電話交換

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) または大企業の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。

歴史的に見ると、電気通信の用語は時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に使われることが多いです。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、ワイヤセンターという用語は中央局の場所を表すために使用されることがあり、ダイヤルトーン付きの電話を提供する施設を示しています。^{[1]電気通信事業者は、ビジネスおよび課金の目的で}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を包含する場合があります。

1940 年代、米国とカナダのベル システムは、全国的な番号システムを導入しました。このシステムでは、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) で中央局を識別し、各番号計画エリア内で中央局コードを区別できるようにしました。これらのコードは、加入者の電話番号のプレフィックスとして機能しました。20 世紀半ばには、国際電話回線や大洋横断電話回線、顧客直通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行われました。

企業またはエンタープライズ アプリケーションの場合、プライベート電話交換機は構内交換機(PBX) と呼ばれ、公衆交換電話網に接続します。PBX は、通常、大規模なオフィス スペースまたは組織のキャンパスに設置され、組織の電話とプライベート専用回線回線にサービスを提供します。小規模なセットアップでは、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て、企業の通信ニーズに対応します。

電信の時代、その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、ごく少数の全国紙、国際的に重要な最大手企業、そして富裕層でした。^[2] 電話交換機が発明される前から電話機器は存在していましたが、電話交換機の発明以前は、初期の電話は他の1台の電話機とのみ有線接続され、通信していました（個人の自宅からその人の会社へなど^[3]）。

電話交換機は、地理的に狭い範囲の電話システムで、加入者回線間の通話の交換 (相互接続) を行います。電話交換機は、各加入者ステーション間の直接回線でユーザーを接続する小規模な電話システムに取って代わりました。電話交換機によって、電話は日常的に使用できる手軽で快適な技術となり、新しい産業分野の創出のきっかけとなりました。

電話自体の発明と同様に、「世界初の電話交換機」の称号を主張する者は数人いる。電話交換機の建設を最初に提案した者の一人は、トーマス・エジソンの下で働いていた1877年のハンガリー人 ティヴァダール・プスカシュである。^{[4] [5] [6] [7] [8]}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年にボストンのベル電話会社によって建設された。 ^[9]世界初の国営電話交換機は、ハインリヒ・フォン・シュテファンの指揮の下、1877年11月12日にベルリン近郊のフリードリヒスベルクに開設された。^[10]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作られた。^[11]交換機は「台車のボルト、ティーポットの蓋の取っ手、バスルワイヤー」で作られ、2つの会話を同時に処理できました。^[12]チャールズ・グリデンは、 1878年に50人の加入者を抱えるマサチューセッツ州ローウェルに交換機を設立したことでも知られています。

ヨーロッパでは、他の初期の電話交換局はロンドンとマンチェスターに拠点を置いており、どちらも1879年にベルの特許に基づいて開設されました。 ^[13]ベルギーでは1年後に 最初の国際ベル交換局が（アントワープに）開設されました。

1887年にプスカシュは多重 交換機を導入した。^[曖昧]。^[14]

その後の交換機は、交換機オペレータが配置された1 台から数百台のプラグ ボードで構成されました。各オペレータは、1/4 インチのチップ リング スリーブ(3 導体) ジャックの列を含む垂直パネルの前に座り、各ジャックは加入者の電話回線のローカル終端でした。ジャック パネルの前には、2 列のパッチ コードを含む水平パネルがあり、各ペアはコード回路に接続されていました。

発信者が受話器を上げると、ローカルループ電流によってジャック近くの信号ランプが点灯した。 ^[15]交換手は、後部コード（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接続して「番号をお願いします」と尋ねた。市内通話の場合、交換手はペアの前部コード（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、交換手はトランク回路に差し込み、別のボードバンクまたは遠隔地の中央局にいる別の交換手に接続した。1918年、長距離通話の接続が完了するまでの平均時間は15分であった。^[15]

初期の手動交換機では、交換手が受話器の受話器用キーと呼び出し音のキーを操作する必要があったが、1910年代後半から1920年代にかけて交換機の技術が進歩し、交換手が応答コードを差し込むとすぐに自動的に電話に応答し、呼び出しコードを着信側のジャックに差し込むとすぐに呼び出し音が自動的に鳴り始めるという機能が搭載された。交換手は回線から切り離されて別の電話に対応でき、発信者には呼び出し音が聞こえるため、交換手は定期的に回線を呼び出し続けていることを報告しなくても済む。^[16]

