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電話交換機、電話スイッチ、または中央局は、公衆交換電話網（PSTN）または大企業における電気通信システムの中心的な構成要素です。通信回線の確立を容易にし、加入者間の電話通話を可能にします。「中央局」という用語は、光ファイバーインターネットプロバイダーの光ファイバー機器の中央拠点を指す場合もあります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
歴史的に見ると、電気通信用語は時代とともに進化してきました。電話交換機という用語は、ベルシステムの用語である中央局と同義語としてよく使われます。中央局は、1 つ以上の中央局プレフィックスの接続を制御する電話交換機として定義されます。しかし、複数の電話交換エリアの内部設備を収容するために使用される建物を指すこともよくあります。北米では、電話にダイヤルトーンを提供する施設を示す中央局の場所を示すために、ワイヤセンターという用語が使用されることがあります。[ 4 ]電気通信事業者は、ビジネスおよび請求目的で料金センターも定義しており、大都市では、距離測定計算の地理的位置を指定するために、中央局のクラスターが含まれる場合があります。
1940年代、米国とカナダのベルシステムは、中央局を固有の3桁のコードと3桁の番号計画エリアコード（NPAコードまたはエリアコード）で識別する全国的な番号システムを導入し、各番号計画エリア内で中央局コードが区別されるようにしました。これらのコードは、加入者の電話番号の接頭辞として使用されました。20世紀半ばには、国際電話回線や大洋横断電話回線、そして顧客による直接ダイヤルの登場により、世界中の電話ネットワークで同様の組織化の取り組みが進められました。
企業や事業所向けの用途では、構内交換機は構内交換機（PBX）と呼ばれ、公衆交換電話網に接続されます。PBXは、組織の電話回線や専用線回線を担い、通常は大規模なオフィススペースや組織のキャンパスに設置されます。小規模な組織では、受付担当者が管理するPBXまたはキー電話システムを使用し、企業の通信ニーズに対応します。
電信の時代には、主な利用者は郵便局、鉄道駅、より重要な政府機関（省庁）、証券取引所、ごく少数の全国的に配布されている新聞、国際的に重要な大企業、そして富裕層であった。[ 5 ] 電話交換機の発明以前にも電話機は存在していたが、現代の電信と同じ方式や構造では、その成功と経済的な運用は不可能であっただろう。電話交換機のスイッチボードが開発される以前は、初期の電話機はインターホンとして機能していた。各電話機は、自宅と職場を繋ぐなど、他の1台の電話機とのみ接続するように配線されていた。[ 6 ]
電話交換機とは、狭い地域における電話システムであり、加入者回線間の通話のための交換（相互接続）機能を提供するものです。交換機によって、任意の加入者間で必要に応じて臨時の回線を即座に構築することが可能になり、これは現在、回線交換と呼ばれています。これにより、電話は日常生活で実用的な技術となり、電気通信という新たな産業分野の創出の原動力となりました。
電話機の発明と同様に、「最初の電話交換機」の栄誉には複数の主張者がいる。電話交換機を最初に提案した人物の一人は、トーマス・エジソンの下で働いていたハンガリー人のティヴァダル・プスカシュで、1877年のことである。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]最初の実験的な電話交換機はプスカシュのアイデアに基づいており、1877年にベル電話会社によってボストンに建設された。 [ 12 ]世界初の国営電話交換機は、1877年11月12日にベルリン近郊のフリードリヒスベルクでハインリヒ・フォン・シュテファンの指揮の下で開設された。[ 13 ]ジョージ・W・コイは、1878年1月にコネチカット州ニューヘイブンに開設された米国初の商用電話交換機を設計・建設し、最初の電話ボックスは近くのブリッジポートに建設された。[ 14 ]交換台は「馬車のボルト、ティーポットの蓋の取っ手、バッスルワイヤー」で作られており、2つの同時会話を処理することができた。[ 15 ]チャールズ・グリデンは、1878年にマサチューセッツ州ローウェルに50人の加入者を持つ交換局を設立したことでも知られている。
