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교환기
교환기(交換機, Exchange)는 전화교환(電話交換)에 쓰이는 기계를 말한다. 수동식과 자동식 두 가지가 있다.
목차
개요
교환기는 주로 전화교환을 말하며, 모든 전화회선을 전화국에 집중하여 발신자와 수신자의 회선을 접속하는 장치를 말한다. 전신 교환은 국 상호 간에서 한다. 교환기란 다수의 전화가입자를 수용하여 전화가입자가 통화를 원하는 상대방과 임의의 통화로(링크)를 통하여 접속해 주는 장치이다.
그림과 같이 A가입자가 D가입자와 통화를 하기 위하여서는 접속점 A 스위치가 C 링크(link)로 접속하고 가입자 D의 접속점 D스위치가 C 링크에 접속되면 통화가 이루어진다. 이러한 동작과정을 수동교환기에서는 접속점의 동작을 교환원이 수작업으로 연결하였으나 자동식교환기에서는 컴퓨터와 같은 제어장치가 가입자의 다이얼 신호를 받아 분석하여 어떤 접속점 스위치들을 접속할 것인가를 결정하고 연결하여 준다.[1][2]
교환기의 구조
교환기의 구성은 크게 나누면 제어부와 스위치부로 나누어 지는데 제어부는 프로세서가 탑재 되어 있어 교환동작에 필요한 프로그램 등을 통하여 스위치부 제어, 각종 서비스 제어, 유지보수 등을 담당하게 된다. 통화로부는 실제 교환동작을 담당한다.
제어부 구성
교환기에 있어서 두뇌에 해당하는 제어부는 70년대까지는 중앙에 하나의 컴퓨터를 갖추고 교환기 내에서 발생하는 모든 이벤트를 시분할 방식으로 처리하는 집중제어방식이 사용되었다. 그러나 이러한 집중제어방식은 중앙의 컴퓨터가 고장을 일으킬 경우 교환기 전체의 고장으로 진행되는 치명적 단점이 있어서 이를 보완하기 위해 80년대에는 분산제어방식이 채택되었다. 분산제어방식은 마이크로프로세서의 기술을 이용하는 것으로서 교환기내에 프로세서를 여러 개로 분산시켰으며 분산된 프로세서들은 동일한 프로그램을 가지고 교환기 내부의 부하를 분담처리하고 또한 서로 다른 프로그램을 가지고 있기도 하여 상호간 부하를 맡아 일하기도 한다. 이러한 분산제어방식은 대.소용량에 관계없이 증설이 용이하며 제어장치가 분산되어 있으므로 일부 제어장치가 고장을 일으켜도 교환기 전체의 고장으로 까지는 진행되지 않는 장점을 가지고 있다. 요즘의 교환기들은 대부분이 분산제어방식을 있다.
제어부 역할
교환기에 있어서 두뇌에 해당하는 제어부는 70년대까지는 중앙에 하나의 컴퓨터를 갖추고 교환기 내에서 발생하는 모든 이벤트를 시분할 방식으로 처리하는 집중제어방식이 사용되었다. 그러나 이러한 집중제어방식은 중앙의 컴퓨터가 고장을 일으키면 교환기 전체의 고장으로 진행되는 치명적 단점이 있어서 이를 보완하기 위해 80년대에는 분산제어방식이 채택되었다. 분산제어방식은 마이크로프로세서의 기술을 이용하는 것으로서 교환기 내에 프로세서를 여러 개로 분산시켰으며 분산된 프로세서들은 같은 프로그램을 가지고 교환기 내부의 부하를 분담 처리하고 또한 서로 다른 프로그램이 있기도 하여 상호 간 부하를 맡아 처리하기도 한다.
이러한 분산제어방식은 대·소용량에 관계없이 증설이 쉬우며 제어장치가 분산되어 있으므로 일부 제어장치가 고장을 일으켜도 교환기 전체의 고장으로까지는 진행되지 않는 장점이 있다. 요즘의 교환기들은 대부분이 분산제어 방식을 사용하고 있으므로 본 홈페이지에서는 분산제어방식을 중점으로 기재한다. 제어부는 크게 주제어부와 부제어부로 나누어지며 주제어부는 복잡한 기능과 교환 기능수행에 필요한 전반적인 제어를 하고 부제어부는 간단하고 자주 반복되는 제어작동을 수행한다.
