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一百多年前，“電話之父”亞歷山大·貝爾或許根本無(wú)法想象，手機(jī)如今已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚耐ㄐ殴ぞ?。但很多人不知道的是，手機(jī)的發(fā)展和普及其實(shí)離不開電話交換技術(shù)的更新迭代，今天就帶大家了解一下電話交換技術(shù)的百年演進(jìn)歷程。
電話交換與電話交換機(jī)
在電話發(fā)明初期，通話主要是用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直連模式：用兩根導(dǎo)線連接兩組結(jié)構(gòu)完全相同、在電磁鐵上裝有振動(dòng)膜片的送話器和受話器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩端通話，缺點(diǎn)也很明顯——距離短、效率低。
隨著社會(huì)需求的日益增長(zhǎng)和科技水平的不斷提高，電話數(shù)量和通話距離也迅速增加，如果使用直連模式，所需的電話連接線路數(shù)量將十分龐大，這不僅會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)線路利用率、增加建設(shè)投資，并且電話機(jī)與大量線路的相接在實(shí)際工程安裝中也很難實(shí)現(xiàn)。于是，人們就在用戶分布密集中心處安裝一個(gè)公共設(shè)備，當(dāng)任意兩個(gè)用戶通話時(shí)，均由公共設(shè)備實(shí)現(xiàn)連通，這個(gè)公共設(shè)備就是早期的電話交換機(jī)，即通過電話交換機(jī)在兩部（或多部）電話機(jī)之間臨時(shí)接通通話電路，以實(shí)現(xiàn)電話用戶之間通話的接續(xù)過程。使用電話交換機(jī)后，每一部電話機(jī)只需要一對(duì)傳輸線與交換機(jī)相連。
電話交換技術(shù)的發(fā)展和分類
電話交換技術(shù)分為人工交換和自動(dòng)交換兩大類，在技術(shù)的演進(jìn)中主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：人工交換、機(jī)電交換、電子交換和NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）。
人工交換
世界上最早的電話交換機(jī)于1878年問世，因在電話交換過程中的接線、拆線等作業(yè)完全由話務(wù)員用手工操作完成，所以被稱為“人工交換機(jī)”。人工交換機(jī)由用戶線、用戶塞孔、繩路（塞繩和插塞）和信號(hào)燈等設(shè)備組成。通信雙方進(jìn)行通話時(shí)，必須先與話務(wù)員通話，再由話務(wù)員續(xù)接，通信效率非常低。1882年，大北電報(bào)公司開設(shè)電話交換所，裝置人工電話交換機(jī)一部，經(jīng)營(yíng)電話業(yè)務(wù)，中國(guó)領(lǐng)土上的第一個(gè)電話交換所正式營(yíng)業(yè)。
人工交換機(jī)對(duì)應(yīng)用戶使用的電話機(jī)，又分為磁石式和共電式交換機(jī)。磁石式電話機(jī)因手搖發(fā)電機(jī)上有兩塊永久磁鐵而得名，依靠用戶自備電池供電，用手搖發(fā)電機(jī)發(fā)送呼叫信號(hào)。
磁石電話交換機(jī)優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)則是容量小，使用不便，只適用于話務(wù)不忙、用戶不多的地區(qū)。
而共電式電話交換機(jī)使電話機(jī)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，由電話局集中供給用戶通話電源，省去了電話機(jī)端的手搖發(fā)電機(jī)和干電池，用戶拿起電話就可以呼叫。
作為早期的電話交換方式，人工交換主要依賴人作為交換動(dòng)作的控制設(shè)備，因此轉(zhuǎn)接效率低、速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大，有時(shí)還會(huì)出錯(cuò)。
機(jī)電交換
