通信交換的百年滄桑

中科院物理所2018-10-11 08:06:33

文章來源:鮮棗課堂(ID:xzclasscom)


1876年2月,一位名叫亞歷山大·貝爾的29歲年輕人,向美國專利局提交了一項發明專利申請並獲得批准。這項專利,就是日後影響了整個人類社會進程的通信神器——電話。


亞歷山大·格拉漢姆·貝爾

Alexander Graham Bell


在這之後的第二年,貝爾創辦了貝爾電話公司(也就是美國AT&T公司和朗訊公司的前身,貝爾實驗室的發起者),開始了電話的商業化運營。到了年底,用户數很快就達到了3000户。


沒過多久,貝爾又完成了波士頓和紐約之間的首次長途電話實驗(相距300多公里),進一步刺激了電話的快速普及。


當時的宣傳海報


隨着電話數量和通話距離的迅速增加,人們發現,傳統的電話連線方式存在很大的問題。


當時的連線方式,是直連模式,也就是1對1模式。



這種模式,適用於最早期用户數量很少的情況。隨着用户數增加,就會帶來很高的成本。


當採用直連方式,連接N個電話,需要N*(N-1)/2條電話線

例如,10000個電話,就需要49,995,000條電話線


於是,人們開始引入了“交換(switch)”的概念。


所謂“交換”,就是“進和出”。交換機,就是控制消息從哪裏來,到哪裏去。有了交換機之後,將大幅減少線纜和線杆成本,並且有利於管理和維護。


N個電話,只需要N條線


1878年,也就是電話發明兩年後,世界上最早的電話交換機出現了。這種交換機,是由話務員進行人工操作的,所以稱為


話務員和人工交換機


人工交換機由用户線、用户塞孔、繩路(塞繩和插塞)和信號燈等設備組成。




用户要打電話,先與話務員通話,告訴話務員要找誰,然後由話務員幫你接續。


人工交換機,根據當時電話的分類,也分為兩種:磁石式和共電式。


最初的電話機,電能由自身提供,主要由送話器、受話器、手搖發電機、電鈴、乾電池等部件構成。因為手搖發電機上有兩塊永久磁鐵,所以得名“磁石電話機”。


早期的磁石電話機


1880年,出現了“共電式電話機”,通話雙方可以共同使用電話局的電源。這項改進,使電話機的結構大大簡化了,而且使用方便,拿起電話便可呼叫。


共電電話機(搖把沒了


人工交換機的缺點是顯而易見的:容量很小,需要佔用大量人力,工作繁重,效率低下,而且容易出錯。


1891年,有一個名叫史端喬的殯儀館老闆,就吃了人工交換機的大虧。


A.B.史端喬,Almon Brown Strowger


他發現,打到自己店裏的生意電話,總會被話務員轉接到另一家殯儀館。後來才知道,原來當地話務員是那家殯儀館老闆的堂弟。於是,他很生氣,發誓一定要發明一個不需要人工操作的交換機。


結果,他還真的做到了。


他在自己的車庫裏,製作了世界上第一台步進制電話交換機


為了紀念他,這種交換機也被稱為“史端喬交換機”


這種交換機,由預選器、選組器和終接器等部件組成,以機械動作代替話務員的人工動作。當用户撥號時,選擇器隨着撥號發出的脈衝電流,一步一步地改變接續位置,從而將主叫和被叫用户間的電話線路自動接通。


步進制交換機工作原理圖


話説,史端喬確實是一個發明天才,除了步進制交換機之外,大家經常在電視上看到的旋轉式撥號盤,也是他發明的。有人還專門給他建了一個網站,以示紀念(網址就是他的名字:www.almonbrownstrowger.com)。


旋轉式撥號盤


1892年,第一個“史端喬步進制電話局”在美國投入使用。


後來,在史端喬步進制交換機的基礎上,又出現了旋轉式和升降式的交換機。



1909年,德國西門子公司對史端喬步進制電話交換機進行了改進,主要是將三磁鐵上升旋轉型選擇器改為二磁鐵的選擇器,製成西門子步進制電話交換機


1929年在澳門安裝使用的西門子F1步進制電話交換機


步進制交換機雖然實現了替代人工,但是仍然存在很多缺點,例如接點是滑動式的,可靠性差,易損壞,動作慢,結構複雜,體積大等。


日本富士通信機制造株式會社生產的A29步進制交換機(1940年)


