La conmutación es el proceso mediante el cual se establece y mantiene un circuito de comunicación capaz de permitir el intercambio de información entre dos usuarios cualesquiera. Como sucede en cualquier comunicación, es necesario fijar una serie de reglas y métodos (protocolos) que gobiernen el proceso de intercambio de información, desde el preciso momento de su inicio hasta su finalización.
Para permitir que un terminal, por ejemplo un teléfono, un fax, etc., transfiera información a cualquier otro, según selección por parte del usuario que requiere establecer la comunicacíon, se necesita un sistema conmutador de algún tipo. En cuanto a las redes telefónicas se refiere, las funciones conmutadoras se realizan en las centrales telefónicas.
Las centrales telefónicas son los elementos funcionales encargados de proporcionar la selectividad necesaria para poder establecer un circuito de enlace entre dos usuarios que desean comunicarse. El objetivo básico de una central telefónica, por tanto, es establecer el enlace entre dos abonados, uno llamante y otro llamado, que requieren establecer una comunicación. La central telefónica establece la trayectoria de comunicación cada vez que se pide y la deshace cuando la trayectoria ya no se necesita. Ejecuta operaciones lógicas para establecer la vía de comunicación y determina automáticamente el cobro correspondiente por el uso del sistema.
En un conmutador o central convencional existen tres posibilidades diferentes de llamada:
En términos generales, un sistema comercial de conmutación satisface los siguientes requisitos del usuario:
En toda central telefónica se distinguen dos tipos de enlaces, los de entrada/salida de otras centrales y los internos, necesarios para unir a los abonados de la misma central. Debido a que para conseguir la máxima eficacia, el número de enlaces es inferior al de abonados, ya que no todos ellos los utilizan simultáneamente, es necesario considerar en los sistemas las llamadas "etapas de concentración y expansión", así como otras de "distribución" para el mejor aprovechamiento de los equipos de la central. La concentración, la expansión y la distribución constituyen los tres elementos funcionales principales de los conmutadores telefónicos (ver Fig. 13).
Fig 13. Elementos funcionales principales de los conmutadores telefónicos.
En las etapas de concentración se realiza la operación de búsqueda: cuando un abonado quiere efectuar una llamada hay que buscar un enlace que se encuentre disponible. El número de entradas viene determinado por el de abonados, mientras que el de salidas lo está en función del tráfico que estos originen. En las etapas de expansión se realiza la función de selección: cuando una llamada entra en la central, hay que seleccionar al abonado llamado, entre todos los pertenecientes a la central. La etapa de distribución sirve para conectar la etapa de concentración con la de expansión
Aunque las etapas de concentración y expansión son muy similares, hay que tener en cuenta que, si bien en la primera el abonado que llama puede conectarse a cualquiera de los enlaces de salida, el enlace de llegada se conecta sólo al abonado llamado.
La concentración reduce la cantidad de trayectorias de conmutación o enlaces dentro de la central y el número de troncales que conectan la central local con otras centrales, mientras que la expansión permite que todos los abonados atendidos por la central tengan acceso a las troncales de entrada y a las trayectorias de conmutación local.
La cantidad de entradas a una etapa de concentración se determina mediante el número de abonados que se conectan a la central. De igual manera, el número de salidas de la etapa de expansión es igual a la cantidad de abonados conectados que son atendidos por la central. Las salidas de la etapa de concentración son menos que las entradas. Estas salidas se conocen como troncales y están reunidas en grupos; por lo tanto, se habla de grupos de troncales. La determinación del tamaño o dimensionamiento de la cantidad de troncales por grupo es una de las tareas principales al diseñar un sistema de conmutación. La cantidad se determina en función del tráfico originado por los abonados y la proporción de llamadas.
Al dimensionar una red telefónica hay que buscar un compromiso entre el grado de calidad deseado y el costo que ello requiere; en esto influye en gran medida el tipo de central elegida, ya que, si bién pueden crecer y adaptarse a las diferentes necesidades de tráfico, por su propia arquitectura resultará que cada sistema tiene una dimensión óptima a partir de la cual la complejidad del mismo y por tanto su precio, se ven altamente afectados.