リングダウン方式では、発信側オペレータが別の中間オペレータに電話をかけ、その中間オペレータが着信側加入者に電話をかけるか、別の中間オペレータに引き継ぎます。^[17]この中間オペレータの連鎖は、すべてのセンター間で同時に中間トランク回線が利用可能である場合にのみ通話を完了できます。1943年、軍の通話が優先されていた当時、市外通話に手動交換機を使用していた都市では、米国国内への通話を要求してスケジュールを設定するのに2時間もかかることがありました。

1891 年 3 月 10 日、ミズーリ州カンザスシティの葬儀屋アモン・ブラウン・ストロウジャーが、電話回線交換の自動化につながる装置であるステッピング 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のは 10 レベルまたはバンクで構成され、各バンクには半円状に配置された 10 個の接点があります。回転式電話ダイヤルで使用すると、各桁の数字により、ステッピング スイッチの中央接点「ハンド」のシャフトが、最初の桁のパルスごとに 1 レベルずつステップ (ラチェット) し、次に次の桁のパルスごとに接点列内で 1 回転ずつ水平にスイングします。

その後のステッピング スイッチはバンク状に配置され、その最初のステージは回線検索装置でした。最大 100 回線 (後の回線検索装置では 200 回線) の加入者回線の 1 つで受話器が「オフフック」にされると、回線検索装置が加入者の回線を空いている最初のセレクタに接続し、加入者にダイヤル トーンを返してダイヤルされた数字を受信する準備ができていることを示します。加入者のダイヤルは 1 秒あたり約 10 パルスでパルスを発しましたが、速度は特定の電話管理の標準によって異なりました。

ストロージャー スイッチに基づく交換機は、最終的に他の交換機タイプ、そして後にはクロスバーテクノロジによって挑戦を受けました。これらの交換機の設計は、より高速なスイッチングを約束し、ストロージャーの標準的な 10 pps よりも高速な、通常は約 20 pps のスイッチ間パルスを受け入れました。後日、多くの交換機がDTMF「タッチ トーン」やその他のトーン信号システムも受け入れるようになりました。

過渡的な技術 (パルスから DTMF へ) には、DTMF をパルスに変換して、古い Strowger、パネル、またはクロスバー スイッチに供給するコンバータがありました。この技術は、2002 年半ばまで使用されていました。

電気通信技術で使用される多くの用語は、英語圏のさまざまな地域間で意味や使用法が異なります。この記事では、次のように定義します。

• 手動サービスとは、ダイヤルのない電話機を持つ加入者の指示に従って、人間の電話交換手が電話をルーティングする電話サービスです。
• ダイヤル サービスとは、交換機が加入者がダイヤルした数字を解釈して通話をルーティングすることです。
• 電話交換機は交換機の交換装置です。
• ワイヤセンターは、特定のスイッチまたは中央オフィスによってサービスが提供されるエリアです。
• コンセントレータは、リモートでもスイッチと同じ場所でも、トラフィックを集中させるデバイスです。
• オフフック状態は、電話通話中など、使用中の回線を表します。
• オンフック状態は、回線がアイドル状態であること、つまり電話通話が行われていないことを表します。

中央局はもともと、他の交換局がその地域の一部にサービスを提供する都市内の主要な交換局でした。この用語は、その設備とオペレータ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、一般的には、交換機と関連する内部設備を収容する建物にも使用されます。米国の電気通信業界用語では、中央局 (CO) は、トランクとローカルループが終端され、交換される共通キャリア 交換センター クラス 5 電話交換機です。 ^[18] 英国では、電話交換機は交換ビルを意味し、電話交換機の名前でもあります。

手動サービスでは、顧客は受話器を上げて、オペレータに要求された番号に通話を接続するように依頼します。その番号が同じ中央局にあり、オペレータの交換機上にある場合、オペレータは呼び出しコードを、呼び出された顧客の回線に対応するジャックに差し込むことによって通話を接続します。呼び出された側の回線が同じ局内の別の交換機にある場合、または別の中央局にある場合、オペレータは宛先の交換機または局のトランクに差し込み、応答するオペレータ (「B」オペレータと呼ばれる) に通話を接続するように依頼します。