ヨーロッパでは、初期の電話交換局はロンドンとマンチェスターにあり、どちらも1879年にベルの特許に基づいて開設された。 [ 16 ]ベルギーではその1年後に最初の国際ベル交換局（アントワープ）が開設された。
後期の交換機は、交換手が配置された1 台から数百台のプラグボードで構成されていた。各交換手は、加入者の電話回線のローカル終端となる1/4 インチのチップ・リング・スリーブ(3 芯) ジャックが並んだ垂直パネルの前に座った。ジャックパネルの前には、パッチコードが 2 列並んだ水平パネルがあり、各ペアはコード回路に接続されていた。発信者が受話器を取ると、ローカルループ電流によってジャック付近の信号ランプが点灯した。[ 18 ]交換手は、背面のコード (応答コード) を加入者のジャックに挿入し、ヘッドセットを回路に切り替えて「番号をお願いします」と尋ねた。市内通話の場合は、交換手はペアの前面のコード (呼び出しコード) を着信者のローカルジャックに挿入し、呼び出しサイクルを開始した。長距離通話の場合は、交換手はトランク回路に接続して、別の交換機群または遠隔地の交換局の別の交換手と接続した。 1918年当時、長距離電話の接続完了までの平均時間は15分だった。[ 18 ]
初期の手動交換機では、オペレーターがリスニングキーとリンギングキーを操作する必要がありましたが、1910年代後半から1920年代にかけて交換機技術が進歩し、オペレーターが応答コードを挿入するとすぐに自動的に通話に応答し、オペレーターが呼び出しコードを相手のジャックに挿入するとすぐに自動的に呼び出し音が始まる機能が実現しました。オペレーターは回線から切断され、別の通話を処理できるようになり、発信者は可聴の呼び出し音を聞くことができるため、オペレーターは定期的に回線を呼び出し続けていることを報告する必要がなくなりました。[ 19 ]
リングダウン方式では、発信オペレーターが別の中間オペレーターに電話をかけ、その中間オペレーターが着信した加入者に電話をかけるか、別の中間オペレーターに転送した。[ 20 ]この中間オペレーターの連鎖は、すべてのセンター間で中間幹線が同時に利用可能な場合にのみ通話を完了できた。1943年、軍事通話が優先されていた時代には、長距離通話に手動交換機を使用していた都市では、米国内を横断する通話のリクエストとスケジュールに2時間もかかることがあった。
1891年3月10日、ミズーリ州カンザスシティの葬儀屋、アルモン・ブラウン・ストロージャーは、電話回線の交換を自動化する装置であるステップスイッチの特許を取得しました。この最初の特許には多くの拡張や改良がありましたが、最もよく知られているものは、半円状に配置された10個の接点を持つ10のレベルまたはバンクで構成されています。回転式電話ダイヤルで使用すると、各数字のペアによって、ステップスイッチの中央接点「ハンド」のシャフトが、最初の数字の各パルスごとに1レベルずつステップ（ラチェット）上昇し、次に次の数字の各パルスごとに接点列内で水平方向に1回転します。
後にステップスイッチはバンク状に配置され、その第一段階はラインファインダーであった。最大100回線（後のラインファインダーでは200回線）の加入者回線のうち1回線で受話器が「オフフック」状態になると、ラインファインダーは加入者回線を空いている第一セレクタに接続し、ダイヤルトーンを発信してダイヤル番号の受信準備が整ったことを加入者に知らせた。加入者ダイヤルは毎秒約10パルスの速度でパルスを発したが、その速度は各電話会社の規格によって異なった。
ストロージャー式スイッチに基づく交換機は、やがて他の交換機タイプ、そして後にクロスバー技術によって取って代わられることになった。これらの交換機設計は、より高速なスイッチングを実現し、ストロージャー式の一般的な10ppsよりも速い、通常約20ppsのスイッチ間パルスを受け入れることができた。さらに後年には、DTMF「タッチトーン」やその他のトーン信号方式にも対応するようになった。