Al instalar una nueva central se debe tener en cuenta el número de grupos de troncales, calcular el número de circuitos de la red de conversación, el número de enlaces con otras centrales, etc., todo ello sobre la base del tráfico a cursar por la central, dependiendo éste en gran medida del grupo de abonados al que va a dar servicio.
Ya que el diseño de una red pretende conseguir el máximo ahorro en equipos y medios de transmisión, este debe realizarse teniendo en cuenta que el número de llamadas simultáneas es menor que el de usuarios, existiendo una probabilidad, pequeña, de que al querer establecer una comunicación el sistema esté ocupado y haya que esperar cierto tiempo hasta que ello sea posible. El conocimiento del tráfico cursado y el tiempo medio de ocupación por llamada son factores a tener en consideración para el dimensionamiento correcto de la red.
En lo que respecta a la etapa de distribución, es usual emplear un selector de grupo para conmutar de una troncal (entre las etapas de concentración y expansión) a otra y se le encuentra frecuentemente en conmutadores donde no sólo se conmutan líneas, sino también se requiere la conmutación de troncales (ver Figura 14).
Fig 14. Concepto de Selector de Grupo. La misma matriz conmuta tanto líneas como troncales.
Estas necesidades se pueden encontrar en ciudades pequeñas donde el conmutador puede llevar a cabo una doble función, tanto de conmutación de abonados como la de troncales provenientes de concentradores o de otros conmutadores locales. En particular, la central tándem es un selector sólo de grupo.
En las centrales telefónicas, el establecimiento de las trayectorias a través de la matriz de conmutación lo realiza el denominado sistema de control, el cual es un sistema que requiere conocer los puertos llamante y llamado en la matriz y ser capaz de encontrar una trayectoria libre entre ellos. Hay dos métodos para establecer una trayectoria: control progresivo y control común.
El control progresivo implica que una trayectoria de voz se forma progresivamente a través del conmutador etapa por etapa. En cada etapa se elige un grupo de trayectorias idénticas que llevan al destino final de la llamada en el conmutador. Con la acción de exploración se selecciona uno de varios circuitos que compiten, a medida que la llamada progresa. El sistema de control no tiene conocimiento previo de las condiciones que existen en la siguiente etapa o paso del establecimiento de la llamada. La llamada puede llegar a una línea bloqueada u ocupada y se debe esperar a lo largo de este extenso proceso de establecimiento antes de regresar un "tono de ocupado" o señal de congestión.
Si el sistema de control funciona directamente, como resultado de los pulsos del disco del abonado, se le llama control progresivo directo. En los sistemas más modernos de control progresivo se intercala un registro para la recepción transitoria de los dígitos marcados por el abonado. El registro recibe los dígitos marcados, los interpreta y controla las funciones del conmutador. A esto se le llama control progresivo por registro.
En el control progresivo directo, el cual funcionaba en la conmutación paso a paso (selectores tipo Strowger), la selección de una línea en particular se basaba en un proceso de selección de uno a diez. El número telefónico llamado se asociaba directamente con una trayectoria específica de la cadena de selección. Debido a que el número tenía base decimal, el avance a través del árbol de conmutación se llevaba a cabo en ramas de diez (ver Figura 15). El tiempo de conmutación estaba en secuencia directa y en sincronía con los códigos marcados por el abonado.
Fig 15. Establecimiento de trayectoria en un conmutador paso a paso con buscadores de línea, selectores y conectadores para atender 1000 líneas.