都市部の交換機のほとんどは共通電池サービスを提供していた。つまり、電話局が加入者の電話回線に電力を供給し、送信機を作動させ、ダイヤルで自動信号を送るというものだった。共通電池システムでは、加入者の電話から交換機までの2本の電線は、導体を横切って電話会社側から48V（公称）の直流電位を運ぶ。電話機は、オンフックまたはアイドル状態のときに開回路となる。^[19]

加入者の電話がオフフックになると、回線に電気抵抗が生じ、電話機と中央局への配線に電流が流れる。手動操作の交換機では、この電流がリレーコイルを流れ、交換機のブザーやランプを作動させて、交換手にサービスを行うよう合図する。^[19]

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装置に変えるまでに何年もかかりました。この過渡期に、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、手動交換局にある番号をダイヤルして、交換手のサポートを要求せずに接続できるようになりました。ベルシステムのポリシーでは、大都市の顧客は、手動オフィスか自動オフィスかを問わず、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。

加入者が手動局の番号をダイヤルすると、宛先局のオペレータがインジケータに表示された番号を確認して応答し、発信回路にコードを差し込んで宛先局の呼び出し音を鳴らして通話を接続しました。たとえば、TAylor 4725 から電話をかけるダイヤル カスタマーが手動交換機 (ADams 1383-W など) でサービスされている番号をダイヤルした場合、加入者の観点からは、その通話は自動交換機の LEnnox 5813 への通話とまったく同じように完了しました。パーティ ライン文字 W、R、J、および M は、ジャック パー ライン 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。

自動オフィスのリスト形式MAin 1234では 2 つの大文字が使用されますが、手動オフィスのリスト形式 (Hillside 834 や East 23 など) では 2 番目の文字が大文字にならない形式で認識できます。

田舎や小さな町では手動サービスが提供され、信号は信号発生器用のクランクを備えたマグネト電話で行われていました。交換手または同じ回線上の他の加入者に知らせるために、加入者はクランクを回して呼び出し音を発生させます。交換機は回路を遮断して応答し、加入者の回線ジャックの上に金属タブを落とし、ブザーを鳴らしました。加入者の電話機には通常 2 つの大きな No. 6 電池が入っている乾電池が送信機に直流電流を供給しました。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 システムには、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 ラインが備わっていました。パーティを呼び出すとき、オペレータはコード リンギングを使用しました。これは、2 回の長い呼び出し音の後に 1 回の短い呼び出し音を鳴らすなど、特徴的な呼び出し音のシーケンスです。回線上の全員が信号を聞くことができ、他の人の会話を拾って監視することができました。

ダイヤル サービスを提供する自動交換機は、 1888 年にアルモン ストロージャーによって発明されました。1892 年に初めて商業的に使用されましたが、20 世紀の最初の 10 年間まで広く普及することはありませんでした。自動交換機により、電話の通話に必要な接続を完了する交換手が不要になりました。自動化により、交換手は電気機械システムに置き換えられ、電話機には発信者が宛先の電話番号を自動交換システムに伝えるダイヤルが装備されました。

電話交換機は、ユーザーがスイッチフックまたはクレードルから受話器を外すと、電話機のオフフック状態を自動的に感知します。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交換機が受信する準備ができていることをユーザーに知らせます。電話機によって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方の交換機への接続が確立されます。

交換機は、どちらか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。課金装置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 番号、9-1-1サービスなどのサービスが容易になりました。手動サービスでは、交換機のジャック フィールドのランプで、オペレーターは通話の発信元を判別します。ANI 以前は、長距離通話はオペレーター キューに入れられ、オペレーターは発信者の番号を尋ねて、紙の通話料金チケット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システムでした。自動交換機の種類には、ストロージャースイッチまたは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す。

スイッチを相互接続する回路はトランクと呼ばれます。信号システム 7以前は、米国のベルシステムの電気機械式スイッチは、さまざまな DC 電圧と信号音を使用し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、より現代的なコード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。