1889年，美國(guó)一家殯儀館的老板阿爾蒙 · B ·史端喬（Almon B. Strowger)偶然發(fā)現(xiàn)，電話局的話務(wù)員不知是有意還是無(wú)意，常常把他的生意電話接到自己競(jìng)爭(zhēng)者那里，致使他丟掉多筆生意。為此他大為惱火，發(fā)誓要發(fā)明一種不需要人工話務(wù)員接續(xù)的自動(dòng)接線設(shè)備。于是他潛心研究，終于在1891年3月獲得了發(fā)明“步進(jìn)制自動(dòng)電話接線器”的專利權(quán)，并于1892年正式投入使用，這也標(biāo)志著電話交換技術(shù)從人工時(shí)代邁入機(jī)電制的自動(dòng)交換時(shí)代。
史端喬發(fā)明這種交換機(jī)設(shè)備之所以叫做“步進(jìn)制”，是因?yàn)樗揽坑脩粼挋C(jī)的撥號(hào)脈沖來(lái)直接控制機(jī)械繼電器的吸合，令接線器接線端升降及旋轉(zhuǎn)，從而自動(dòng)完成用戶間的接續(xù)。例如，用戶撥號(hào)“1”，發(fā)出一個(gè)脈沖（所謂“脈沖”，就是一個(gè)很短時(shí)間的電流），這個(gè)脈沖使接線器中的電磁鐵吸動(dòng)一次，接線器就向前動(dòng)作一步。用戶撥號(hào)碼“2”，就發(fā)出兩個(gè)脈沖，使電磁鐵吸動(dòng)兩次，接線器就向前動(dòng)作兩步，以此類推。步進(jìn)制電話交換機(jī)是最早使用機(jī)械代替人工操作的交換技術(shù)。
1914年，美國(guó)制成了運(yùn)用記發(fā)器技術(shù)的旋轉(zhuǎn)制自動(dòng)交換機(jī)。不論是步進(jìn)制還是旋轉(zhuǎn)制，接線器均需要進(jìn)行上升和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，噪聲大，易于磨損，維護(hù)工作量大。
1919年，瑞典工程師貝塔蘭德和帕爾姆格倫共同發(fā)明了一種“縱橫接線器”的新型選擇器，并為之申請(qǐng)了專利。1926年，在“縱橫連接器”的基礎(chǔ)上，世界上第一個(gè)大型縱橫制自動(dòng)電話交換機(jī)在瑞典松茲瓦爾市投入使用?？v橫接線器由一些縱棒、橫棒和電磁裝置構(gòu)成，控制通過電磁裝置的電流可吸動(dòng)相關(guān)的縱棒和橫棒動(dòng)作，使得縱棒和橫棒在某個(gè)交叉點(diǎn)接觸，從而實(shí)現(xiàn)接線的工作。
“步進(jìn)制”“旋轉(zhuǎn)制”和“縱橫制”同屬于“機(jī)電制自動(dòng)電話交換機(jī)”，相對(duì)于前兩者，后者有了重要改進(jìn)：它利用繼電器控制的壓接觸接線陣列代替大幅度動(dòng)作的步進(jìn)接線器，減少了磨損和雜音，提高了可靠性和接續(xù)速度；而它由直接控制過渡到間接控制方式，讓用戶的撥號(hào)脈沖不再直接控制接線器動(dòng)作，而是先由記發(fā)器接收、存儲(chǔ)，然后通過標(biāo)志器驅(qū)動(dòng)接線器，來(lái)完成用戶間接續(xù)，提高了靈活性和控制效率，加快了通信速度。
我國(guó)從20世紀(jì)50年代中期開始研制縱橫制電話交換機(jī)。1959年8月，由上海電信研究所、上海自動(dòng)電話廠和上海市市內(nèi)電話局聯(lián)合成功研制了縱橫制電話交換機(jī)。這是我國(guó)首部縱橫制局用自動(dòng)電話交換機(jī)，填補(bǔ)了我國(guó)縱橫制交換機(jī)生產(chǎn)上的空白。同年12月16日，我國(guó)自行研制的第一套1000門縱橫制自動(dòng)電話交換機(jī)在上海吳淞局開通使用。
電子交換
20世紀(jì)40年代后，隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)的發(fā)展，電話交換機(jī)開始了由機(jī)電交換階段逐步向電子控制階段轉(zhuǎn)換的過程。美國(guó)貝爾公司于1965年5月研制的1號(hào)電子交換機(jī)首次采用存儲(chǔ)程序控制的電子電話交換系統(tǒng)，這一成果標(biāo)志著電話交換技術(shù)從機(jī)電時(shí)代躍入電子時(shí)代，使交換技術(shù)發(fā)生時(shí)代變革。