（パルスからDTMFへの）過渡的な技術では、DTMFをパルスに変換するコンバーターが使用され、旧式のストロージャー式、パネル式、またはクロスバー式のスイッチに信号が供給された。この技術は2002年半ばまで使用されていた。
電気通信技術で使用される多くの用語は、英語圏の地域によって意味や用法が異なります。この記事では、以下の定義を用います。
中央局は元々、都市にある主要な交換局であり、他の交換局がその地域の各部分をサービスしていました。この用語は、設備やオペレーターを含むあらゆる交換システムを意味するようになりました。また、交換機や関連する屋内設備を収容する建物を指す場合にも一般的に使用されます。米国の電気通信用語では、中央局（CO）は、トランクとローカルループが終端および交換される共通キャリア交換センターのクラス 5 電話交換機です。 [ 21 ] 英国では、電話交換機は交換ビルを意味し、電話交換機の名称でもあります。
手動サービスの場合、顧客は受話器を上げて、オペレーターに希望の番号への接続を依頼します。その番号が同じ中央局にあり、オペレーターの交換台に接続されている場合、オペレーターは呼び出しコードを相手の顧客の回線に対応するジャックに差し込んで接続します。呼び出し先の回線が同じ局内の別の交換台、または別の中央局にある場合は、オペレーターは宛先の交換台または局のトランクに接続し、応答したオペレーター（「B」オペレーターと呼ばれる）に接続を依頼します。
ほとんどの都市部の交換局は共通バッテリー方式を採用しており、これは中央局が送信機の動作とロータリーダイヤルによる自動信号のために加入者の電話回線に電力を供給していたことを意味します。共通バッテリー方式では、加入者の電話機から交換局までの一対の電線には、電話会社側から導体全体に48V（公称）の直流電圧が流れます。電話機は、受話器が置かれた状態または待機状態のときに開放回路となります。[ 22 ]
加入者の電話機がオフフック状態になると、回線に電気抵抗が生じ、電話機と配線を通って中央局に電流が流れます。手動操作の交換機では、この電流がリレーコイルを流れ、オペレーターの交換機のブザーやランプを作動させ、オペレーターにサービスを行うよう合図します。[ 22 ]
大都市では、すべてのオフィスをパネルスイッチなどの自動機器に切り替えるのに何年もかかりました。この移行期間中、番号が 2L-4Nまたは2L-5N形式（2文字の交換局名と4桁または5桁の数字）に標準化されると、手動交換機の番号にダイヤルして、オペレーターの助けを借りずに接続することが可能になりました。ベルシステムの方針では、大都市の顧客は、手動交換機に電話をかけているか自動交換機に電話をかけているかといったオフィスの種類を気にする必要はないとされていました。
加入者が手動交換機の番号にダイヤルすると、宛先局のオペレーターは表示器に表示された番号を確認してから電話に応答し、発信回線にコードを差し込んで宛先局を呼び出し、通話を接続しました。例えば、テイラー4725からダイヤル発信する顧客が、手動交換機が対応する番号（例：アダムス1383-W）にダイヤルした場合、加入者の視点からは、自動交換機でレノックス5813に電話をかけた場合とまったく同じように通話が完了しました。パーティラインの文字W、R、J、Mは、ジャック1つにつき1回線のパーティラインを備えた手動交換機でのみ使用されました。
自動化されたオフィスでは、2文字目が大文字の「MAin 1234」のような表記形式が用いられるのに対し、手動オフィスでは、「Hillside 834」や「East 23」のように、2文字目が小文字で表記される形式が用いられ、これとは対照的に識別できた。
農村地域や小さな町では、手動サービスが採用されており、信号はマグネト電話機で行われていました。マグネト電話機には信号発生器用のクランクが付いていました。オペレーターや同じ回線の別の加入者に知らせるには、加入者がクランクを回して呼び出し電流を発生させました。交換台は回路を遮断することで応答し、加入者の回線ジャックの上にある金属タブが落下してブザーが鳴りました。通常、加入者の電話機には大型の乾電池（No.6）が2個入っており、これが送信機への直流電流を供給していました。このようなマグネトシステムは、メイン州ウッドストックのブライアントポンドという小さな町のように、1983年まで米国で使用されていました。