La ventaja principal del sistema de control progresivo directo es la economía, ya que la circuitería de control es mínima. Las desventajas son que el conmutador de control progresivo directo requiere cierta cantidad de estructura extra para dar la calidad satisfactoria de servicio, ya que tanto la selección como la exploración se hacen paso a paso sin saber de antemano si cierta trayectoria está ocupada. El resultado es una eficiencia más baja que en otros sistemas sobre las trayectorias de interconexión. Sin embargo, el sistema puede ser más tolerante a las sobrecargas relacionadas con la baja calidad de servicio. El control progresivo directo requiere que las líneas de abonado terminen directamente en las etapas de selectores conectadores, en correspondencia total con los números de abonado.
El denominado control progresivo por registro elimina muchas de las desventajas del control progresivo directo. Este almacena la información que llega del disco y luego hace la traducción del número (ver Figura 16).
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Fig 16. Control por registro entre centrales.
El traductor de registro (control de registro), lleva a cabo tres pasos consecutivos: 1.) recepción de información, 2.) control de señalización interna y 3.) transmisión de información. El traductor determina a partir del código de la central (los tres primeros dígitos marcados) el grupo de troncales salientes, el tipo de señales requeridas por el grupo y la cantidad de información a transmitir.
El control progresivo con registro se introdujo en 1923 en Inglaterra y el primer intento de traducción de número carecía de la capacidad de enrutamiento alterno cuando había congestionamiento. No cambiaba el enrutamiento de la llamada. A medida que evolucionó la conmutación, algunas de estas deficiencias fueron eliminadas o, al menos reducidas, al introducir más traducción o al asociar la traducción con registro tanto a las últimas etapas de conmutadores como a las primeras.
Para reducir el retardo de conmutación se puede hacer que la central arranque el establecimiento de la llamada una vez que se han recibido los tres primeros dígitos. Las traducciones iniciales y la selección de troncal pueden tener lugar durante el período en que el abonado que llama está marcando los cuatro últimos dígitos.
En lo que respecta al control común, puede decirse que es aquel que provee los medios para controlar la red de interconexión, identificando primero las terminales de entrada y de salida de la red que estén libres y estableciendo después la trayectoria entre ellas. Esto implica la realización de una prueba de ocupación de la trayectoria de voz antes de que se establezca la trayectoria. El control común puede atender a todo el conmutador o constituirse en un control separado para cada una de las partes de origen y terminal. Los sistemas de control común utilizan marcadores, los cuales son más aplicables a las redes de conmutación en malla.
La malla en una red de conmutación es la combinación de dos o más etapas de bloques de conmutación (matriz) conectados unos con otros, para manejar la cantidad de circuitos de entrada y salida que son necesarios para cumplir con los requerimientos de conmutación de trayectorias de voz en el diseño de una central dada.
La red en malla se le puede considerar bidireccional, lo que significa que la entrada se puede considerar como salida y la salida como entrada. Por lo tanto, se pueden utilizar partes de la red para fines tanto de origen como terminales. La concentración y la expansión pueden estar combinadas y, en consecuencia, el abonado tiene una sola localización en la red. Dentro de cada bloque de una red en malla, cualquier entrada se puede conectar con cualquier salida.
La diferencia fundamental entre las redes progresivas y las de malla (control común) radica en el número de trayectorias que una llamada específica "ve" hacia el interior de la red durante el establecimiento de la llamada. La red progresiva es una red de exploración-selección donde predomina el principio de árbol. Conforme la llamada progresa a través de la red, la trayectoria se construye etapa por etapa. En cada etapa se efectúa una elección de diez ramas hacia adelante. En la red de malla, hay solamente una elección de diez trayectorias cuando se le ve como un todo. Sin embargo, sobre la base de etapa por etapa, en la red de rejilla hay únicamente una elección de una trayectoria para una llamada específica en cualquier etapa intermedia. Esta trayectoria ha sido seleccionada y probada de ocupado antes de ser realmente establecida.
Los conmutadores convencionales de barras cruzadas para centros de conmutación grandes, poseen usualmente redes en malla de cuatro etapas. En los conmutadores de barras cruzadas, se considera que los circuitos que van a interconectarse están ordenados en ángulos rectos unos con otros, en líneas horizontales y verticales, las cuales representan entradas y salidas del conmutador.