就控制方式而論，電子交換機(jī)主要分兩類。一類為由布線邏輯控制的電子交換機(jī)，它用電子元器件代替原來(lái)的半導(dǎo)體器件，基本上繼承與保留了縱橫制交換機(jī)的機(jī)械布控方式，其弊端是體積大、業(yè)務(wù)與維護(hù)功能低、缺乏靈活性，因此它只是機(jī)電式向電子式演變歷程中的過渡性產(chǎn)物，通常被稱為“準(zhǔn)電子”或“半電子”。第二類則是存儲(chǔ)程序控制的電子交換機(jī)。這種交換機(jī)屬于全電子型，它將用戶的信息和交換機(jī)的控制以及維護(hù)管理功能預(yù)先編好程序存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，被稱為存儲(chǔ)程序控制交換機(jī)，或簡(jiǎn)稱為程控交換機(jī)。
程控交換機(jī)是由電子計(jì)算機(jī)控制的電話交換機(jī)。它利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，用預(yù)先編好的程序來(lái)控制電話的接續(xù)工作。按接續(xù)方式又分為空分和時(shí)分交換機(jī)?？辗纸粨Q是指通話雙方的線路接通后直到通話完成為止，線路始終處于物理接通狀態(tài)，通話完成后還要在物理上拆除連接，恢復(fù)原始狀態(tài)，空分交換機(jī)在話路部分中傳送和交換的為模擬語(yǔ)音信號(hào)，因而又稱為程控模擬交換機(jī)。時(shí)分交換則在話路部分中傳送和交換的為數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，因而使用時(shí)分交換的交換機(jī)又被稱為程控?cái)?shù)字交換機(jī)。
1970年，法國(guó)拉尼翁開通了第一臺(tái)真正意義上的程控?cái)?shù)字電話交換機(jī)E-10。其控制部分直接由計(jì)算機(jī)完成，而接續(xù)部分則完全實(shí)現(xiàn)了PCM數(shù)字語(yǔ)音編碼信號(hào)的時(shí)分交換，標(biāo)志著交換技術(shù)從傳統(tǒng)的模擬交換進(jìn)入數(shù)字交換時(shí)代。隨后世界各國(guó)開始大力研發(fā)，直到80年代，程控?cái)?shù)字電話交換機(jī)開始在世界上普及。
1982年，我國(guó)福建福州引進(jìn)并開通了日本富士通的F-150萬(wàn)門程控電話交換機(jī)。很快，程控電話如星火燎原般出現(xiàn)在中國(guó)其他城市，一舉改變了當(dāng)時(shí)中國(guó)城市電話通信落后的現(xiàn)狀，開創(chuàng)了我國(guó)通信發(fā)展的新紀(jì)元。
20世紀(jì)90年代后，我國(guó)逐漸出現(xiàn)了一批自行研制的、大中型容量的、具有國(guó)際先進(jìn)水平的數(shù)字程控局用交換機(jī)，以“巨大中華”為代表，典型的如華為的C＆C08系列、大唐的SP30系列、中興的ZXJ系列、巨龍的HJD04等，這些交換機(jī)的出現(xiàn)，表明在窄帶交換機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)的研發(fā)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界水平。與此同時(shí)，伴隨計(jì)算機(jī)的普及，互聯(lián)網(wǎng)逐漸興起并迅速發(fā)展擴(kuò)大。
程控?cái)?shù)字交換與數(shù)字傳輸相結(jié)合，構(gòu)成了綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN），它通過普通的銅纜，以更高的速率和質(zhì)量傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)交換機(jī)提供的基本語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)，還能實(shí)現(xiàn)傳真、數(shù)據(jù)、圖像信息等交換。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電話交換技術(shù)由從空分變成了時(shí)分，再到頻分（波分），通信介質(zhì)也由電纜轉(zhuǎn)換為光纜。
NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）
