语音通信网络的原理

上高中的儿子问我以前搞的程控交换机是干什么用的，是怎样工作的？

告诉他，这个得慢慢给你讲。主要是完成电话语音通信的交换功能。要讲明白这个，首先你得有网的概念和交换的概念。网就是类似一个快递公司，他首先要搭建一个全国性的网络，省公司，地级公司，县公司和乡镇街道公司（面对快递分公司，不面对客户）和业务点面对客户。

交换就是，古代货币出现前的集市，我把我的东西给你，你把你的东西给我，这是双向的过程。单向就是抢夺了。

通信的目的是要交流传递信息，它的三大要素：终端（发起方，接受方），通信链路，节点设备，这就需要网络来实现。

通信的目的，要解决的需求就是，一对一，一对多，多对多，多对一的双向或者单向的传播信息数据。

首先明白交换的概念，就是我的东西给你，你的东西给我。这是一个双向的独立的过程。

再还有分拣的概念，就是按一定规则对事物进行分类的过程。如邮局处理信件就要根据收信人地址进行分类，地址不全，无法辨识的要留下，退回源地址。本局的要留下，本地要投送。外局的要放到一起，送到上级处理中心进行处理。

人面对面通话的过程：你的口对我的耳朵，我的耳朵听你的口里发出声音。这就是一个交换信息的过程。

对每个人来说，听和说是其实是独立的事件。遇见一方聋子或者一方是哑巴，或者一方不说话就变成单向。但这两个双向的通道是存在和打通的。

同样贝尔发明电话机最初是点对点通信的：用双向的四根线完成点到点的通信。

用4根线完成电话的通信。

这有个问题是若甲要连其他很多用户，就需点对点连接很多，造成资源浪费和效率低下，为此引出交换机的概念，连接多个用户，交换机来实现连接的功能。由一个中心点和用户相连，构成一个星型的组网结构，在中心点，把要通信用户的线的收对发，发对收连接起来。

星型结构以中央节点为中心，并用单独的线路使中央节点与其他各节点相连，相邻节点之间的通信都要通过中心节点。在中心节点，要完成的动作就是把两个要通信节点用双向线连接起来，完成双向物理通道的连接。

交换机位于星型组网的中心点，各个终端话机是星型组网的外围点.底层的中心点在其上级中心点看来就是外围点。

2000年时，在部队的基层连队还在用这种老式手插式交换机，外线打入线路灯闪，小战士接听后，询问要找谁？然后让这边等着，去给对应的分机振铃，接通后，告知有外线打入，然后把用一根飞线把外线和内线接通，过程很慢。

用一个快递的网络来说明。

同样电话通信网也有类似的结构，见下图：

这是一个交换机局内的通话情况，要是局间的通信同样采用星型组网，收发四线的做法，通信节点完成对涉及通信链路的连接。

要实现全球的通信，就要用全球的编号，就是00+国家号码+地区号码+交换机局号+用户号码来标识一个用户，如00862986255120就表示中国西安市龙首村电信局所辖的一个5120的用户号码。通常会把一个号段和一个交换机局绑定起来，如8625这个万号段分给龙首村电信局，如86250000-86259999这个一万个号码给这个局用。别人打这些号码会送到送到这个交换机局来。这样就是实现，号码和交换局的绑定。

固定用户的通话过程，分为呼叫建立，通话过程，通话释放3个阶段。

以上图为例，通话的过程就是建立一条用户1另一个交换机用户2的物理双向通信链路承载通道，建立成功后，主被叫摘机后，双向通路打通，双方开始通话。任何一方挂机，逐级释放通信链路的连接。下面我们以通信组网为例讲一下：

我们来看一下通话的建立过程。就想寄快递一样，你首先要通知快递公司你要发快递，快递公司来人后，你要填单子，要写收件人和寄件人的地址和联系方法，这个过程对电话来说，就是先摘机，信号传递到交换机，交换机给你放拨号音，告诉你交换机准备好了，你拨号相当于写收件人的地址和联系方法，是终端拨被叫号码的过程。