En los circuitos en malla, para determinadas terminales de entrada y salida existen varios juegos de trayectorias de enlace que pueden realizar la conexión entre dichas terminales. El marcador, una vez identificados los puntos terminales, localiza una trayectoria, realiza la prueba de ocupado y, finalmente, establece el canal particular a través de la red de conmutación en malla.
El marcador trabaja siempre con uno o más registros y atiende muchas llamadas por minuto. No puede esperar la llegada, relativamente lenta, de la información que suministra una línea o troncal de entrada. Tal información, bien sean pulsos de disco o señalización de registro, se almacena en el registro y se entrega al marcador cuando se solicita. El registro puede recibir todo el número marcado y almacenarlo antes de enviarlo al marcador o tomar únicamente el código de central o el código de área más el código de central, lo cual es suficiente para identificar un grupo de troncales. El registro identificará también el lugar de la entrada de la llamada o establecerá una trayectoria de control hacia la entrada para el marcador. Mientras el registro da el número de central al marcador, el traductor proporciona al marcador información sobre el acceso al grupo troncal apropiado y sobre el tipo de señalización que se requiere en ese grupo troncal.
El control por programa almacenado (CPA – SPC/Stored Program Control), es un término que designa a los conmutadores donde el control común se lleva a cabo en gran parte o, completamente, por computadora. La parte de computadora puede estar formada por una computadora a escala completa, una microcomputadora, microprocesadores u otros circuitos lógicos electrónicos.
Las funciones de control se pueden realizar completamente mediante una computadora central, en el caso extremo de procesamiento centralizado, o en forma parcial o completa mediante procesamiento distribuido con el uso de microprocesadores. El software puede ser cableado o programable.
Los conmutadores telefónicos son candidatos lógicos para la computación digital. Un conmutador es digital por naturaleza, ya que trabaja con valores discretos. La mayoría de la circuitería de control, como el marcador, trabaja en forma binaria.
Las centrales controladas por computadora permiten ofrecer numerosos servicios nuevos, como llamadas en conferencia, marcación abreviada, rellamada en ocupado, direccionamiento de llamada y señal de la llamada que entra sobre una línea ocupada.
Hay cuatro elementos funcionales básicos en un sistema de conmutación con control por programa almacenado: 1.) La matriz de conmutación, 2.) El almacén de llamadas (memoria), 3.) El almacén de programa (memoria) y 4.) El procesador central. La matriz de conmutación puede estar formada por puntos de conexión electromecánicos, como en el conmutador de barras cruzadas. El almacén de llamadas se conoce frecuentemente como "memoria de paso" y es un almacenamiento temporal de la información de la llamada que entra, lista para su uso, por orden desde el procesador central. También contiene información sobre la disponibilidad y estado de las líneas, troncales y circuitos de servicio, así como sobre las condiciones internas del conmutador. La información acerca del estado del circuito se lleva a la memoria mediante un método de exploración. Todos los circuitos de voz se exploran para conocer su condición de libre/ocupado. La memoria de programa suministra las instrucciones básicas al controlador (procesador central). En muchas instalaciones, la traducción de la información se hace en esta memoria, como es el caso de la traducción de información de señalización de troncal.
La central con control por programa almacenado, se puede dividir en tres niveles funcionales: 1.) Red de conmutación de líneas y troncales, 2.) Equipo de entrada y salida y 3.) Equipo de control común (ver Figura 17).
Fig 17. Diagrama de bloques de una central con control por programa almacenado (CPA - SPC).
La red de control ejecuta las órdenes dadas por el procesador de control central (computadora). Estas órdenes consisten normalmente en instrucciones para "conectar" o "liberar", junto con información local acerca de las acciones a realizar en la red de conmutación.
