クロスバースイッチ

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構内交換機電気機械式クロスバースイッチ

エレクトロニクスおよび電気通信ではクロスバースイッチクロスポイントスイッチマトリックススイッチ)は、マトリックス構成に配置されたスイッチの集合ですクロスバースイッチには複数の入力ラインと出力ラインがあり、相互接続ラインの交差パターンを形成します。これらのライン間で、マトリックスの要素である各交差点にあるスイッチを閉じることで接続を確立できます。もともと、クロスバースイッチは、文字通り、入力パスと出力パスを提供する金属バーを交差させることで構成されていました。その後の実装では、ソリッドステートエレクトロニクスで同じスイッチングトポロジが実現されましたクロスバースイッチは主要なものの1つです電話交換アーキテクチャ、ロータリースイッチ、メモリスイッチ、[引用が必要]クロスオーバースイッチ

一般的なプロパティ

クロスバースイッチは、入力のセットと出力のセットの間の個々のスイッチのアセンブリです。スイッチはマトリックスに配置されています。クロスバースイッチにM個の入力とN個の出力がある場合、クロスバーには、 M × N個のクロスポイントまたは接続が交差する場所を持つ行列があります。各クロスポイントにはスイッチがあります。閉じているときは、入力の1つを出力の1つに接続します。特定のクロスバーは、単層の非ブロッキングスイッチです。非ブロッキングスイッチは、他の同時接続が他の入力を他の出力に接続することを妨げないことを意味します。クロスバーのコレクションを使用して、複数のレイヤーおよびブロッキングスイッチを実装できます。クロスバースイッチングシステムは、座標スイッチングシステムとも呼ばれます。

アプリケーション

クロスバースイッチは、電話回線交換などの情報処理アプリケーションで一般的に使用されていますが、機械式選別機などのアプリケーションでも使用されています

クロスバースイッチのマトリックスレイアウトは、データ伝送を可能にする一部の半導体メモリデバイスでも使用されています。ここでは、バーは非常に細い金属線であり、スイッチは可融性のリンクです。ヒューズは、高電圧を使用して溶断または開放され、低電圧を使用して読み取られます。このようなデバイスは、プログラム可能な読み取り専用メモリと呼ばれます。[1] 2008年のNSTIナノテクノロジー会議で、計算用の論理ゲートの代替として使用される追加回路のナノスケールクロスバー実装について論じた論文が発表されました。[2]

マトリックスアレイは、最新のフラットパネルディスプレイの基本です。薄膜トランジスタLCDは、各クロスポイントにトランジスタを備えているため、構造の一部としてクロスバースイッチを備えていると考えることができます。

家庭用および業務用劇場アプリケーションでのビデオスイッチングの場合、クロスバースイッチ(またはこのアプリケーションでより一般的に呼ばれるマトリックススイッチ)を使用して、複数のビデオアプライアンスの出力を建物全体のすべてのモニターまたはすべての部屋に同時に分散します。通常の設置では、すべてのビデオソースは機器ラックに配置され、マトリックススイッチへの入力として接続されます。

マトリックスの集中制御が実用的である場合、一般的なラックマウントマトリックススイッチは、入力を出力に手動で接続できるようにするフロントパネルボタンを備えています。このような使用法の例としては、多数のプログラムが同時に表示されるスポーツバーがあります。通常、スポーツバーは、独立した制御が必要なディスプレイごとに個別のデスクトップボックスを設置します。マトリックススイッチを使用すると、オペレーターは信号を自由にルーティングできるため、表示する固有のプログラムの総数をカバーするのに十分なセットトップボックスのみが必要であり、サウンドシステム全体の任意のプログラムからのサウンドを簡単に制御できます。

このようなスイッチは、ハイエンドのホームシアターアプリケーションで使用されます。通常共有されるビデオソースには、セットトップレシーバーまたはDVDチェンジャーが含まれます。同じ概念がオーディオにも当てはまります。出力は、個々の部屋のテレビに配線されています。マトリックススイッチは、 AMXCrestron、またはControl4によって作成されたものなど、家全体の自動化コントローラーによってイーサネットまたはRS-232接続を介して制御されます。、これは、各部屋のユーザーが視聴するアプライアンスを選択できるようにするユーザーインターフェイスを提供します。実際のユーザーインターフェイスはシステムブランドによって異なり、画面上のメニュー、タッチスクリーン、およびハンドヘルドリモコンの組み合わせが含まれる場合があります。このシステムは、ユーザーが視聴したい番組を同じ部屋から選択できるようにするために必要です。そうでない場合は、機器ラックまで歩いて行く必要があります。