주제어부
- 호처리(Call processing): 각종 회선의 서비스 등급 결정, 통화로 설정/복구 요구, 트래픽 데이터 측정, 입출력 신호 제어, 과금 시작
- DB(data base): 라우팅 관련 데이터 번역, 국번호, 기타 교환기 운용에 필요한 프로그램 내장
- 유지보수(maintenance): 에러검출 및 경보메시지 송출, 각종 시험/진단 수행,과부하 조절
- 관리(administration): DB 관리, 교환기와 운용자간의 콘솔관리, 메모리관리, 과금처리
- 스위치 제어(switch control): 회선교환관리, 중앙 스위치 그룹의 상태 관리,망경로 검색, 통화로 설정/복구
부제어부
- hook_off 검출,집선 제어,번호수신,각종 신호음 송출 및 수신
위의 내용은 일반적인 내용이며 교환기 기종에 따라 주/부제어부의 내용이 다를 수 있다. 또한, 분산제어방식은 아래와 같이 계층형과 기능형으로 나누어진다.
- 계층형 분산제어방식: 중앙 프로세서의 트래픽 처리능력을 증가시키기 위하여 hook_off 등과 같은 복적이고 시간이 오래 걸리는 것은 다수의 하위 프로세서로 분산시키고 나머지 기능은 중앙 프로세서에서 처리한다.
- 기능형 분산제어방식: 고성능 마이크로프로세서의 개발과 메모리의 가격 하락을 바탕으로 생겨난 방식으로 요즘 대부분 교환기가 채택하는 방식이다. 기능형 분산제어방식은 계층형 분산제어방식의 단일 중앙프로세스가 수행하였던 것을 다수의 프로세서에 분산시켰으며 분산된 프로세서들은 서로 간의 기능적 분담을 나누는 형태를 가지고 있어 교환기에 걸리는 부하를 효과적으로 분산시킬 수 있다. 프로세서들이 기능적 분담을 이루고 있으므로 기능형 분산제어방식에서는 호 처리 순서에 따라 프로세서 간의 통신 자연적으로 필요하게 되었으며 대·소용량 구별 없이 다양한 트래픽 처리를 할 수 있다. 또한, 프로세서의 기능적 분산으로 소프트웨어의 모듈화가 이루어져 있다. 위의 두 경우는 각각의 장단점이 있어서 실제로 교환기에서는 상위레벨은 기능형 분산제어방식, 하위레벨은 계층형 분산제어방식을 혼합한 형태를 사용하여 교환기의 유연성과 실시간성을 높이고 있다.
통화로부 구성
통화로 부는 실제로 교환 동작이 이루어지는 부분으로 크게 스위치부와 회선 정합부로 나눌 수 있다.
스위치부
스위치(Switch)는 전화 호출자와 전화 피호출자, 전화 호출자와 중계선, 중계선과 중계선을 연결하여 통화로 구성하는 실제의 교환 동작을 담당하는 부분으로 초창기 수동식 교환기에서는 리드선(플러그가 달린)이 사용되었다.
리드선 연결방식은 어떻게 보면 스위치부라고 할 수 없을 만큼 원시적인 형태로서 제어부에 해당하는 교환원의 좌석 앞쪽에 잭 패널이 있고 이 잭 패널에는 해당 지역의 모든 전화가입자 회선이 연결되어 있어서 교환원이 직접 손으로 통화하기를 원하는 두 가입자를 리드선으로 연결해주는 방식이었다. 이후 교환원이 필요 없는 형태의 기계식 교환기에서는 step-by-step 방식과 cross bar 식의 사용되었다. step-by-step 방식은 전화기에서 다이얼 번호의 횟수만큼 릴레이가 동작하여 스위치를 하나씩 연결해 서로 통화를 원하는 두 가입자를 연결해주는 방식이었고 cross bar 방식은 스위치를 연결하기 위한 제어장치를 별도로 구성하여 각 회선이 공통으로 사용하는 방식이었다. 한 가지 우스운 것은 기계식 교환기가 발명된 이유인데 장의사를 경영하고 있던 A.B. Strowger라는 사람이 친한 친구의 사망 소식을 이미 장례를 치른 후에야 알게 되었다. 그 이유는 그 지역 교환원이 스트로우져에는 연락을 안 해주고, 경쟁 관계에 있는 다른 장의사에게만 연락을 해주었기 때문이었다.