交换机有一张字冠表，里面有本地字冠，外地字冠，和承载出口的关系，本地的落地处理，外地的送出到对应线路。这就是一个类似邮件分拣的算法依据表。

好比邮件到达端局后，端局要首先判断分析一下它的接收人是不是本局所属的，是的话，在本地投递处理。不是，把它送到上级汇接局，预留一条通信链路承载通道。汇接局收到后在判断是本地其他局还是手机呼叫还是长途呼叫，是本地其他局的号码送其他局，是手机的呼叫送关口局，是长途呼叫送长途局处理，同样各预留通信链路承载通道。以长途为例，到长途局后，长途局根据区号判断要把他送到那个地方，然后和收邮件的过程相反，原来是有街道到区县到市里到省里，现在是相反的过程，由省到市到区县到街道，最后到街道即端局交换机落地，都预留一条通信链路承载通道。端局交换机给相应的号码振铃，同时发一个被叫空闲消息，打通个中间节点的物理链路承载通道的连接，端局把回铃音给主机侧送出，这样主机就知道了被叫的状态是正在振铃准备接听。当被叫摘机后，被叫侧停放回铃音，主被叫双向联通，开始通话。任何一方挂机后，发一个释放信号，各节点把其对应的通信链路逐级释放。通话结束。

这里我们引出一个中继的概念，我们把交换机和交换机之间的物理链路称为中继，我们可以看一下，端局交换机可以连接本局用户，是连接用户到用户的通信链路，也可以连接局之间的中继和用户的物理链路（当拨打非本局用户时），端局要判断被叫用户是否是本地号码。对于端局上面的交换机，它主要处理的中继到中继的连接，所以不判断是否本地号码。如汇接局对长途呼叫的处理就是连接一条端局的中继和一条到长途局的中继。

从上面可以看出，交换机要对被叫进行分析，看是否落地到本地，是本地的要在本地处理，不在本地，要把它指定到一条物理承载中继上去。这就叫路由，即被叫号码和物理承载的对应关系。就像快递点一样，处理收发邮件的都是街道的点，区县，市，省都只处理邮件的转发。

对应我们的无线通信设备也类似的结构双星型组网

交换机上要设置的数据：

1. 硬件用户电路和对外号码的对应关系。拨出携带号码对应的号码，拨入对应的硬件电路开始振铃。
2. 类似分拣，要根据被叫的确定分拣选路规则。首先要做一条物理的出局承载链路，然后指定被叫和出局承载链路的对应关系。如本地，出局的走向。
3. 为了寻址方便，要给具体的一个线路进行编号，这个编法就是国家号-地区号-端局号-用户号，如00862986250001，这样拨出号码就会在通信网络中传播，端局交换机设备就按照号码中端局号进行标识。

移动组网：

所以通信过程就是终端发起，建立一条到一个终端的通信链路，由节点连通所经过通信链路，把要传递的信息相互传递到另一端。

移动通信的特点，终端的无线接入性，移动性和漫游性。

固定电话通过电话线决定是那个终端号码，每个用户有对应的一个电路号，交换机给每个电路号分配一个号码，如1框1板1电路对应86250000，那这个线路就是86250000了，插上话机，就是这个号码。交换机内部处理的几框几板几电路的消息，对外面来说，交换机送出的是号码，外面拨打的是号码。移动通信通过sim卡决定是那个号码，sim卡插在那个终端上，那个终端就是那个号码。手机通过周期性注册告知核心网它在线，在那个小区。为了组成一个不中断业务的网， 必须在物理上布置多个基站，每个基站覆盖一定区域，相邻的区域基站配置邻区，并在广播消息中通知终端，终端在信号弱的时候，注册到信号强的区域，做通话业务时，终端会切换业务到无线条件好的小区里。

和 固话还有一个区别就是，做被叫时，固话就是给对应线路送铃流，振铃电路工作，电话开始响铃就行。移动电话，要通过广播（术语叫寻呼）询问xxxx在吗？当sim卡对应号码响应后，就开始建立一个无线的双向通道到基站，接通后通过双向通道上行发出被叫信息，下行送来主叫信息。完成双向交换功能。