於是,工程師們繼續尋求更好的解決方案。


1919年,瑞典工程師貝塔蘭德帕爾姆格倫共同發明了一種“縱橫接線器”的新型選擇器,併為之申請了專利。


接線器


這種接線器,將過去的滑動式改成了點觸式,從而減少了磨損,提高了使用壽命。


縱橫連接器交叉點示意圖


在“縱橫連接器”的基礎上,1926年,世界上第一個大型縱橫制自動電話交換機在瑞典鬆茲瓦爾市投入使用。到了1938年,美國開通了1號縱橫制自動電話交換系統。緊接着,法國、日本等國家也相繼生產和使用該類系統。


從此,人類正式進入縱橫制交換機的時代。到20世紀50年代,縱橫制交換系統已經非常成熟和完善。


縱橫制交換機


“縱橫制”和“步進制”,都是利用電磁機械動作接線的,所以它們同屬於“機電制自動電話交換機”


就在縱橫制不斷完善的同時,隨着晶體管的發明,半導體技術和電子技術飛速發展,人們開始考慮,在電話交換機中引入電子技術。


世界上第一個晶體管


由於當時電子元件的性能還無法滿足要求,所以出現了電子和傳統機械結合的交換機技術,被稱為“半電子交換機”、“準電子交換機”。


後來,微電子技術和數字電路技術進一步發展成熟,終於有了“全電子交換機”。


1965年,美國貝爾成功生產了世界上第一台商用存儲程式控制交換機(也就是“”),型號為No.1 ESS(Electronic Switching System)。


No.1 ESS程控交換機


1970年,法國在拉尼翁開通了世界上第一個程控數字交換系統E10,標誌着人類開始了數字交換的新時期。


程控交換機的實質,就是電子計算機控制的交換機。


NEC程控交換機


它以預先編好的程序來控制交換機的接續動作,優點非常明顯:接續速度快、功能多、效率高、聲音清晰、質量可靠,其容量可大至萬門。

注:這裏所説的“門”,是交換機容量的一種單位,可以簡單理解為最大支持的接續電話數量。


如此巨大的容量,意味着佔地面積更小。程控交換機的機架數僅為縱橫制的1/10,而且每個機架的重量減輕一半多,非常有利於安裝和維護。



説到這裏,我們需要暫停一下,回過頭來看看我們國家的交換機發展情況


實際上,我國的電話事業起步並不算晚。早在清朝末年,我國就有了電話和電話交換網絡。當然,那個時候還是人工交換機時代。


清朝的話務員和人工交換機


1882年,我國第一部磁石電話交換機在上海開通。


1904年,北京的第一個官辦電話局在東單二條衚衕開通,當時是100門人工交換機。


七七事變後,日本軍隊攻入北京。出於統治需要,日偽政府新建了大量的步進制自動電話交換機,替換了人工交換機。


日偽時期的步進制交換機


到1949年,當時我國的電話普及率不到0.05%,全國的電話總用户數只有26萬。使用電話,只是少數人的特權。


解放後,限於條件,我國電話交換機主要以人工交換機為主,步進制交換機為輔。不過,我們也開始研製自己的縱橫制電話交換機。


建國初期郵電機房的工作人員


1960年,我國自行研製的第一套1000門縱橫制自動電話交換機在上海吳淞局開通使用。



後來,因為眾所周知的原因,我國的通信技術發展進入了長期的停滯階段。縱橫制交換機,也開始了長達40年的服役。


縱橫制交換機


一直到改革開放初期,我們都還在使用縱橫制、步進制交換機,甚至是人工交換機,完全看不到程控交換機的影子。


改革初期的人工交換機話務員


當時我國電話交換網絡的發展水平,至少落後發達國家20年


從數據就能看出來,1978年,全國電話普及率僅僅為0.38%,中國擁有的話機總數,還不到世界話機總數的1%。


直到進入80年代,我們的電話交換網絡才算開始重新艱難起步。


當時改革剛剛開始,經濟和社會復甦,老百姓的通信需求非常迫切。而郵電相關部門一沒技術(國際封鎖),二沒資金(自己窮),只能引進國外的“落後”技術,甚至是淘汰下來的產品,倉促應對。