隨著交換技術(shù)的發(fā)展及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，電信網(wǎng)和電話交換機(jī)不再僅提供基本的語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)，而是出現(xiàn)多種多樣的電信新業(yè)務(wù)，需要服務(wù)更多的數(shù)據(jù)傳送。于是，進(jìn)入21世紀(jì)后，傳統(tǒng)電話交換機(jī)開始逐漸淘汰。2017年12月21日，中國(guó)電信最后一臺(tái)程控交換機(jī)在上海退網(wǎng)，標(biāo)志著程控交換退出歷史舞臺(tái)，并以全光網(wǎng)絡(luò)、全I(xiàn)P 組網(wǎng)開啟高速新時(shí)代。
NGN，即Next Generation Network（下一代網(wǎng)絡(luò)），最顯著的交換特點(diǎn)就是軟交換技術(shù)，相對(duì)于硬交換，其交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)開始從封閉的集成化架構(gòu)向開放的分布式結(jié)構(gòu)發(fā)展，軟交換技術(shù)將呼叫控制、媒體傳輸、業(yè)務(wù)邏輯相分離，各實(shí)體之間通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行連接和通信。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，它將不同的功能實(shí)體拆分開各司其職，靈活調(diào)度，有利于功能和容量擴(kuò)展。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，軟交換技術(shù)是程控交換機(jī)技術(shù)發(fā)展的又一里程碑。如今，以語(yǔ)音為主的交換機(jī)，逐漸退居二線，而以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的分組交換機(jī)，慢慢占據(jù)主導(dǎo)地位。
IMS(IP Multimedia Subsystem)即IP多媒體系統(tǒng)也是一種全新的多媒體業(yè)務(wù)形式，它能夠滿足終端客戶更新穎、更多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求，是解決移動(dòng)與固網(wǎng)融合，引入語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻三重融合等差異化業(yè)務(wù)的重要方式。
2011年7月，中國(guó)電信通過部署IMS系統(tǒng)為包括上海、山東、江蘇、浙江、新疆和四川等六省份用戶提供多媒體服務(wù)，將語(yǔ)音、視頻和其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等不同類型媒體整合到IP平臺(tái)上，邁出了網(wǎng)絡(luò)IP化轉(zhuǎn)型的堅(jiān)實(shí)一步。
回顧通信的發(fā)展，每一次飛速進(jìn)步都與信息技術(shù)的升級(jí)密切相關(guān)。從聽得見到聽得好，電話交換技術(shù)歷經(jīng)百年滄桑，不斷更新?lián)Q代，為人們帶來(lái)了更加高效、穩(wěn)定、安全和豐富的信息服務(wù)體驗(yàn)。展望未來(lái)，期待交換技術(shù)出現(xiàn)更加顛覆性的突破，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)更多便利與機(jī)遇。
參考資料：
1、中國(guó)電信：《中國(guó)電話交換機(jī)大事簡(jiǎn)記》，作者：程京生；
2、人民郵電報(bào)：《交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程》；
3、鮮棗課堂：《通信交換的百年滄桑：更新與迭代，從聽的到到聽的好》；
4、中國(guó)科普博覽：《數(shù)字交換點(diǎn)滴》《時(shí)分多路通信》《程控交換技術(shù)》。
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