いくつかの信号方式では、ダイヤルした数字を伝達していました。パネル コール インジケーターパルシングと呼ばれる初期の形式では、 4 進パルスを使用して、パネル スイッチと手動交換機間の通話を設定していました。おそらく、電気機械式スイッチ間でダイヤルした数字を伝達する最も一般的な形式は、ダイヤル パルスを送信することでした。これは、回転ダイヤルのパルスと同等ですが、スイッチ間のトランク回線を介して送信されます。

ベルシステムのトランクでは、クロスバースイッチとクロスバータンデムの間で 1 秒あたり 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 2 倍の速度でした。より高速なパルス速度を使用すると、スイッチが数字を聴く時間が半分になるため、トランクの使用効率が向上しました。トランクの信号には DTMF は使用されませんでした。

マルチ周波数 (MF) は、コンピュータ化以前の方式の最後のものでした。この方式では、DTMF のようにペアで送信される異なるトーン セットが使用されました。ダイヤルの前には特別なキーパルス(KP) 信号が送信され、ダイヤル後には開始(ST) 信号が送信されました。ベル システム MF トーン方式のバリエーションは、CCITT標準になりました。同様の方式がアメリカ大陸やスペインを含むヨーロッパの一部の国で使用されました。スイッチ間の数字列は、使用率をさらに向上させるために、しばしば省略されました。

たとえば、1 つの交換機は電話番号の最後の 4 桁または 5 桁のみを送信する場合があります。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局番を区別していました (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が削減されました。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実行されていました。通話セットアップ時間を 1 秒でも短縮すると、通話トラフィックを処理するための機器ラックの数が少なくなります。

監視や通話の進行状況を通信する信号の例としては、E および M 信号方式、SF 信号方式、およびロブド ビット信号方式があります。物理的な (キャリアではない) E および M トランク回路では、トランクは 4 線式でした。たとえば、トランクが 50 本ある場合は、スイッチ間に 100 対のケーブルが必要になります。一般的な回路構成の導体は、チップ、リング、耳 (E)、口 (M) と名付けられました。チップとリングは音声を伝送するペアで、手動オペレータ コンソールの 3 本の導体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 および M 信号方式の双方向トランクでは、同じトランクで同時にダイヤルすることで両方のスイッチが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 電圧の変化を使用して、ローカル スイッチは通話の準備をする信号を送信し、リモート スイッチは確認応答 (ウィンク) で応答してダイヤル パルスを続行します。これは、リレー ロジックと個別の電子機器を使用して行われました。

トランク回路のこれらの電圧変化により、電気ハンドシェイクがプロトコルを順を追って進むにつれて、加入者に聞こえるポップ音やクリック音が発生します。課金の目的でタイミングを開始するための別のハンドシェイクにより、着信側が応答したときに 2 回目のカチッという音が鳴ります。

監視用の 2 番目に一般的な信号方式は、単一周波数信号方式または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 の定常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示します。2,600 Hz のトーンを一定時間受信すると、トランク回路はアイドル状態になります (持続時間要件により誤送信が減ります)。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で、3,000 Hz を超えるトーン周波数が使用されていました。

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の伝送に使用されました。慎重に設計されているため、割り当てられたビットによって音声品質が著しく変化することはありません。割り当てられたビットは、チャネル バンク ハードウェア内の電子機器によって、接点状態 (オープンとクローズ) の変化に変換されました。これにより、直流の E および M 信号、つまりダイヤル パルスを、DC 連続性のない純粋なデジタル キャリアを介して電気機械スイッチ間で送信できるようになりました。

ステップバイステップの通話

加入者は、ステップバイステップの通話で異なる音のダイヤルトーンを聞きます。

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このファイルの再生に問題がありますか?メディアヘルプを参照してください。

ベル システム設備には、通常、故障したスイッチ要素に注意を促す警報を発するベル、ゴング、またはチャイムが備え付けられていました。トラブル報告カード システムは、スイッチの共通制御要素に接続されていました。これらのトラブル報告システムは、故障の性質を記録するコードが 記された厚紙のカードに穴を開けました。

電気機械式交換システムには、直流 (DC) と交流リング電流 (AC) の形の電力源が必要で、これらは機械式発電機で現場で生成されました。さらに、電話交換機には多くの機械部品の調整が必要でした。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、金属導体を介して市内交換エリア内で DC 連続性を持っていました。