郵電局的公共電話亭,人滿為患

當時安裝一部電話需要上萬元,還要單位介紹信,就算這樣,還要等好幾個月,甚至一年半載


1982年,福建福州引進並開通了日本富士通的F-150萬門程控電話交換機,轟動全國。



1984年,上海貝爾電話設備有限公司成立。這是我國第一個研製程控電話交換機的合資企業。


當時冷戰尚未結束,包括程控交換機在內的通信技術都受到“巴統”(輸出管制統籌委員會,總部在巴黎)的封鎖和限制,我們是買不到的。通過上海貝爾來製造,都屬於曲線救國。


1985年,聞風而動的AT&T、諾基亞、愛立信,紛紛跑來設立辦事處。


於是乎,在這些國外通信企業的“幫助”下,我們國家很快就進入了“七國八制”的混亂髮展階段。

七國八制:當時中國通訊市場上,總共有8種制式的機型,分別來自7個國家。


七國八制


全國上下,都是用的國外進口設備。而這些不同制式的交換機互不相通,造成了中國通信網絡的一片混亂。


然而,在混亂之下,中國的自主通信產業開始崛起了。


越來越多的中方技術人員通過引進的設備技術進行學習、成長,越來越多的國營和民營資本開始進入利潤豐厚的通信產業。


機房正在學習的通信技術人員


80年代中後期,大量的中國通信設備製造企業如雨後春筍一般湧現。


它們的主要研發目標,就是程控交換機,尤其是技術含量較低的小門數用户交換機。


這裏面,就有兩家日後成長為世界級通信巨頭的企業——華為和中興。


創業早期的任正非(左一),他創辦的華為,最開始就是代理香港一家公司的小型交換機起家。


中興通訊創始人侯為貴(左四),中興也是先代理,後研發


當時,雖然“七國八制”瓜分了中國通信市場,但是,有一塊市場空白被這些巨頭給“遺忘”了,那就是農村。


由於農村線路條件差、利潤薄,國外廠商都沒有精力或者不屑去拓展。


而中國交換機廠商抓住了這個寶貴的機會。


1992年1月,中興通訊ZX500A農話端局交換機的實驗局順利開通,由於性價比高,符合要求,獲得了巨大的成功。


中興的程控交換機研發


到1993年,中興2000門局用數字交換機的裝機量已佔全國農話年新增容量的18%。


ZX500生產鑑定會


無獨有偶,C&C08A型機是華為公司1993年自主開發的第一代數字程控交換機,也在農話市場大賺特賺。


華為C&C08


僅靠農村市場是不夠的,而且,小門數交換機也不可能有很好的未來。於是,兩家中國企業迅速調整戰略,很快推出了萬門以上的程控交換機。


1995年11月,中興通訊自行研製的ZXJ10大容量局用數字程控交換機獲原郵電部電信總局頒發的入網許可證,該機終局容量可達17萬線。


中興ZXJ10


同年,華為也推出了萬門機的C&C08C型機。


華為C&C08


也是在1995年,由原電子工業部第五十四研究所和華中科技大學聯合研製開發的EIM-601大容量局用數字交換機通過了部級鑑定。憑藉EIM-601技術,金鵬電子誕生了。


與中興和華為的小作坊起家相比,大唐電信的起點要高得多。


雖然大唐電信於1993年成立,但是它背靠原郵電部電信科學研究,技術與人員均來源於後者。1986年郵電部一所就研製出了DS-2000程控數字交換機,而1991年10所又研發出了DS-30萬門市話程控交換機,並於次年投入商用。1995年,新成立的大唐推出了SP30超級數字程控交換機,容量可達10萬門以上。


這裏還一個人物不得不提,他就是在中國通信史上寫下重要一筆的鄔江興


鄔江興


1991年,年方38歲的解放軍信息工程學院院長鄔江興主持研製出了HJD04(簡稱04機)萬門數字程控交換機,從而一舉打破了國外廠商的壟斷。當時,中興與華為仍處於千門交換機的水平。