衛星テレビ信号の配信に使用される特殊なクロスバースイッチは、マルチスイッチと呼ばれます

実装

歴史的に、クロスバースイッチは、各入力と出力に関連付けられた金属製のバーと、各クロスポイントで可動接点を制御するいくつかの手段で構成されていました。20世紀の後半に、これらの文字通りのクロスバースイッチは衰退し、この用語は一般に長方形のアレイスイッチに比喩的に使用されるようになりました。最新のクロスバースイッチは通常、半導体技術で実装されています。重要な新しいクラスの光クロスバーがMEMSテクノロジーで実装されています。

メカニカル

19世紀半ばの電信交換の一種は、各交差点に穴が開いた垂直および水平の真ちゅう製の棒のグリッドで構成されていました。オペレーターは真ちゅう製のピンを挿入して、ある電信線を別の電信線に接続しました。

テレフォニーの電気機械的スイッチング

テレフォニークロスバースイッチは、電話を切り替えるための電気機械装置です現在クロスバースイッチと呼ばれているものの最初の設計は、1915年のベル社Western Electricの座標セレクターでした。制御システムのコストを節約するために、このシステムはリンク原理ではなくステッピングスイッチまたはセレクター原理に基づいて編成されました。アメリカではほとんど使用されていませんでしたが、スウェーデンのTeleverket政府機関が独自のデザインを製造しました(Gotthilf Betulander ウエスタンエレクトリックシステムに触発された1919年からの設計)、1926年から1980年代に小型および中型のA204モデルスイッチでデジタル化されるまでスウェーデンで使用されました。ベル研究所によって開発された、1938年から収益サービスに入ったAT&Tコーポレーション1XBクロスバー交換で使用されたシステム設計は、スウェーデンの設計に触発されましたが、再発見されたリンク原理に基づいていました。1945年、スウェーデンのTeleverketによる同様の設計がスウェーデンに設置され、A204モデルスイッチの容量を増やすことが可能になりました。第二次世界大戦によって遅れて、米国では1950年代から数百万の都市1XB回線が設置されました。

1950年、スウェーデンのエリクソン社は、国際市場向けに独自のバージョンの1XBおよびA204システムを開発しました。1960年代初頭、同社のクロスバースイッチの売上高は、ライン数で測定すると、回転式500スイッチングシステムの売上高を上回りました。クロスバースイッチングはすぐに世界中に広がり、ストローガー(ステップバイステップ)や米国の大規模な設備のパネルシステムなどのほとんどの初期の設計に取って代わりました。導入時に完全な電気機械制御から卒業し、完全な電子機器を持つように徐々に精巧になりました。制御と、ショートコードやスピードダイヤルなどのさまざまな通話機能。英国では、PlesseyCompanyがさまざまな製品を製造しましたTXKクロスバー取引所ですが、英国郵便局による広範な展開は他の国よりも遅れて開始され、TXE リードリレーと電子交換システムの並行開発によって阻害されたため、多くの顧客接続を達成することはできませんでした。タンデムスイッチ交換 としていくつかの成功を見つけます。

クロスバースイッチは、xy形式で配置された接点の2次元配列から作成されたスイッチングマトリックスを使用します。これらのスイッチングマトリックスは、接点上に配置された一連の水平バーによって操作されます。このような各選択バーは、電磁石によって上下に揺り動かして、マトリックスの2つのレベルへのアクセスを提供できます。垂直ホールドバーの2番目のセットは、最初のセットに対して直角に設定され(そのため、「クロスバー」という名前が付けられています)、電磁石によって操作されます。セレクトバーはバネ仕掛けのワイヤーを運びますホールドバーがバーの下の接点を操作できるようにする指。選択電磁石と保持電磁石が順番に動作してバーを移動すると、スプリングフィンガーの1つをトラップして、2つのバーが交差するポイントの下の接点を閉じます。これにより、交換機を介した呼び出しパスの設定の一部として、スイッチを介した接続が確立されます。接続されると、選択された磁石が解放され、他の接続に他の指を使用できるようになります。一方、接続を維持するために、呼び出しの間、保持磁石は通電されたままになります。クロスバースイッチングインターフェイスは、英国ではTXKまたはTXC(電話交換クロスバー)スイッチと呼ばれていました。