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過度の変化を経験したり、障害に気付いたりすることを回避する方法が含まれていました。故障時および修理中は、 make-busyと呼ばれるさまざまなツールが電気機械スイッチ要素に接続されました。make-busy は、作業中の部分が使用中であると識別し、スイッチング ロジックがその部分を迂回するようにルーティングします。同様のツールはTD ツールと呼ばれていました。滞納している加入者には、サービスが一時的に拒否されました (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 スイッチの回線グループ上の加入者のオフィス機器にツールを接続することで実行されました。加入者は通話を受信することはできましたが、ダイヤルアウトすることはできませんでした。

ベルシステムのストロージャーベースのステップバイステップ オフィスでは、清掃などの継続的なメンテナンスが必要でした。機器ベイの表示灯は、ヒューズ切れ (通常は白色ランプ) や永久信号(オフフック状態、通常は緑色の表示灯) などの状態をスタッフに警告しました。ステップ オフィスは、新しいテクノロジーに比べて、単一点障害の影響を受けやすかったです。

クロスバー局では、より共有された共通の制御回路が使用されました。たとえば、ディジット レシーバー (発信レジスタと呼ばれる要素の一部) は、加入者がダイヤルしたディジットを収集するのに十分な時間だけ通話に接続されます。クロスバー アーキテクチャは、ステップ局よりも柔軟性がありました。その後のクロスバー システムには、パンチ カード ベースのトラブル報告システムがありました。1970 年代までに、自動番号識別機能は、ベル システムのほぼすべてのステップバイステップ スイッチとクロスバー スイッチに後付けされました。

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から、完全にデジタル化されたシステムへと段階的に進化しました。初期のシステムでは、デジタル制御によるリード リレースイッチの金属パスが使用されていました。機器のテスト、電話番号の再割り当て、回線のロックアウトなどの作業は、端末でのデータ入力によって実行されました。

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シリーズなどが挙げられ、他にも同様の設計がいくつかありました。Ericssonは、AREと呼ばれるARFクロスバー交換機の完全コンピュータ化バージョンも開発しました。これらは、クロスバースイッチングマトリックスと完全コンピュータ化された制御システムを使用し、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と呼ばれていました。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とステップバイステップスイッチから継承された古い信号方式を使用できました。また、新しい形式のデータ通信も導入されました。2 つの 1ESS 交換機は、共通チャネル局間信号 (CCIS)と呼ばれるデータリンクを使用して相互に通信できました。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 信号が使用されていました。

デジタル交換機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。^{[引用が必要]}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で開発されましたが、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) で設計されました。^{[引用が必要]}イギリスの公共ネットワークに配置された最初のデジタル交換機は、ロンドンの Empress Exchange で、これは郵便局の研究室で設計されました。 ^{[引用が必要]これは、3 つの}Strowger交換機を接続するタンデム スイッチでした。完全にデジタル化された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で顧客にサービスを開始したAlcatelの E10 システムでした。 ^{[引用が必要]}

デジタルスイッチの代表的な例は次のとおりです。

• EricssonのAXE 電話交換機は、世界で最も広く使用されているデジタル交換プラットフォームであり、ヨーロッパ全土および世界中のほとんどの国で使用されています。モバイル アプリケーションでも非常に人気があります。この高度にモジュール化されたシステムは、1950 年代以降、多くのヨーロッパのネットワークで使用されてきた Ericssonクロスバー スイッチARF、ARM、ARK、ARE の非常に人気のある製品群の代替品として、1970 年代にスウェーデンで開発されました。
• アルカテル・ルーセントは、世界で最も象徴的な 3 つのデジタル交換システム、アルカテルE10、1000 -S12、およびウェスタン・エレクトリック 5ESSを継承しました。

アルカテルは、1960 年代後半から 1970 年代にかけてフランスで E10 システムを開発しました。この広く使用されているデジタル スイッチ ファミリは、公衆ネットワークで広く使用された最も初期の TDM スイッチの 1 つです。加入者は 1972 年にフランスで初めて E10A スイッチに接続されました。このシステムは、フランス、アイルランド、中国、その他多くの国で使用されています。このシステムは何度も改訂され、現在のバージョンはオール IP ネットワークにも統合されています。

