人工電話交換是由話務員作人工接續的電話交換方式。按主叫用戶要的電話號碼，在交換機上找到被叫用戶，並將兩者接續起來。
基本介紹
- 中文名：人工電話交換
- 外文名：Manual service exchanges
- 領域：電子工程
電話交換,歷史,技術,人工接線服務,數位化以前的程控交換,數字交換機,交換機在電信系統中的地位,交換設計,概述,中華人民共和國的交換結構,交換控制算法,完全連線網路,Clos非阻塞交換算法,容錯性,參見,
電話交換
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設備（包括電話轉換機）的場所，連線電話線路並且傳遞通話信息。
圖1.一台老式人工電話交換台
圖1.一台老式人工電話交換台在電信領域，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信息，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（撥號的時候只撥大寫的字母和數字）。
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（某些地區如佛羅里達從1930年代到1950年代早期的電話號碼只有六位數字，兩個代表交換機名字的字母后面跟四個數字，比如“DUnkirk 0799”）。直到1950年代中期，直接跟在名字後面的數字從不為“0”或“1”，事實上除了洛杉磯鄰近地區以外“0”根本就不使用（“BEnsonhurst 0”電話號碼前綴在The Honeymooners這部著名電視情景喜劇中作為一個虛構細節出現）。
1955年，貝爾系統試圖通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（例如“FL 6-9970”），隨後在1965年全國所有新入網電話號碼僅包含數字（威奇托福爾斯是美國第一個實現這點的，早在1958年就實現了）。但直到1970年代，現存的號碼仍沿用老方法。芝加哥一個地毯商常常用他的電話號碼“NAtional 2-9000”（國家 2-9000）在WGN電台做廣告；更不用說TYler 8-7100（泰勒村，德克薩斯一個鄉村）是一個底特律建築商的名字了。
直到1958年實施用戶長途撥號制（Subscriber Trunk Dialling，簡稱STD)之前，在英國多數地區不使用帶有字母的電話號碼。只有使用導向的地區（伯明罕、愛丁堡、利物浦、格拉斯哥、倫敦和曼切斯特）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。
歷史
1878年，康乃狄克州的紐哈芬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。
圖2.手工電話接線員
圖2.手工電話接線員隨後，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，前面還有電話線。每條線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日堪薩斯州托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。這種設備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”的用戶線，稱為“線路發現器”，最多可檢測100條。線路發現器將用戶線連至一個“撥號音”線路，使用戶知道已經可以撥號。隨後用戶進行脈衝撥叫，速度為每秒10個脈衝左右（不同的國家有不同的規定）。
基於斯特羅格設計的交換機後來受到縱橫式交換機（又名縱橫制交換機）技術的挑戰。新式電話交換機保證更快的交換速度，並可以接受大約20脈衝每秒的撥號速度，比斯特羅格的10脈衝每秒高約一倍。使用雙音多頻（DTMF）信令的固體繼電器交換機（可以支持按鍵式撥號）在縱橫式交換機徹底取代步進式之前成為最後的贏家。在中國，儘管也有幾種縱橫制交換機（部分為自行研製）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。
技術
- 人工接線服務指由接線員將呼入交換機的電話手工接駁，不需要撥號。
- 撥號服務指由交換機自動接駁所撥打號碼地交換方式。
- 電話交換局指放置設備和進行操作的房間。
- 電話交換機指交換過程使用的設備。
- 集中器指集中器本身，不管是否集成在交換機里。
- 提機指電路處於“使用中”的狀態。
- 掛機指電路處於空閒狀態。
人工接線服務
人工服務的情況下，用戶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, 接線員通過將線插入交換台上對應被叫用戶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。當用戶提起話機，線路狀態轉變為提機，在接線員地交換台上面會有燈亮起，蜂鳴器響起。在一般的共電系統，從用戶電話機到交換機（或者人工交換局）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。在人工交換過程里，通過提機狀態的電流會流過接線員控制台上的蜂鳴器和燈。蜂鳴器和燈告訴接線員，有個用戶提機請求服務了。如果連到交換機的時候，提機時則會通過合上一個繼電器使用戶線連至撥號音以及收號設備。
較小的城鎮裡，早期一般採用磁石電話，或者搖柄電話。用戶轉動搖炳發出電流激活呼叫狀態，通知接線員有呼入。在用戶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，使用了一種能顯示用戶所撥號碼的特殊交換台。例如，如果MUrray Hill交換局的用戶拿起電話並撥打CIty Island交換局的用戶，用戶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，他能從交換台上看到電話號碼，從而將線路插入適當的插孔。
數位化以前的程控交換
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。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（PSTN）的一部分。