Western Electric100ポイント6線式タイプBクロスバースイッチ

ただし、ベルシステム タイプB1960年代のクロスバースイッチが最も多く作られました。大部分は200ポイントのスイッチで、20本の垂直線と10本のレベルの3本のワイヤーがあります。各選択バーには10本の指があり、10本の垂直線に割り当てられた10個の回路のいずれかが2つのレベルのいずれかに接続できます。それぞれが上下に回転できる5つの選択バーは、切り替えの次の段階への10のリンクを選択できることを意味します。この特定のモデルの各クロスポイントは、6本のワイヤーを接続しました。ホールドマグネットの横にある垂直のオフノーマル接点は、スイッチの下部に沿って並んでいます。それらはロジックおよびメモリ機能を実行し、ホールドバーは接続が確立されている限りそれらをアクティブな位置に保ちます。バタフライマグネットが水平バーを回転させると、スイッチの側面にある水平方向の非法線が水平バーによってアクティブになります。

後期型WesternElectricクロスバースイッチ
タイプCの裏側

ベルシステムスイッチの大部分は平衡ペア回路の先端とリング、および制御用のスリーブリードを含む3本のワイヤを接続するように作られています。多くは、2つの異なる回路用、または4線式回路またはその他の複雑な接続用に、6本の線を接続しました。1970年代のベルシステムタイプCミニチュアクロスバーも同様でしたが、指が後ろから前方に突き出ており、選択したバーがパドルを持って動かしていました。タイプCの大部分には12のレベルがありました。これらはあまり一般的ではない10レベルのものでした。SP1スイッチで使用されるノーザンエレクトリックミニバー 似ていましたが、さらに小さかったです。同じ時代のITTPentacontaマルチスイッチには、通常22の垂直、26のレベル、および6〜12本のワイヤがありました。エリクソンのクロスバースイッチには、垂直方向が5つしかない場合がありました。

インストルメンテーション

計装用に、James Cunningham、Son and Company [3]は、電話タイプのクロスバースイッチよりも高速な操作を可能にする物理的に小さな機械部品を備えた高速で非常に長寿命のクロスバースイッチ[4]を作成しました。それらのスイッチの多くは、テレフォニークロスバースイッチの機械的なブールAND機能を備えていましたが、他のモデルには、リレー接点を[x]および[y]バスに接続する、マトリックスアレイ内の個別のリレー(クロスポイントごとに1つのコイル)がありました。これらの後者のタイプは、個別のリレーと同等でした。論理積関数は組み込まれていませんでした。カニンガムクロスバースイッチには、ミリボルト信号を処理できる貴金属接点がありました。

電話交換

初期のクロスバー交換は、発信側と終了側に分けられましたが、後の著名なカナダと米国のSP1スイッチ5XBスイッチはそうではありませんでした。ユーザーが電話に出たとき受話器では、ユーザーのラインリレーを操作する結果として生じるラインループにより、交換機がユーザーの電話を発信元の送信者に接続し、ユーザーにダイヤルトーンが返されました。次に、送信者はダイヤルされた数字を記録し、発信元のマーカーに渡しました。発信元のマーカーは、発信トランクを選択し、さまざまなクロスバースイッチステージを操作して、発信側のユーザーを接続しました。次に、発信元のマーカーは、トランク呼び出しの完了要件(パルスのタイプ、トランクの抵抗など)と着信側の詳細を送信者に渡し、解放しました。次に、送信者はこの情報を終了する送信者(同じまたは異なる交換のいずれかにある可能性があります)に中継しました。次に、この送信者は、終了マーカーを使用して、選択した着信トランクを介して、呼び出し元のユーザーを呼び出し元のユーザーに接続します。

クロスバースイッチ自体は単純でした。交換設計により、すべての論理的な意思決定が、リレーセットとして非常に信頼性の高い共通の制御要素に移されました。設計基準では、40年ごとに2時間のサービスのダウンタイムしか指定されていませんでした。これは、以前の電気機械システムに比べて大幅に改善されました。制御要素はコールスイッチング要素とは別に交換できるため、交換設計の概念は段階的なアップグレードに適しています。クロスバー交換機の最小サイズは比較的大きかったが、設置された回線容量が大きい都市部では、交換機全体が同等の容量の他の交換技術よりも少ないスペースを占めていた。このため、これらは通常、デジタルに置き換えられた最初のスイッチでもありました。さらに小型で信頼性の高いシステム。