El equipo de entrada y salida consta de un explorador de línea y un distribuidor de señal: ambos circuitos operan bajo el control del procesador central de control. El explorador y el distribuidor son responsables del concepto de "tiempo compartido" en control por programa almacenado. Este término se refiere al sistema en el que una o varias computadoras pueden controlar miles de circuitos y cada circuito se atiende en serie. El concepto en control por programa almacenado de "tiempo de retención" significa el tiempo que se emplea en atender un circuito, y "retardo" es el tiempo que cada circuito debe esperar para que se le atienda.
El explorador es un circuito de entrada que se utiliza para hacer un muestreo de los estados (libre u ocupado) de las líneas de abonado, troncales y los puntos de prueba del conmutador, para permitir el monitoreo de la operación del sistema. Por otro lado, el distribuidor de señales es un circuito de salida que dirige las señales de salida hacia varios puntos del sistema.
El equipo de control común está formado por el procesador central, el almacén de llamada y la memoria de programa. Se puede considerar que las tres unidades constituyen la computadora de control, la cual es capaz de transmitir órdenes al sistema, así como detectar señales provenientes de él.
Los sistemas con control por programa almacenado de control centralizado, tienen una interfaz humana (entrada-salida) con el control central. Esta, en muchos casos, es un teleimpresor (un teclado para emisión y una impresora para recepción), o un teclado con una unidad de despliegue visual.
Para que un abonado que llama pueda comunicarse con un abonado distante en particular, la llamada debe encaminarse a través de la red telefónica mediante la marcación de un número telefónico. Este número es el que activa el conmutador o los conmutadores en los puntos de ramificación de la red que constituyen los enlaces.
El número telefónico realiza dos operaciones importantes: 1.) Enruta la llamada; y 2.) Activa los equipos necesarios para el cargo correspondiente de la llamada. A cada abonado telefónico se le asigna un número definido, al cual le corresponde una línea de abonado en su central local.
Si el abonado desea hacer una llamada telefónica, levanta su microteléfono y espera el tono de invitación a marcar del conmutador que lo atiende; lo que indica que está listo para recibir instrucciones. Estas instrucciones son el número que el abonado marca (o las teclas que oprime), para dar al conmutador cierta información necesaria, tanto para enrutar la llamada hacia el abonado distante con quien se desea comunicar, como para establecer el costo de la misma.
El abonado debe marcar un número corto cuando llama a otros abonados dentro de su propia área de numeración y alcanza a todos los demás abonados de otras áreas marcando un número nacional, el cual se forma añadiendo un código de troncal antes del número de abonado.
El CCITT recomienda que la longitud del número para hacer llamadas internacionales no sea mayor de 12 dígitos. La longitud del número se relaciona con el número de abonado, los bloques de código reservados, la capacidad de reserva inmediata y futura, el tamaño del área de llamada y la asignación de los prefijos de troncal. También son factores a considerar los hábitos del abonado, la disponibilidad de los medios de enrutamiento, la capacidad del sistema de conmutación y el esquema de numeración existente.
La mayoría de los sistemas de conmutación actuales, presentan un límite máximo para la cantidad de abonados que se pueden atender con una unidad de conmutación. Un crecimiento mayor de esta cantidad resulta imposible o antieconómico. Una unidad de conmutación determinada es más económica cuando se opera con el número máximo de abonados para el que se diseñó. Sin embargo, por razones prácticas es necesario mantener en reserva algo de la capacidad.
En el diseño de la red de telecomunicaciones debe haber un compromiso entre economía y operatividad. La operatividad implica aspectos relacionados con la interfaz humana. El uso del teléfono por parte del abonado debe ser fácil de entender y aplicar; la numeración y la longitud uniformes de números mejoran notablemente la operatividad. En lo que respecta a la economía, una manera de disminuir los costos de conmutación es reducir el análisis del número; es decir, la cantidad de dígitos que debe analizar el conmutador para el enrutamiento y el cobro adecuados. Sin embargo, si se añade más capacidad de análisis de dígitos en cada central, se gana más libertad en la asignación de dígitos, aunque se incrementan los costos.