アルカテルは、 ITT のヨーロッパ事業を買収した際にITT System 12も取得しました。S12 システムと E10 システムは、1990 年代に 1 つのプラットフォームに統合されました。S12 システムは、ドイツ、イタリア、オーストラリア、ベルギー、中国、インドなど、世界中の多くの国で使用されています。

最終的に、アルカテルとルーセントが合併した際に、同社はアメリカ合衆国および他の多くの国で使用されているルーセントの5ESSおよび4ESSシステムを取得しました。

• Nokia Siemens Networks EWSDは、もともとドイツ市場向けにSiemens、Bosch、DeTeWe  ^[de]によって開発され、世界中で使用されています。
• Nortel 、その後Genband、そして現在は Ribbon Communications DMS100などのバージョンが、世界中の通信事業者に非常に人気があります。
• GTD-5 EAXはGTE Automatic Electricによって開発され、GTD-5はLucentに買収され、Alcatel-Lucentとなり、その後Nokiaとなった。
• NEC NEAXは日本、ニュージーランド、その他多くの国で使用されています。
• マルコーニ システム X は、もともと英国郵便局 (後の BT)、GEC、Plessey、STC によって開発され、 BT グループが英国の公衆電話ネットワークで使用しているデジタル交換機の一種です。

デジタル スイッチは、1 秒あたり 8,000 タイム スライスで、音声をエンコードします (サンプリング レートは 8 kHz)。各タイム スライスで、音声のデジタルPCM表現が作成されます。デジタル PCM 信号は、回線の受信側に送信され、DAC (デジタル アナログ コンバータ) を使用して逆の処理が行われ、受信側の電話の音声が生成されます。言い換えると、誰かが電話を使用すると、話者の声はスイッチング用の PCM を使用して「エンコード」され、相手側に再構築されます。話者の声は、このプロセスで 1 秒未満のわずかな時間だけ遅延されます。これは「生」ではなく、再構築されたもので、ほんのわずかな遅延です。

個々のローカル ループ電話回線は、リモート コンセントレータに接続されます。多くの場合、コンセントレータはスイッチと同じ建物内にあります。リモート コンセントレータと電話スイッチ間のインターフェイスは、ETSIによってV5プロトコルとして標準化されています。コンセントレータが使用されるのは、ほとんどの電話が 1 日中アイドル状態であるため、数百または数千の電話からのトラフィックが、わずか数十または数百の共有接続に集中する可能性があるためです。

一部の電話交換機にはコンセントレータが直接接続されておらず、他の電話交換機間の通話を接続するために使用されます。これらの複雑な機械は、「キャリアレベル」スイッチまたはタンデムスイッチと呼ばれます。

小さな町の電話交換局ビルの中には、リモートスイッチまたは衛星スイッチのみが設置されているものもあり、通常は数キロ離れた「親」スイッチに接続されています。リモート スイッチは、ルーティングを親スイッチに依存しています。デジタル ループ キャリアとは異なり、リモート スイッチは、親スイッチへのトランクを使用せずに、市内電話間で通話をルーティングできます。

電話交換機は、大規模ネットワークの小さな構成要素です。電話システムの費用、保守、ロジスティクスの面で大きな割合を占めるのは、電話局の外の配線である屋外設備です。20 世紀半ばには多くの加入者が共同回線でサービスを受けていましたが、各加入者の電話局を交換システムからの個別の 1 組の配線に接続す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何万もの配線ペアがあります。MDF のコンポーネントの 1 つは保護です。ヒューズやその他のデバイスは、スイッチを雷、電力線とのショート、その他の異電圧から保護します。一般的な電話会社では、大規模なデータベースで各加入者ペアと各ジャンパーの状態に関する情報を追跡しています。1980 年代にベルシステムの記録がコンピュータ化される前は、この情報は会計帳簿に鉛筆で手書きされていました。