由于终端的可移动性，要找到终端，要引入寻呼的概念，即基站下行链路有一个专门的广播信道，用来发寻找某一个用户消息。终端需要监听这一信道的消息，有找自己消息的话，终端就发应答消息。为了方便寻呼，引入位置区的概念。每个基站都划分一个位置区，基站的广播消息里有位置区的数据，和相邻位置区的地址，终端在该位置区开机，要告知核心网自己的位置区，并每隔一定周期（如一个小时）向核心网发送一次告知自己位置的消息。当终端移动时，终端检测到有好的相邻位置区出现时，终端会发变更一次自己的位置区数据，告知核心网自己的位置区发生变化。当有人拨打该终端时，核心网会向对应的位置区发出寻呼消息，来提高寻呼的效率。

终端接入网络的过程，首先终端插入的sim卡上，写有imsi，ki，加密算法a3和a8，其中imsi是15位号码组成是MCC 移动国家码(中国的MCC规定为460)+MNC 移动网络码(移动为01)+MSIN用户识别，ki是32位16进制的参数值，用来配合鉴权算法来进行鉴权。

imsi是写在sim卡上的一个号码，无线网络用imsi标识一个终端，imsi在一个网络里是唯一的，不能重复。Imsi对应一个手机号码msisdn，就是我们常说的手机号码。

Imsi共15位，前五位用来标识国家和运营商号码。若46001,460是中国，01是中国移动。后面是地区号码和用户号码。我们说的手机号和imsi在无线核心网有个对应关系，如460010123456500对应13772500975，无线网络内部标识一个手机，用imsi，所有的消息全部用imsi关联，呼出到用imsi对应手机号码，把手机号码发呼叫参数里去。被叫显示手机号码。呼入时由号码映射到imsi，无线网络系统里用imsi标识终端，标识相关的呼叫消息。

基站的广播消息里plmn特征，频道特征，相邻小区特征等等，手机开机后，首先根据imsi所属的plmn查找对应广播消息，然后把频道调整到广播的频率，接入对应服务商，然后核心网要对sim卡的合法性进行鉴权，鉴权的过程是核心网发一串随机数给终端，终端根据sim卡上的ki和算法计算后得出一串数据，回发给核心网，核心网上有和sim上相同的ki和算法，得出的数据进行对比，通过后，鉴权完成，手机在核心网上注册成功，核心网上记录手机的位置区，并有手机对应号码的业务权限。

手机通话的过程，手机终端首先发一个业务请求（这个过程在手机拨完号码，点发射后产生），核心网要对手机进行指配-CM业务请求-鉴权加密-业务建立-信道支配-信道支配完成-摘机进入通话-通话结束业务释放-控制链路释放等。就是要建立一条，空中的双向无线承载通道和各节点有线承载通道的预留过程。

其中业务建立就是手机上报被叫号码，核心网根据被叫号码来确定手机是否有权限进行呼叫，当被叫是本网手机号码时，核心网首先确定根据手机号码和imsi的对应关系找到被叫的位置区，然后先向位置区发paging消息，被叫手机响应paging后，核心网向主叫发振铃消息，向被叫发送主叫号码，并开始被叫振铃，等被叫应答后，一条从主叫到被叫双向语音通道被打通，双向语音流开始发送。

和有线通信相比，无线通信，无线侧承载通道在被叫号码发出后建立的，有线侧的连接和有线通信一样，在被叫开始振铃时，开始建立。

和有线呼叫相比，手机做被叫时，等待接听的时间会比较长，是因为手机要其注册的基站先发一个寻呼消息，问手机你在不在，当手机响应后，才会向主叫发回铃音，被叫才开始振铃，这个过程要3到4秒，所以呼叫移动用户感觉会慢一些。

还有一个切换的概念，当在两个无线小区间移动时，一个小区的信号弱化不足以维持通信，而另一个信号强度大，满足预先设置的强度条件时，就会把手机到基站a的承载双向通道，改到基站b上，基站b和手机建立新双向连接，待准备好后，就开始切换，转到b基站承载，释放a基站的承载，保证业务正常可用。

总结一下，通信过程就是通信发起建立两个终端的通信链路，通信数据传输，通信结束链路的释放。

今天数据通信，同样也有网络的概念，各级交换机路由器和传输链路构成一个广域网网络，通过ip地址来寻址，用nat技术解决内网ip和公网ip的转换问题，各级设备的路由表就是分拣承载出口落地规则。