Cuando se trabaja con códigos de troncal, el "sentido geográfico" indica que en áreas vecinas deben asignarse dígitos que empiezan con el mismo número. Por otra parte, áreas con extensión geográfica muy grande presentan problemas para el diseño de la red y de los conmutadores, principalmente porque las áreas grandes muestran un bajo nivel de interés de comunicación entre poblados. En este caso, si el área tiene una población telefónica grande, se requiere gran cantidad de análisis de dígitos, lo que implica tiempos de marcación más largos y más retardo postmarcaje debido al análisis. Sin embargo, es más fácil hacer la asignación de números en áreas grandes.
En las áreas de numeración pequeñas, se pueden usar números de abonado cortos para aquellas con mayor interés de comunicación; para las llamadas dentro del área se requiere menor almacenamiento de dígitos y el tiempo de retención de las unidades de control del conmutador es más corto. Las áreas pequeñas ofrecen menos flexibilidad, particularmente en el futuro, cuando el crecimiento no es uniforme y las predicciones pueden ser erróneas.
La telefonía existe hace más de un siglo, y tan largo período de tiempo ha permitido el desarrollo de muy diversas técnicas de conmutación, haciendo uso en cada momento de la tecnología disponible. Desde los primeros sistemas en que se realizaba manualmente la conexión hasta los últimos sistemas digitales, hay toda una amplia y variada gama de sistemas de conmutación.
Las centrales analógicas son aquellas en las que se establecen caminos físicos directos entre la línea de un abonado y la de otro, totalmente a través de la central. Las conexiones pueden ser por contactos metálicos (conmutadores Strowger electromecánicos de paso a paso, conmutadores rotativos, conmutadores de barras cruzadas o relés de láminas) o por dispositivos analógicos de estado sólido. En general, se distinguen tres grandes familias de sistemas analógicos: los mecánicos, los electromecánicos y los electrónicos.
Los sistemas mecánicos son los más antiguos y se caracterizan porque el enlace se establece al poner en contacto físicamente los dos circuitos. Las primeras centrales telefónicas se crearon en 1878, y hacían uso de un cuadro de conmutación constituido por clavijas y conectores que se operaba manualmente; hoy en día están en desuso. El primer sistema mecánico propiamente dicho, fue ideado por Strowger en 1891 y consistía en un selector "paso a paso" que seleccionaba la salida adecuada en función del número marcado por el usuario, siendo capaz inicialmente de manejar una sola llamada.
Más modernos que los mecánicos, fueron los sistemas electromecánicos denominados rotatorios. En estos sistemas, el conmutador presentaba diez contactos colocados alrededor de un arco semicircular o banco (ver Figura 18).
Fig 18. Principio de la conmutación paso a paso con una entrada y diez salidas
Un brazo de contacto giratorio podía conectar, según se requiriera, la entrada con cualquiera de las salidas de los diez contactos del banco. La selección de una línea en particular se basaba en un proceso de selección de uno a diez. El brazo de contacto giraba por un electroimán que excitaba un mecanismo adecuado, razón por la cual recibió la denominación de conmutador electromecánico.
El brazo de contacto inicialmente giraba en un solo plano (mecanismo uniselector), y posteriormente se diseñaron mecanismos que giraban en diferentes planos o niveles, permitiendo así la selección de un mayor número de salidas y, por lo tanto, la prestación del servicio a un número cada vez mayor de usuarios (ver Figura 19).
Fig 19. Sistema selector con 10 niveles verticales que permite la conexión con un mayor número de usuarios. La parte vertical del lado izquierdo del diagrama es una vista lateral del selector, mientras que el diagrama del lado derecho muestra el nivel 5 visto desde arriba.
Otro sistema electromecánico muy difundido durante los años 60 y 70, fueron los denominados sistemas crossbar o de barras cruzadas. En ellos, también se combinó la mecánica con la electricidad, y la conexión se realiza físicamente por medio de contactos de relés –selectores de barras- con movimiento de pequeña amplitud (ver Figura 20).