HJD04(04機)


04機鑑定會


後來,在04機技術基礎上,成立了巨龍通信設備有限公司。短短3年之內,其累計總銷售額高達100多億元,銷量超過1300萬線,成績相當驚人。


就這樣,巨龍、大唐、中興、華為和金鵬五朵交換機領域的金花(也稱為“巨大金中華”)突破了國外廠商的重圍,憑藉低廉的價格和政府支持,站住了腳跟,並一步一步改變了中國通信行業的格局。


不過,後來因為種種原因,五朵金花有的早早凋謝,有的更加豔麗,完全走向了不同的命運。現在看來,實在令人唏噓。



到了90年代,信息技術的發展速度簡直可以用“一躍千里”來形容。


伴隨計算機的普及,互聯網開始興起,並迅速發展壯大,逐漸影響我們的生活。



程控數字交換與數字傳輸相結合,構成了綜合業務數字網(ISDN)。它通過普通的銅纜,以更高的速率和質量傳輸語音和數據,不僅實現電話交換,還能實現傳真、數據、圖像通信等的交換。多媒體時代,正式到來。


在技術的不斷進步下,我們的交換方式,從空分,逐漸變成了時分,頻分(波分)。我們的通信介質,也從電纜逐漸變成光纜。


最重要的一個變化,就是通信方式。以前只有電報、電話,現在,移動通信崛起,手機開始成為人們的新寵。


手機(大哥大)


這一切的背後,是交換技術的更新迭代。


以語音為主的電路交換機,逐漸開始退居二線。以數據業務為主的分組交換機,開始佔據主導地位。



進入21世紀後,傳統電話交換機淘汰提速,程控交換機陸續開始退出歷史舞台。


程控交換機下電退網


而NGN,可以説是固定電話網絡最後的謝幕了。


説到NGN這個詞,大家一定都聽説過。但是實際上,很少有人能夠準確説出NGN到底是什麼。和NGN經常一起出現的概念名詞,還有“軟交換”,也經常讓人迷糊,分不清它和NGN之間的關係。


NGN,就是Next Generation Network(下一代網絡)。


之所以大家對這個概念分不清,就是因為它的名字取得不好,非常有混淆性。


從廣義上來説,NGN是在“這一代網絡”的基礎上,採用新技術,演進出來的“新一代網絡”。“這一代網絡”,就是指傳統PSTN(公共交換電話網絡)網絡,可以簡單理解為程控電話交換機網絡 。


從狹義上來説,NGN是一種網絡模型,由很多設備組成。這些設備裏面,就包括軟交換設備。


傳統電路交換和NGN的對應關係


坑爹的是,“軟交換”也是一個帶有廣義和狹義多重理解的概念。


從廣義來説,“軟交換”是相對“硬交換”而言的。什麼是硬交換呢?就是傳統程控交換機那種,所有的功能都做在一起,集合在一個設備裏面。相當於一個黑盒(可以看上面的圖,左邊的黑框),對外不可見。


軟交換,就是把這個黑盒給打破了,拆分開,分為不同的功能實體。拆開的目的,就是各司其職,靈活調度,有利於功能和容量擴展。


狹義的“軟交換”,就是指的具體一種設備。例如華為的SoftX3000,中興的SS1B,就是軟交換設備,主要負責呼叫和會話控制。


華為SoftX3000


如今,NGN也要退出歷史舞台了。即將取代它的,就是大名鼎鼎、令人膽寒的IMS(IP多媒體子系統)。



總而言之,如今已經是分組交換的天下,傳統語音交換早已成了昨日黃花,漸漸離我們遠去。


交換技術,一路走過了140年的發展歷程,不斷更新換代,不得不讓人感慨技術的日新月異,科技的飛速進步。


當然,這離不開一輩又一輩通信人的執着追求和努力付出。沒有傳承和積累,何來今日之輝煌?


展望未來,交換技術將走向何方?會不會出現新的顛覆性的交換方式?何時出現?這一切問題,就只能讓時間來告訴我們答案了。


來源:鮮棗課堂

編輯:霧裏熊


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