多くの小さな町のマグネト式電話システムでは、2人から10人以上の加入者が1本の回線を共有するパーティラインが採用されていた。パーティに電話をかける際、オペレーターはコードリンギングと呼ばれる独特の呼び出し音シーケンスを使用した。例えば、長い呼び出し音が2回鳴った後に短い呼び出し音が1回鳴るといった具合だ。回線上の全員がこの信号音を聞き取ることができ、他の人の会話を傍受することも可能だった。
ダイヤル式電話交換機は、 1888年にアルモン・ストローガーによって発明されました。1892年に初めて商用利用されましたが、広く普及したのは20世紀初頭になってからのことでした。自動交換機は、電話の通話に必要な接続を行う人間の交換手の必要性をなくしました。自動化によって人間の交換手は電気機械式システムに置き換えられ、電話機には発信者が自動交換システムに宛先の電話番号を送信するためのダイヤルが備えられました。
電話交換機は、ユーザーが受話器をフックまたはクレードルから外すと、受話器がオフフック状態であることを自動的に検知します。交換機はその時点でダイヤルトーンを発し、ダイヤルされた数字を受信する準備ができたことをユーザーに知らせます。電話機から生成されたパルスまたはDTMFトーンが処理され、同じ交換機内の宛先電話機、または別の遠隔交換機との接続が確立されます。
交換機は、どちらかの当事者が電話を切るまで接続を維持します。この接続状態の監視は、監視と呼ばれます。課金機器などの追加機能も交換機に組み込むことができます。
ベルシステムのダイヤルサービスでは、自動番号識別（ANI）と呼ばれる機能が実装され、自動課金、フリーダイヤル（800番）、911緊急通報サービスなどのサービスが実現しました。手動サービスでは、オペレーターは交換機のジャックフィールドにあるランプで発信元を把握していました。ANIが導入される以前は、長距離通話はオペレーターの待機列に入れられ、オペレーターは発信者の番号を尋ねて紙の通話券に記録していました。
初期の交換機は、モーター、シャフトドライブ、回転スイッチ、リレーを使用した電気機械式システムでした。自動交換機の種類としては、ストロージャースイッチ（ステップバイステップスイッチ）、オールリレー、パネルスイッチ、ロータリーシステム、クロスバースイッチなどがありました。
スイッチ同士を接続する回路はトランクと呼ばれます。信号システム7が登場する以前、米国のベルシステムの電気機械式スイッチは、当初、さまざまな直流電圧と信号音を用いてトランクを介して相互に通信していました。今日では、これらの単純なデジタル信号は、より現代的な符号化されたデジタル信号（通常はバイナリコードを使用）に置き換えられています。
ダイヤルされた数字を伝達する信号方式もいくつか存在した。初期の方式であるパネルコールインジケータパルスは、4進パルスを用いてパネルスイッチと手動交換機間の通話を確立していた。電気機械式スイッチ間でダイヤルされた数字を伝達する最も一般的な方式は、ダイヤルパルスを送信することであった。これはロータリーダイヤルのパルスに相当するが、スイッチ間の幹線回線を通して送信される。
ベルシステムのトランク回線では、クロスバースイッチとクロスバータンデム間で毎秒20パルスを使用するのが一般的でした。これは、ウェスタン・エレクトリック／ベルシステムの電話ダイヤルの速度の2倍でした。パルス速度を速くすることで、スイッチが数字の受信に費やす時間が半分になるため、トランク回線の利用効率が向上しました。DTMFはトランク回線の信号伝送には使用されませんでした。
多周波（MF）方式は、コンピュータ化以前の方式の中で最後に残ったものでした。DTMFと同様に、異なるトーンをペアで送信する方式でした。ダイヤル操作の前には特別なキーパルス（KP）信号が、ダイヤル操作の後にはスタート（ST）信号が送られました。ベルシステムのMFトーン方式のバリエーションは、CCITTの標準となりました。同様の方式は、アメリカ大陸やスペインを含む一部のヨーロッパ諸国でも使用されていました。スイッチ間の数字列は、利用効率をさらに向上させるために、しばしば省略されていました。