クロスバースイッチングには2つの原則がありました。初期の方法は、クロスバースイッチを使用して、ストローガースイッチで使用されているのと同じスイッチングファブリックを実装するセレクターの原則に基づいていました。この原則では、各クロスバースイッチは、スイッチまたはトランクのいくつかのグループの1つに対応する1つのダイヤル番号を受け取ります。次に、スイッチは、選択されたスイッチまたはトランクの中からアイドル状態のスイッチまたはトランクを見つけて接続します。各クロスバースイッチは、一度に1つの呼び出ししか処理できませんでした。したがって、5段階で100個の10×10スイッチを使用した交換では、20回の会話しか進行できませんでした。分散制御とは、共通の障害点がないことを意味しますが、セットアップ段階が10秒間続くことを意味し、発信者は必要な番号をダイヤルするのにかかりました。制御占有率の用語では、この比較的長い間隔により、スイッチのトラフィック容量が低下します。[要出典]

100点6線式B型ベルシステムスイッチのバンジョー配線

1XBスイッチから始めて、後のより一般的な方法はリンクの原理に基づいており、スイッチをクロスポイントとして使用していました。各可動接点は、次のステージのスイッチの入力の1つにあるリンクに、より単純なバンジョーワイヤによって同じレベルの他の接点に乗算されました。スイッチは、レベルまたはバーティカルと同じ数のコールの部分を処理できます。したがって、4つのステージで40の10×10スイッチを使用した交換では、100の会話が進行する可能性があります。リンクの原則はより効率的でしたが、スイッチングファブリックを介してアイドル状態のリンクを見つけるには、より複雑な制御システムが必要でした

これは、前述のように、共通の制御を意味します。すべての数字が記録され、共通の制御装置であるマーカーに渡されて、すべての個別のスイッチステージで同時にコールが確立されます。マーカー制御クロスバーシステムは、マーカー内に非常に脆弱な中央制御を持っていました。これは、重複するマーカーを持つことによって常に保護されていました。大きな利点は、スイッチの制御占有率が1秒以下のオーダーであり、スイッチのX-then-Yアーマチュアの動作およびリリースラグを表すことでした。共通制御の唯一の欠点は、交換機のトラフィックレベルを発信する最大の予測に対処するのに十分なディジットレコーダを提供する必要があることでした。

Plessey TXK 1または5005の設計では、中間形式を使用しました。この形式では、分散ロジックによってスイッチングファブリックを介して明確なパスがマークされ、一度に閉じられました。

クロスバー交換は、いくつかの電話網でのみ収益サービスを維持しています。保存されたインスタレーションは、ワシントン州シアトルのコミュニケーション博物館やロンドンの科学博物館などの博物館で維持れています。

半導体

クロスバースイッチの半導体実装は、通常、半導体デバイス内の一連の相互接続に接続された入力増幅器またはリタイマーのセットで構成されます。同様の相互接続のセットが出力アンプまたはリタイマーに接続されています。バーが交差する各クロスポイントで、バーを接続するパストランジスタが実装されます。パストランジスタが有効な場合、入力は出力に接続されます。

コンピュータ技術が進歩するにつれて、クロスバースイッチは、均一なメモリアクセス並列プロセッサ のさまざまな処理装置をメモリ要素のアレイに接続する多段相互接続ネットワークなどのシステムで使用されるようになりました。

仲裁

クロスバースイッチを使用する際の標準的な問題は、クロスポイントの設定です。[要出典]クロスバーの従来のテレフォニーアプリケーションでは、クロスポイントは閉じられ、電話が出入りするときに開きます。非同期転送モードまたはパケット交換アプリケーションでは、各決定間隔でクロスポイントを作成および切断する必要があります。高速スイッチでは、すべてのクロスポイントの設定を決定してから、1秒間に数百万回または数十億回設定する必要があります。これらの決定を迅速に行うための1つのアプローチは、ウェーブフロントアービターを使用することです。

も参照してください

参考文献

  1. ^ チェン、ヨン; チョン、ガンヤング; Ohlberg、Douglas AA; Li、Xuema; スチュワート、ダンカンR。; Jeppesen、Jan O。; ニールセン、ケントA。; ストッダート、J。フレイザー(2003)。「ナノスケール分子スイッチクロスバー回路」。ナノテクノロジー14(4):462–8。Bibcode2003Nanot..14..462C土井10.1088 / 0957-4484 / 14/4/311
  2. ^ Mouttet、B。(2008-06-02)。「ナノスケールクロスバーアレイを備えたロジックレス計算アーキテクチャ」NSTI Nanotech2008カンファレンス。2016-03-04にオリジナルからアーカイブされました2008年6月2日取得
  3. ^ Hinrichs、Noël(1964)。「6.自動化の時代」卓越性の追求James Cunningham、Son&Co。
  4. ^ Hinrichs 1964クロスバースイッチ

さらに読む

外部リンク