이에 분노한 스트로우져는 교환원의 개입이 불가능한 교환기, 즉 자동교환기를 만들어 내겠다는 결심을 하고, 연구와 실패를 거듭한 끝에 만들어 낸 것이 바로 최초의 자동식 교환기, ST 교환기라고 한다. 현대의 전자식 교환기들은 PCM 시분할 방식이 사용되고 있다. 이 방식은 두 통화자 사이의 아날로그 형태의 음성신호를 PCM 등으로 부호화된 디지털 정보를 교환하여 이용한다. 두 통화자 사이의 부호화(디지털화)된 음성정보는 다중화된 데이터 열상에서 임의의 두 타임슬롯(time slot)을 점유하게 되고 전자식 교환기의 스위치부는 이 두 개의 타임슬롯을 상호 교환해 줌으로써 통화가 이루어지도록 한다. 전자식 교환기의 스위치부에 있어서 중요한 두 가지는 주로 메모리에 의해 구성된 시간 스위치(time switch)와 논리회로에 의해 구성된 공간 스위치이다.
시간 스위치
디지털 교환기에 사용되는 시간 스위치는 다중화된 시분할 PCM 하이웨이 상의 타임슬롯 (TS)을 서로 교환함으로써 회선교환 동작을 수행한다. 즉 TS0을 할당받은 가입자 A와 TS1을 할당받은 가입자 B 사이의 통화는 TS0에 있는 음성데이터를 TS1에 옮기고 TS1의 음성데이터는 TS0로 옮겨 지면서 이루어지는 것이다. 또한, PCM 하이웨이는 다수가 있으므로 서로 다른 하이웨이 상에 있는 TS 간에도 상호교환이 이루어져야 한다. 구성된 이유는 다음과 같다. TS0에 있는 음성데이터를 TS1에 옮긴다고 하는 것은 TS에서 위치를 바꾸는 것이므로 지나버린 TS로의 이동은 불가능하다. 따라서 TS0에서 TS1으로 옮겨져야 할 음성정보가 옮겨지지 못하고 TS1을 놓쳐 을 경우는 음성정보가 시간적 지연하게 되거나 음성정보를 유실하는 경우가 생긴다.
바로 이러한 문제점 때문에 메모리를 이용하여 PCM 하이웨이로 연속적으로 들어오는 데이터 열을 연속적으로 메모리에 쓰고 읽어서 옮기고자 하는 TS에 보냄으로써 원활한 상호교환을 수행하게 한다. 이러한 시간 스위치는 메모리의 주소 용량과 동작 속도에 따라 용량이 결정된다. 좀 더 자세히 시간 스위치에 대해서 살펴보면 제어 메모리(CM : Control Memory)와 하이웨이에서 들어오는 PCM 채널을 기록할 수 있는 '8bit*N' 채널의 통화 메모리(SM : Speech Memory)로 구성되어 있는데 SM은 데이터가 쓰여지는 시간과 읽혀지는 시간이 틀리다. 때문에 TS의 상호교환이 이루어진다.[3]
필요성과 발전과정
전화 가입자가 많아지면 회선의 수도 많아질 수 밖에 없다. 일반적으로 n 사람의 가입자를 연결하려면 n(n-1)/2 줄의 회선이 필요하다. 예를 들어 전화기가 두 대라면 전화기 두 대를 연결하는 전화선은 1줄, 세 대면 3줄, 다섯 대면 10줄, 열 대면 45줄, 천만 대면 49조 9,999억 500만 개의 전화선이 필요하게 된다.
따라서 전화가입자들이 많이 몰려 있는 지역의 중심에 교환대를 설치하고 여기에다 모든 가입자를 연결시켜 서로 접속을 요구하는 사람끼리 교환시켜 주면 선로의 수가 훨씬 줄어들어 경제적이라는 개념으로부터 교환기술이 시작되었다.
수동식 교환기
수동식 교환기는 교환수가 통화를 원하는 가입자를 상대편에 직접 연결시켜 주는 교환 방식인데, 전화기가 늘어남에 따라 많은 인력이 필요하고 통화의 기밀 유지가 어렵다는 문제점이 있어 자동교환기가 개발되었다. 수동식 교환기에는 자석식과 공전식이 있다.
자동식 교환기
기계식 교환기
1889년 미국의 스트로저가 Step by Step 방식의 자동교환기를 발명함으로써 전화 교환기는 자동화 시대로 돌입하게 되었다. step-by-step 방식의 교환기는 전화가입자가 돌린 다이얼 신호 숫자에 따라서 Selector나 Connector가 순차적으로 작동하는 직접제어 방식의 교환기이다. 스트로저가 개발한 기계식 자동교환기의 핵심기술인 스위치 구성은 반 원통 모양의 기둥에 수평과 수직으로 10개씩 연결 단자가 나와 있어 수평 및 수직 운동 때문에 목적지 연결 단자와 접속되게 되어 있다.
