PSTN是什么？工作原理？与现代通信的关系？

简介

PSTN，即Public Switched Telephone Network，是指传统的公网电话网。在这个数字时代，我们经常听到IP电话、VoIP等词语，但是PSTN仍然是很多人日常通信的主要方式之一。本文将详细解释PSTN是什么，它如何工作，以及如何使用它。

公用电话交换网是一种广泛应用于日常生活中的传统电话网络系统。它基于模拟技术，采用电路交换方式，为用户提供语音通信服务。PSTN的核心组件包括：

• 电话交换机 ：负责处理和转发电话呼叫
• 用户回路 ：连接用户终端设备（如电话机）
• 长途干线 ：实现远距离通信连接

尽管PSTN在网络资源利用率方面存在一定局限性，但它仍然是一种不可或缺的联网介质，特别是在Bellcore开发的xDSL技术的应用下，进一步扩展了PSTN的发展和应用空间，使联网速度可达9Mbps至52Mbps之间。

历史发展

PSTN的历史可追溯至1876年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔首次成功传输声音。初期系统基于物理线路直连，随用户增长引入交换机简化网络拓扑。20世纪初，自动交换机取代人工操作，奠定现代PSTN基础。随后经历多次技术革新，包括数字交换和光纤传输的引入，显著提升了网络容量和质量。这一发展历程展示了PSTN从简陋的人工系统逐步演变为高度自动化、数字化的全球通信网络的过程。

PSTN工作原理

电路交换技术

PSTN的核心工作原理基于电路交换技术，这是一种经典的通信方法，在电话网络中有着悠久的应用历史。电路交换技术的核心思想是为每次通话建立一条专用的物理连接，并在整个通话过程中保持这条连接不变，直到通话结束。
电路交换技术的工作过程可以概括为以下几个步骤：

1. 呼叫建立 ：当用户发起通话请求时，PSTN网络会为这次通话分配一条专用的物理线路。这条线路从主叫用户连接到被叫用户，形成一个端到端的通信通道。
2. 资源预留 ：在呼叫建立过程中，网络会预留足够的资源以保证通话的质量。这意味着在整个通话过程中，这条专用线路将被独占使用，不会被其他通话占用。
3. 信息传输 ：一旦连接建立，语音信号就会通过这条专用线路进行传输。在传统PSTN中，语音信号通常以模拟形式传输，但在现代PSTN中，语音信号已经被数字化并通过数字信号进行传输。
4. 呼叫维持 ：在通话过程中，网络会持续监测这条专用线路的状态，确保其始终保持可用状态。这种持续的连接保证了通话的稳定性和连续性。
5. 呼叫释放 ：当通话结束时，网络会释放这条专用线路，使其可供其他通话使用。这标志着一次电路交换过程的结束。

电路交换技术的优势在于其提供稳定的、高质量的通信服务。由于整个通话过程中线路都被独占使用，因此可以保证通话的质量和稳定性。然而，这种技术也存在一些明显的缺点：

• 资源利用率低 ：无论通话是否正在进行，专用线路都会被持续占用，这导致了网络资源的浪费。
• 灵活性不足 ：电路交换技术难以适应突发的大规模通信需求，因为一旦线路被占用，就无法快速重新分配资源。

尽管如此，电路交换技术仍然是PSTN网络的核心工作原理，为全球数十亿用户提供了可靠的语音通信服务。随着技术的进步，PSTN网络正在逐步向更加灵活和高效的分组交换技术过渡，但仍保留了电路交换的一些核心特性，以确保服务质量的稳定性和可靠性。

信令系统

在PSTN的工作原理中，信令系统扮演着至关重要的角色。SS7（Signalling System No. 7）作为一种先进的信令系统，为PSTN的正常运作提供了强有力的支持。SS7采用了分层结构设计，每一层都有其特定的功能，共同协作以完成复杂的通信任务。
SS7的分层结构如下：

SS7的一个重要特征是将信令网与通信网分离，这种设计带来了诸多优势：

• 提高了系统的灵活性和可扩展性 ，使得更容易引入新的信令标准和服务。
• 支持高通道速率、快速信令传递和较大的信令消息容量，能够满足早期网络的需求。

SS7系统中的关键组件包括：

1. 信令点（SP） ：负责接收和发送信令消息
2. 信令转接点（STP） ：负责在不同的信令链路之间转移信令消息
3. 信令链路 ：连接信令点和信令转接点的通信通道