例えば、ある交換機は電話番号の下4桁または5桁だけを送信することがあった。あるケースでは、7桁の番号の前に1または2の数字を付けて、2つの市外局番またはオフィスコードを区別していた（1回の通話につき2桁の節約）。これにより、トランクあたりの収益が向上し、交換機に必要な桁受信機の数も減少した。電気機械式交換機のすべてのタスクは、大きな金属製のハードウェアで行われていた。通話設定時間をわずか1秒短縮するだけで、通話トラフィックを処理する機器ラックの数を減らすことができた。
監視や通話の進行状況を伝える信号の例としては、E&M信号、SF信号、およびビット盗聴信号などがあります。物理的な（搬送波ではない）E&Mトランク回線では、トランクは4線式でした。たとえば、50のトランクでは、スイッチ間に100対のケーブルが必要になります。一般的な回路構成では、導体はチップ、リング、耳（E）、口（M）と名付けられていました。チップとリングは音声伝送ペアであり、手動オペレーターコンソールの3芯コードのチップとリングにちなんで名付けられました。
E信号とM信号を用いた双方向トランクでは、両方のスイッチが同じトランクで同時に発信して衝突するのを防ぐために、ハンドシェイクが行われました。これらのリード線の状態を接地から-48ボルトに変更することで、スイッチはハンドシェイクプロトコルを実行しました。DC電圧の変化を利用して、ローカルスイッチは発信準備の信号を送信し、リモートスイッチは確認応答（ウィンク）でダイヤルパルスを続行するように応答しました。これはリレーロジックとディスクリート電子回路によって実現されました。
幹線回路の電圧変化によって、電気的なハンドシェイクがプロトコルに従って進行する際に、加入者には聞こえるポップ音やクリック音が発生する。課金のためのタイミングを開始するための別のハンドシェイクでは、着信側が応答した際に、2回目のガチャンという音が鳴る。
監視のための2番目に一般的な信号方式は、単一周波数（SF）信号方式と呼ばれていました。最も一般的な方式では、2,600 Hzの一定のトーンを使用して、トランクがアイドル状態であることを確認しました。トランク回路は、 一定時間2,600 Hzのトーンを聞くとアイドル状態になります。（この時間要件により、誤検出が 減少しました。）一部のシステムでは、特にSSB周波数分割多重マイクロ波無線中継において、 3,000 Hzを超えるトーン周波数が使用されました。
Tキャリアバイナリデジタル伝送システムでは、T-1データストリーム内のビットが監視信号の伝送に使用されました。綿密な設計により、これらのビットは音声品質を著しく低下させることはありませんでした。盗まれたビットは、チャネルバンクハードウェア内の電子回路によって接点状態（開閉）の変化に変換されました。これにより、直流E信号とM信号、すなわちダイヤルパルスを、直流連続性を持たない純粋なデジタルキャリアを介して電気機械式スイッチ間で送信することが可能になりました。
ベルシステム設備には通常、スイッチの故障を知らせる警報ベル、ゴング、またはチャイムが備えられていました。スイッチの共通制御要素には、故障報告カードシステムが接続されていました。この故障報告システムは、故障の種類を記録するコードが印刷された厚紙カードに穴を開ける仕組みになっていました。
電気機械式交換システムでは、直流（DC）電源と交流（AC）電源が必要であり、これらは現場で機械式発電機によって生成されていた。さらに、電話交換機では多くの機械部品の調整が必要だった。現代の交換機とは異なり、電気機械式交換機を介してダイヤルされた通話を接続する回路は、金属導体を介して地域交換エリア内で直流の連続性を持っていた。
すべてのシステムの設計および保守手順には、加入者がサービス品質の不当な変化を経験したり、障害に気づいたりすることを回避する方法が盛り込まれていました。故障時および修理中は、メイクビジーと呼ばれるさまざまなツールが電気機械式スイッチ要素に接続されました。メイクビジーは、作業中の部品が使用中であることを識別し、スイッチングロジックがその部品を迂回するようにします。同様のツールはTDツールと呼ばれていました。料金滞納のある加入者は、一時的にサービスが拒否されました（TD）。これは、クロスバーシステムまたはステップバイステップスイッチのライングループで、加入者のオフィス機器にツールを接続することによって実行されました。加入者は着信はできますが、発信はできません。