스트로저 자동교환기는 발신지 다이얼 펄스에 의해 각 단계식으로 스위치를 접속하는 직접제어 시스템으로 개개 제어 회로 기능은 간단하지만, 시스템 전체로서는 사용 능률이 낮고 동작 시간이 길며 고장 발생률 또한 높은 단점이 있다. 이러한 결점을 극복하기 위해 독일의 지멘스사가 1955년에 접점 스위치에 귀금속을 사용한 EMD 교환기를 개발하였다. EMD 기계식 교환기는 단일 방향 회전 운동을 하는 회전 스위치만으로 구성되어 있으며 접속 속도도 단계식보다 빠른 것이 특징이다.
크로스바 교환기
크로스바(X-bar) 교환기는 스텝 바이 스텝 교환기의 직접 제어 방식에 의한 결점을 보완하기 위하여 통화 회로망과 공통제어장치를 완전 분리하였는데 통화 회로망은 발신자와 칙신자의 회선을 접속시키는 곳이고 공통제어장치는 그 관리를 담당하는 곳이다. 통화 회로망에는 수직과 수평이 교차하는 접점에 접속 릴레이를 두어 스위치를 구성하고 있는데 스위치의 접속과 절단 동작은 공통제어장치를 통해 이루어지며 공통제어회로를 이용함으로써 스위치 동작의 정확성과 안정성이 높고 수명이 긴 장점이 있었다.
전자식 교환기
크로스바 교환기는 많은 장점이 있으나 기계적인 접점, 전자식 계전기 등을 사용하기 때문에 교환 속도에 문제점이 있었다. 이를 개량한 것이 전자식 교환기이다. 한편 크로스바 교환기가 실용화될 당시 컴퓨터가 실용화되었기 때문에 공통제어장치의 역할을 컴퓨터가 대행하게 되었다. 대표적인 전자식 교환기는 미국의 벨연구소에서 개발한 No.1 ESS인데 1965년에 상용화된 이래 미국에 대량으로 보급되었다. 이 교환기의 특징은 단순히 전자화한 것이 아니라 컴퓨터를 도입해 소프트웨어로 제어(축적 프로그램 제어)하는데 있다. 이 교환기는 아날로그 교환기로서 통화로를 구성하고 있는 스위치부에는 기계식과 마찬가지로 기존의 회선 스위치나 크로스바 스위치 혹은 릴레이를 사용하며 제어계는 컴퓨터를 이용한 축적 프로그램 방식을 채용하는 방식인데 이를 반전자 교환방식이라고 한다.
아날로그 전자 교환기 스위치는 금속 접점이 기계식이어서 이것을 반도체 스위치로 바꾸어 디지털 신호로 연결한 것이 디지털 교환기이다.(일명 전전자 교환방식이라고도 함) 아날로그 교환기는 내부 제어계에 축적 프로그램 제어기술을 이용하였으나, 통화로계는 릴레이 등 전자부품으로 구성되었으며 접속 정보도 아날로그 신호인데 반하여 디지털 교환기는 제어계가 아날로그 전자 교환기와 거의 같은 기술이나 통화로계는 대폭 진보되어 직접 디지털 신호를 교환하였다.
동작 속도가 빠른 반도체 스위치 소자를 사용하여 1초에 수천 번 이상의 속도로 짧은 시간 동안만 연결시켜 통화회선을 구성하면 송수신 측에서 원래의 신호를 재생시켜 통화하는 원리를 이용한 것인데 이 방식에 따라 금속 접점 스위치인 교환기의 통화로 스위치를 반도체 소자로 대체하여 디지털 신호만을 교환 접속하게 한 교환기가 바로 디지털 교환기이다.[4]
동영상
각주
- ↑ 〈교환기〉, 《전자용어사전》
- ↑ 〈(교환)교환기의 정의〉, 《정보통신이야기》, 2007-04-24
- ↑ 연우, 〈교환기 기초이론 - 1장 구조와 원리/개요-종류/교환기와 전송장치〉, 《네이버 블로그》, 2006-05-21
- ↑ 석사만세, 〈교환기의 필요성과 발전과정 제목〉, Beyond Technology, 2023-02-01
참고자료
- 〈교환기〉, 《네이버 국어사전》
- 〈교환기〉, 《전자용어사전》
- 〈(교환)교환기의 정의〉, 《정보통신이야기》, 2007-04-24
- 연우, 〈교환기 기초이론 - 1장 구조와 원리/개요-종류/교환기와 전송장치〉, 《네이버 블로그》, 2006-05-21
- 석사만세, 〈교환기의 필요성과 발전과정 제목〉, Beyond Technology, 2023-02-01
같이 보기