SS7系统的工作流程如下：

1. 当一个呼叫请求发生时，源信令点会通过信令链路向目的地信令点发送信令消息。
2. 这些消息可能需要通过一个或多个STP进行路由。
3. 目的地信令点收到消息后，会采取相应的行动，如建立呼叫连接或提供所需的服务。
4. 整个过程涉及多个信令消息的交互，包括呼叫建立、路由选择、资源分配和确认等步骤。

SS7系统的一个显著优点是其 分布式设计 。这种设计不仅提高了系统的可靠性，还允许在网络中动态分配资源，从而优化整体性能。例如，当某个区域的呼叫流量突然增加时，系统可以通过重新路由信令消息来平衡负载，防止局部拥塞。
此外，SS7系统还支持多种高级功能，如：

• 智能网服务 ：允许提供增值业务，如呼叫转移、主叫号码显示等。
• 移动通信应用 ：支持移动用户的身份验证和位置更新。

这些功能极大地丰富了PSTN的服务能力，使其能够满足多样化的用户需求。

PSTN与现代通信

数字化转型

PSTN的数字化转型是通信技术发展史上的一次重大变革，标志着传统模拟网络向现代化数字网络的全面升级。这一转型过程不仅改变了网络架构和技术基础，还深刻影响了通信行业的格局和用户的服务体验。
数字化转型的核心在于 脉冲编码调制(PCM)技术 的广泛应用。PCM技术将模拟信号转化为数字信号，实现了信号的精确量化和编码。这一创新大大提高了通信质量和网络效率。具体而言，PCM技术的工作原理如下：

1. 采样 ：以固定频率（通常是每秒8000次）对模拟信号进行采样。
2. 量化 ：将采样值映射到离散数值集合。
3. 编码 ：使用二进制代码表示量化值。

这种数字化过程带来的好处包括：

• 抗干扰能力强 ：数字信号不易受到噪声和衰减的影响。
• 压缩效率高 ：通过适当的算法可以大幅减少传输所需的比特率。
• 便于加密 ：数字信号易于实施各种加密算法，提高通信的安全性。

随着数字化进程的深入，PSTN网络逐渐形成了 混合架构 。在这种架构中，核心网络采用数字交换和传输技术，而用户接入部分仍保留模拟接口。这种设计兼顾了传统模拟设备的兼容性和数字网络的先进性，为PSTN的平滑过渡提供了可行路径。
数字化转型还推动了 信令系统的升级 。新一代数字交换机引入了更为先进的信令系统，如ISUP（ISDN用户部分）。ISUP基于SS7信令系统，支持更多的业务特性和网络功能，为PSTN的数字化转型提供了强大的技术支持。
值得注意的是，数字化转型并非一蹴而就，而是经历了漫长的演进过程。在这个过程中，PSTN网络逐步实现了从模拟到数字的无缝衔接，为用户提供更加优质、可靠的通信服务。同时，这也为后续PSTN与IP网络的融合奠定了坚实的基础，开启了通信技术发展的新篇章。

与互联网的关系

PSTN与互联网之间的关系密切而复杂，尤其体现在PSTN为互联网提供长距离基础设施方面。虽然PSTN最初是为了提供语音通信服务而设计的，但随着时间推移，它已成为互联网服务提供商(ISP)构建全国乃至全球网络的重要支柱。
PSTN为互联网提供了广泛的覆盖范围和可靠的连接。ISP通过租用PSTN的基础设施，能够迅速扩大自己的网络覆盖范围，而不必投入巨额资金建设全新的网络设施。这种合作模式不仅降低了ISP的成本，也为用户提供了更便捷的互联网接入服务。
在实际操作中，ISP主要利用PSTN的两种资源：

1. 长距离传输线路 ：PSTN的骨干网络为ISP提供了跨越城市甚至国家的高速数据传输通道。
2. 本地接入点 ：PSTN的广泛分布使得ISP能够在多个地点设立接入点，方便用户就近接入互联网。