ベルシステムで使用されていたストロージャー式電話機を用いたステップバイステップ方式の電話局は、清掃などの継続的なメンテナンスが必要でした。機器ベイのインジケーターランプは、ヒューズ切れ（通常は白色ランプ）や常時点灯（受話器が外れたままの状態、通常は緑色のインジケーター）などの状態を職員に知らせていました。ステップ式電話局は、新しい技術に比べて単一障害点による故障が発生しやすいという欠点がありました。
クロスバー式交換機では、共有の制御回路がより多く使用されていました。例えば、発信レジスタと呼ばれる要素の一部である数字受信機は、加入者がダイヤルした数字を収集するのに十分な時間だけ通話に接続されていました。クロスバー式交換機のアーキテクチャは、ステップ式交換機よりも柔軟性がありました。後のクロスバー式システムでは、パンチカード方式の障害報告システムが採用されました。1970年代までには、ベルシステムのほぼすべてのステップ式およびクロスバー式交換機に、自動番号識別機能が後付けされました。
電子交換システムは、プログラム制御を内蔵した電気機械式ハイブリッドシステムから、完全デジタルシステムへと段階的に進化してきた。初期のシステムでは、リードスイッチを用いた金属経路をデジタル制御で切り替えていた。機器のテスト、電話番号の再割り当て、回路のロックアウトなどの作業は、端末へのデータ入力によって行われていた。
これらのシステムの例としては、 Western Electric 1ESS スイッチ、Northern Telecom SP1、Ericsson AXE、Automatic Electric EAX-1 および EAX-2、Philips PRX /A、ITT Metaconta、British GPO/BT TXEシリーズなどがあり、他にも同様の設計がいくつかありました。Ericsson は、ARF クロスバー交換機の完全コンピュータ化バージョンである ARE も開発しました。これらは、完全コンピュータ化された制御システムを備えたクロスバー スイッチング マトリックスを使用し、幅広い高度なサービスを提供しました。ローカル バージョンは ARE11 と呼ばれ、タンデム バージョンは ARE13 として知られていました。これらは、1970 年代後半から 1980 年代にかけて、スカンジナビア、オーストラリア、アイルランド、その他多くの国で使用され、その後デジタル技術に置き換えられました。
これらのシステムは、電気機械式クロスバースイッチやステップバイステップスイッチから受け継いだ従来の信号方式を使用することができました。また、新しいデータ通信方式も導入しました。2つの1ESS交換機は、共通チャネル局間信号方式（CCIS）と呼ばれるデータリンクを使用して相互に通信することができました。このデータリンクは、 SS7の前身であるCCITT 6に基づいていました。ヨーロッパのシステムでは、通常R2信号方式が使用されていました。
デジタル交換と伝送の最初の概念は、1930年代から米国とヨーロッパのさまざまな研究所で開発されました。最初のプロトタイプのデジタル交換機は、ESSEXプロジェクトの一環としてベル研究所によって開発され、デジタル伝送システムと組み合わせた最初の真のデジタル交換機は、パリのLCT（Laboratoire Central de Telecommunications）によって設計されました。イギリスの公共ネットワークに設置された最初のデジタル交換機は、郵便総局の研究室によって設計されたロンドンのエンプレス交換機でした。これは、3つのストロージャー交換機を接続するタンデム交換機でした。完全デジタルのローカル交換システムの最初の商用展開は、 1972年にフランス北西部のブルターニュ地方の顧客へのサービスを開始したアルカテルのE10システムでした。
デジタルスイッチの代表的な例としては、以下のようなものがある。
