 表示。

CCS 定義為：(每小時呼叫次數)x(呼叫保持時間以秒為單位)/100 秒 因此，36 CCS = 1 Erlang

Erlang 是一個衡量流量強度的單位，等於任何給定時刻的平均同時呼叫次數。它代表任何時間間隔內的總電路使用量除以該間隔。它還對應於承載流量所需的最小通道數，如果它可以被安排的話。

示例

想象一下，在一個小型電話系統中，有 8 個使用者在隨機通話。

這些呼叫可以想象成這樣排列

三個 1 小時的通道可以承載此流量，並且仍然有 25 分鐘的剩餘時間。因此，流量強度小於 3 Erlang。

研究問題

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