PSTN与互联网的结合还催生了一些独特的应用模式。例如， 拨号上网 就是早期互联网接入的一种常见方式。用户通过普通的电话线和调制解调器，可以直接连接到ISP的服务器。这种方式虽然速度较慢，但在宽带技术普及之前，为大量用户提供了接触互联网的机会。
随着技术进步，PSTN与互联网的融合不断深化。 综合业务数字网(ISDN) 的引入就是一个典型案例。ISDN在原有PSTN的基础上增加了数据传输功能，实现了语音和数据的共存。这不仅提高了线路的利用率，也为互联网服务提供了更高质量的接入选项。
然而，PSTN与互联网的融合也面临着一些挑战。最主要的问题是 带宽限制 。PSTN的设计初衷是为语音通信服务，其带宽远远无法满足现代高速数据传输的需求。为此，ISP不得不寻求其他替代方案，如ADSL等技术，以突破PSTN的带宽瓶颈。
尽管如此，PSTN在互联网发展中仍然发挥着不可忽视的作用。它的广泛覆盖和成熟可靠的基础设施为互联网的快速发展提供了坚实的支撑，同时也为ISP提供了灵活的网络部署选择。这种合作关系充分体现了传统技术和新兴技术之间的互补性，展现了通信行业在技术创新和资源整合方面的智慧。

PSTN优势与局限

可靠性与覆盖范围

PSTN作为传统的公共电话网络，在通信可靠性和全球覆盖范围方面展现出独特优势。其 分布式设计 和 冗余备份机制 构建了一个高度可靠的通信平台，即使在自然灾害或人为破坏的情况下也能保持基本运行。这种固有的韧性使PSTN成为紧急情况下的首选通信工具。
同时，PSTN凭借其庞大的基础设施和长期运营经验，实现了几乎无处不在的覆盖，为全球数十亿用户提供稳定一致的服务。这种广泛的覆盖范围和高度的可靠性使PSTN在现代社会中继续发挥着不可或缺的作用，尤其是在保障公共安全和维护社会秩序方面。

带宽与资源利用

PSTN在数据传输速度和网络资源利用率方面存在明显局限性。由于原始设计主要用于语音通信，PSTN的带宽受限，数据传输速率通常不超过33.4 kbps。这种低速传输严重影响了大规模数据交换的效率，难以满足现代高速通信的需求。
此外，PSTN采用的电路交换技术导致网络资源利用率低下。一旦建立连接，整条线路就被独占，无论是否有数据传输，都造成带宽浪费。这种固定的资源分配方式在面对突发大流量时显得尤为僵化，难以灵活应对现代通信的多样化需求。

PSTN的未来发展

与新技术的融合

PSTN正积极融入新兴通信技术，以适应现代通信需求。与VoIP技术的融合提升了网络效率和灵活性，实现了语音数据的高效传输。同时，PSTN与5G网络的结合有望解决带宽限制问题，为用户提供更快、更可靠的通信服务。这种技术融合不仅延长了PSTN的生命力，还为其在物联网和智能家居领域开辟了新应用场景，展现了PSTN在未来通信生态系统中的潜在价值。

面临的挑战

PSTN在现代通信环境中面临两大主要挑战： 技术落后 和 市场需求变化 。其电路交换技术难以满足现代高速数据传输需求，且固定资源分配方式导致效率低下。同时，用户期望更多元化的通信服务，如高清视频通话和大数据传输，这是PSTN难以提供的。
为应对这些挑战，PSTN正积极探索与VoIP和5G等新兴技术的融合，以提升网络效率和灵活性。同时，引入智能化运维管理系统，通过监控和自动化技术提高网络管理效率和可靠性。这些措施旨在延长PSTN生命周期并拓展其在物联网和智能家居领域的应用前景，展现PSTN在未来通信生态系统中的潜在价值。 

结论

虽然PSTN是一种传统的通信方式，但它仍然是很多人日常通信的主要方式之一。PSTN是一种可靠、高质量和安全的通信方式，它非常适合需要保持通信稳定和安全的场景。如果您需要一种可靠的通信方式，那么PSTN是一个不错的选择。