電話がアナログ固定電話が主流だった時代、デジタル変換は上流の交換機で行われていました。デジタル交換機は、送信側の電話機の受話器に内蔵されたマイクで録音された加入者の音声を、1秒間に8,000タイムスライス（つまり、サンプリングレート8kHz）でエンコードします。各タイムスライスにおいて、アナログ電気信号のデジタルPCM表現が作成されます。デジタルPCM信号は回線の受信側に送られ、受信側の交換機でDAC（デジタル-アナログ変換器）を使用して逆の処理が行われます。これにより、元の信号とほぼ同じアナログ電気信号が生成され、受信側の電話機の受話器のスピーカーを駆動します。言い換えれば、誰かが電話を使うたびに、話者の声の音波がPCMにエンコードされて交換され、その後、その音波がすぐに再構築されて相手側で再生されます。話者の声は、この処理でほんのわずかな時間だけ遅延します。つまり 、「生」ではなく、再構築された音声が 、ほんのわずかだけ遅延されるのです。デジタル電話の普及により、こうした変換はすべて電話機自体で行われるようになり、途中のデジタルスイッチはデータパケットのルーティングのみを行うようになった。
個々のローカルループ電話回線は、遠隔集中装置に接続されます。多くの場合、集中装置は交換機と同じ建物内に設置されています。遠隔集中装置と電話交換機間のインターフェースは、ETSIによってV5プロトコルとして標準化されています。集中装置が使用されるのは、ほとんどの電話機が1日の大半をアイドル状態で過ごしているため、数百台、数千台もの電話機からのトラフィックを、わずか数十台、数百台の共有接続に集中させることができるからです。
電話交換機の中には、コンセントレータが直接接続されていないものもあり、それらは他の電話交換機間の通話接続に使用されます。このような複雑な機器は、「キャリアレベル」交換機またはタンデム交換機と呼ばれます。
小さな町の電話交換局の中には、遠隔交換機または衛星交換機のみを設置し、通常は数キロメートル離れた「親」交換機に接続しているところもある。遠隔交換機はルーティングを親交換機に依存している。デジタルループキャリアとは異なり、遠隔交換機は親交換機へのトランク回線を使用せずに、ローカル電話機間の通話を独自にルーティングできる。
電話交換機は、大規模なネットワークのごく一部に過ぎません。電話システムの費用、保守、物流面で大きな割合を占めるのは、中央局の外にある配線、つまり外部設備です。20世紀半ばには多くの加入者が共同回線を利用していましたが、各加入者電話機が交換システムから個別の回線に接続されることが目標でした。
一般的な中央局には、主配線盤（MDF）と呼ばれる端子台に数万組の電線が接続されている。MDFの構成要素の一つに保護装置があり、ヒューズなどの装置が、落雷、電力線との短絡、その他の外部電圧からスイッチを保護している。一般的な電話会社では、大規模なデータベースが各加入者ペアの情報と各ジャンパーの状態を追跡している。1980年代にベルシステムの記録がコンピュータ化される以前は、この情報は会計帳簿に鉛筆で手書きされていた。
屋外設備のコストを削減するため、一部の企業は加入者への電話サービス提供に「ペアゲイン」装置を使用しています。これらの装置は、既存の銅線設備が枯渇した地域でサービスを提供するため、あるいは近隣地域に設置することで銅線ペアの長さを短縮し、ISDN（統合サービスデジタルネットワーク）やDSL（デジタル加入者線）などのデジタルサービスを可能にするために使用されます。
ペアゲインまたはデジタルループキャリア（DLC）は、中央局の外、通常は中央局から離れた広い地域に設置されています。DLCは、ルーセント社の独自製品にちなんで、加入者ループキャリア（SLC）と呼ばれることもよくあります。
DLCは、ユニバーサル型（UDLC）または統合型（IDLC）として構成できます。ユニバーサル型DLCには、中央局端末（COT）と遠隔端末（RT）という2つの端末があり、どちらも同様の機能を持ちます。両端末はアナログ信号と接続し、デジタル信号に変換して相手側に送信し、相手側では逆の処理が行われます。
場合によっては、伝送は別の機器によって処理されます。統合型DLCでは、COTは不要になります。代わりに、RTは電話交換機内の機器にデジタル接続されます。これにより、必要な機器の総量が削減されます。