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。也可以讓交換機集成更多的功能組件，例如計費設備等。
貝爾系統的撥號服務實現了一個名為“自動號碼識別”（ANI）的特性。ANI可以支持一些服務如自動計費、免費800號碼、以及911（緊急報警電話）等。在人工接線服務裡面，操作員可以根據交換台上亮起的燈在哪個耳機孔附近確定呼叫方是誰。在早期的撥號服務里沒有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（也稱為步進交換機）、全繼電器式、X-Y式、配電盤式以及縱橫式交換機等一些類型，統稱為機電式交換機。
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。在兩台交換機之間建立起呼叫需要用到七號信令協定（或其變種）。根據Federal Standard 1037C（美國國家標準）及MIL-STD-188（美國軍方標準），在美國和軍事通訊中，數字交換機是指執行數位訊號的時分復用交換的設備。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，包括算法和設備。
數字交換機在極短的時間片（一秒很多個）內對語音進行編碼。在每一個時間片，實時產生語音信號的數字表示方式。所產生的數位將被傳送至接收端，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信，因為聲音需要重新產生，但只延遲了非常短的時間。
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里。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，稱為用戶交換機（PBX）。
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。電話系統最艱巨的工作和最昂貴的部分是中心局外面的布線。早期的電信系統中，每個用戶號碼需要從交換機到用戶電話拉一根線。普普通通的一個交換局可能有數萬對線連線到終端盒上（稱為總配線架，MDF）。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。典型的電話公司里有一個大資料庫跟蹤每一對用戶線。在1980年代貝爾系統的記錄系統電腦化之前，這些信息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”設備來為用戶提供電話服務。這些設備用於在現有銅線已經用完或者在附近就有用戶時，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（DLC）放置在中心局以外，通常是在大用戶旁邊，距離中心局有一定距離的地方。
DLC常常指的是用戶環路載波（SLC），在朗訊為其線對增容的專有設備起了專有名字之後，早期的SLC系統（SLC-1）使用模擬載波在中心局和遠端之間通信。隨後的系統（SLC-96、SLC-5）和其他廠商的DLC產品如線路卡可將模擬信號轉換為數位訊號（使用PCM編碼）。這種數位訊號可以通過銅線、光纜或其他傳輸介質傳送到中心局。其他組件包括用以產生振鈴電流的振鈴發生器和備份電池等。
DLC線路可以配製成通用的（UDLC）或者集成的（IDLC）。通用DLC有兩個終端，一個中心局終端（COT）和遠程終端（RT），其功能是一樣的。兩個終端都直接面對模擬信號，並將它們轉換成數位訊號，並傳送到另一方。有時候，傳送是由獨立設備處理的。在集成的DLC里，不用COT。相反，RT通過數字方式連線到電話交換機。這減少了所需設備的數量。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
概述
與中心局相比，長途交換機可能使用較慢但更有效的交換分配算法，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（即線對），現代電話交換機則使用多路設備和時分交換技術。換句話說，每條語音通道是在一條物理線對（用A或者B表示）上面的時隙（用1或者2表示）。為了把兩條語音通道（例如A1和B2）連線起來，電話交換機會將A1和B2上面的信息進行交換，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次的速度交換數據。這是在用於循環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。利用這兩種類型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循環完整讀入記憶體，然後以不同的順序寫入，同樣是在一個循環電腦記憶體的控制下。這會導致一些信號延遲。
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。
- C2局為省中心局，設立於非C1局的各省會城市。
- C3局為地區中心局。
- C4局為縣級交換中心。
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（C1轄區）各省中心局之間基本互聯，此外還有其他直達線路以提高效率。
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台例如聲訊台等。長途區號的首位如下分配（有例外）：
- 華北：3
- 東北：4
- 華東：5、6
- 中南：7
- 西南：8
- 西北：9
交換控制算法
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，多數交換機通過一種可容錯的方法實現。參見非阻塞最小跨度交換裡面關於查理斯·克魯斯算法的討論，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，控制電腦會在周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“占用”。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通過一個先進先出佇列進行分配。這樣，如果有用戶提機並重撥，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。