屋外設備の費用を削減するために、一部の企業は「ペア ゲイン」デバイスを使用して加入者に電話サービスを提供しています。これらのデバイスは、既存の銅線設備が枯渇した場所でサービスを提供するために使用されます。また、近隣に設置することで銅線ペアの長さを短縮し、総合デジタル サービス ネットワーク(ISDN) やデジタル加入者線(DSL) などのデジタル サービスを可能にします。

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 CO から離れた大きな地域にあります。DLC は、Lucent の独自製品にちなんで、加入者ループ キャリア(SLC)と呼ばれることがよくあります。

DLC は、ユニバーサル (UDLC) または統合 (IDLC) として構成できます。ユニバーサル DLCには、中央局端末 (COT) とリモート端末 (RT) の 2 つの端末があり、同様に機能します。両方の端末はアナログ信号とインターフェイスし、デジタル信号に変換して、逆の処理が実行される反対側に転送します。

場合によっては、トランスポートは別の機器によって処理されます。統合 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。

スイッチは、市内の中央局と長距離センターの両方で使用されています。公衆交換電話網(PSTN) には、市外局番またはスイッチ間接続用に設計されたクラス 4 電話スイッチと、加入者電話からの接続を管理するクラス 5 電話スイッチまたは加入者スイッチの 2 つの主要なタイプがあります。1990 年代以降、両方の機能を果たすハイブリッド クラス 4/5 スイッチング システムが一般的になっています。

電話ネットワークのもう 1 つの要素は時間とタイミングです。交換、送信、課金機器は、時間イベントを非常に短い間隔で同期する高精度の10 MHz 標準に従属する場合があります。時間標準機器には、ルビジウムまたはセシウム ベースの標準と、全地球測位システム受信機が含まれます。

長距離スイッチでは、入力チャネルと出力チャネルの使用率がほぼ 100% であるため、ローカル中央局よりも低速で効率的なスイッチ割り当てアルゴリズムが使用される場合があります。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路 (たとえば、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(たとえば 1 または 2) で表されます。2 つの音声チャネル (たとえば 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。タイム スロットと物理的な接続の両方を切り替えます。これを行うために、現在の接続の電子リストを循環するデジタル ロジックの制御下で、タイム スロットと接続の間で 1 秒あたり 8,000 回データを交換します。両方のタイプのスイッチングを使用することで、現代のスイッチは、空間スイッチまたは時間スイッチ単独よりもはるかに小型になります。

スイッチの構造は、より小さく単純なサブスイッチの奇数層です。各層は、各サブスイッチから次のサブスイッチ層のセットまで伸びるワイヤの網によって相互接続されています。設計によっては、物理 (空間) 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ています。電話システムでは発信者も呼び出されるため、層は対称的です。その他の設計では、スイッチ全体で時間スイッチングのみを使用します。

時分割サブスイッチは、タイムスロットの完全なサイクルをメモリに読み込み、その後、これも巡回コンピュータ メモリの制御下で、異なる順序で書き出します。これにより、信号に若干の遅延が発生します。

空間分割サブスイッチは、多くの場合、非ブロッキング最小スパニング スイッチまたはクロスオーバー スイッチの何らかのバリエーションを使用して、電気経路を切り替えます。

複合スイッチは本質的にフォールト トレラントです。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障害を感知できます。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」としてマークします。これにより、新しい通話が防止され、確立された通話が中断されることはありません。確立された通話が終了すると、サブスイッチは未使用となり、修理できます。次のテストが成功すると、スイッチは完全な動作に戻ります。

感知されない障害によるフラストレーションを防止するために、スイッチのレイヤー間のすべての接続は、先入れ先出しリスト(キュー) を使用して割り当てられます。その結果、接続に障害があったりノイズがあったりして、顧客が電話を切ってリダイヤルすると、異なる接続とサブスイッチのセットが提供されます。後入れ先出し(スタック) による接続の割り当ては、非常にフラストレーションのたまる障害の連続を引き起こす可能性があります。

中央交換機は、ほとんどの場合、市内通話の単一障害点となる。個々の交換機とそれらを接続する光ファイバーの容量が増加すると、1つの市内局の破壊によって引き起こされる潜在的な混乱は拡大するばかりである。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するために複数の光ファイバー接続を使用することができるが、メイン光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通過する状況を回避するために、注意深いネットワーク設計が必要である。これは、潜在的な共通モード障害である。^[20]

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