交換機は、ローカル中央局と長距離センターの両方で使用されます。公衆交換電話網（PSTN）には、大きく分けて2種類の交換機があります。1つは、通話料がかかる電話回線や交換機同士の接続を担うクラス4の電話交換機、もう1つは、加入者電話からの接続を管理するクラス5の電話交換機（加入者交換機）です。1990年代以降、両方の機能を兼ね備えたハイブリッド型のクラス4/5交換システムが普及しています。
電話網のもう一つの重要な要素は、時間とタイミングです。交換機、伝送装置、課金装置は、非常に高精度な10MHz標準器に同期され、時間イベントを極めて短い間隔で同期させます。時間標準器には、ルビジウムまたはセシウムをベースとした標準器や、 GPS受信機などが含まれます。
長距離交換機は、入力チャネルと出力チャネルの利用率がほぼ100%であるため、中央局よりも低速で効率的な交換機割り当てアルゴリズムを使用する場合があります。中央局では、チャネル容量の90%以上が未使用です。
従来の電話交換機は物理的な回線（例えば、ワイヤペア）を接続していましたが、現代の電話交換機は空間分割スイッチングと時間分割スイッチングを組み合わせて使用しています。つまり、各音声チャネルは、物理的なワイヤペア（AまたはB）上のタイムスロット（例えば1または2）で表されます。2つの音声チャネル（例えばA1とB2）を接続するために、電話交換機はA1とB2の間で情報を交換します。このとき、タイムスロットと物理的な接続の両方を切り替えます。そのため、現在の接続の電子リストを順番に表示するデジタルロジックの制御下で、タイムスロットと接続の間で毎秒8,000回のデータ交換が行われます。両方のスイッチング方式を使用することで、現代の交換機は空間分割スイッチングまたは時間分割スイッチングのいずれか一方だけを使用した場合よりもはるかに小型化されています。
スイッチの構造は、より小さく単純なサブスイッチが奇数層重なったものです。各層は、各サブスイッチから次の層のサブスイッチへと伸びる配線網によって相互接続されています。設計によっては、物理的（空間的）スイッチング層と時間スイッチング層が交互に配置されます。電話システムでは発信者も着信者も存在するため、これらの層は対称的です。また、スイッチ全体で時間スイッチングのみを使用する設計もあります。
時分割サブスイッチは、一連のタイムスロットをメモリに読み込み、その後、循環型コンピュータメモリの制御下で、異なる順序で書き出す。このため、信号に若干の遅延が生じる。
空間分割サブスイッチは電気経路を切り替えるもので、多くの場合、ノンブロッキング最小スパンスイッチの何らかの変形、またはクロスオーバースイッチを使用します。
複合スイッチは本質的に耐障害性に優れています。サブスイッチに障害が発生した場合、制御コンピュータは定期テスト中にその障害を検知できます。コンピュータは、サブスイッチへのすべての接続を「使用中」とマークします。これにより、新規の通話は遮断されますが、既存の通話は中断されません。既存の通話が終了すると、サブスイッチは使用されなくなり、修理が可能になります。次のテストが成功すると、スイッチは完全に動作状態に戻ります。
検知されない障害による不満を防ぐため、スイッチ内のレイヤー間のすべての接続は、先入れ先出し（FIFO）リスト（キュー）を使用して割り当てられます。そのため、接続に障害やノイズが発生し、顧客が電話を切ってかけ直した場合、異なる接続とサブスイッチのセットが割り当てられます。後入れ先出し（LIFO ）（スタック）方式で接続を割り当てると、非常に不満の残る障害が連続して発生する可能性があります。
中央局は、ローカル通話にとってほぼ常に単一障害点です。個々のスイッチとそれらを相互接続する光ファイバーの容量が増加するにつれて、1 つのローカル局の破壊によって引き起こされる可能性のある障害は拡大するだけです。複数の光ファイバー接続を使用して、交換センター間の音声およびデータ接続に冗長性を提供できますが、メインファイバーとそのバックアップの両方が同じ損傷した中央局を経由し、潜在的な共通モード障害となる状況を回避するために、慎重なネットワーク設計が必要です。[ 23 ]