Fig 20. Sistema selector de barras cruzadas o crossbar.
Con esta tecnología, podían construirse centrales de abonado de hasta 50000 líneas, aunque las más usadas fueron las de 10000 líneas, muy comunes en Venezuela (ver Figura 21). La conmutación de barras cruzadas data de 1938 y alcanzó el máximo de líneas instaladas en 1980.
Fig 21. Bastidor crossbar en una central telefónica.
La conmutación por barras cruzadas depende del funcionamiento de una matriz conmutadora. Su fundamento puede explicarse considerando que los circuitos que van a interconectarse están ordenados en ángulos rectos unos con otros, en barras horizontales y verticales. Estas barras representan entradas y salidas del conmutador. Las intersecciones entre las barras verticales y las horizontales se conocen como puntos de cruce (ver Figura 22).
Fig 22. Diagrama de una matriz de puntos de conexión (Sistema Crossbar o de Barras Cruzadas).
En la matriz del selector de barras cruzadas se aplican dos voltajes simultáneos, uno a la coordenada "X" y el otro a la coordenada "Y", consiguiéndose con ello una conexión instantánea en el punto de cruce. Al cerrarse los contactos interruptores apropiados, cualquiera de las entradas puede conectarse a cualquiera de las salidas.
Las barras horizontales y verticales que constituyen los sistemas crossbar, operan mediante bobinas de relés electromagnéticos, de forma que los contactos en un punto particular de la matriz puedan operar bajo el control de estos relés. Un relé consiste de pequeñas láminas colocadas dentro de una bobina electromagnética, cada una de las cuales puede utilizarse para conmutar un circuito eléctrico separado.
Entonces, las bobinas se distribuyen en una disposición matricial, de manera que los contactos, en cualquier relé particular de la matriz, puedan operarse bajo el control de impulsos de corriente a través de las bobinas.
El número de puntos de cruce del conmutador de matriz puede calcularse multiplicando el número de entradas por el de salidas. Si existen n entradas y m salidas, el número de puntos de cruce es n x m. Si n es mayor que m, es decir, si hay más entradas que salidas, no todas aquellas pueden conectarse a una salida diferente. Cuando todas las salidas se han ocupado, existirán aún algunas entradas sin utilizar. Por otra parte, si m es mayor que n; esto es, si existen más salidas que entradas, cuando todas las entradas estén conectadas a una salida, existirán aún algunas salidas sin utilizar. Por lo tanto, el número de conexiones simultáneas que puede realizar una matriz conmutadora viene dado por el número de entradas o salidas que sea menor.
El selector de barras cruzadas se diferencia del Strowger en su sistema de control. En el Strowger el selector forma parte del control de conmutación, ya que a medida que se van marcando los dígitos, va pasando una conexión progresivamente a través del selector hasta que el teléfono desde donde se está marcando queda físicamente en contacto con el teléfono marcado. En el selector de barras cruzadas se separa el sistema de control del de conmutación, quedando libre el control, denominado común, para manejar las instrucciones recibidas de otro teléfono.
En los sistemas crossbar, en lugar de que cada conmutador o selector posea su propio pequeño "cerebro" distribuido, existe un "cerebro" central que controla todos los conmutadores. Este cerebro central o registrador/marcador se asemeja a un ordenador; registra el número marcado, comprueba que el número que hace la llamada está autorizado para ello y examina si el llamado se encuentra ocupado.
Si el número solicitado se encuentra libre, este equipo de mando común selecciona un camino a través de la central, para interconectar las líneas solicitante y solicitada, generando instrucciones a todos los selectores para que operen de manera que las dos líneas queden conectadas. Todo esto sucede muy rápidamente, porque las llamadas no tienen que conmutarse a través de la central dígito a dígito al paso del dial del abonado. La consecuencia inmediata de la obtención de esta mayor velocidad, es la introducción de los teléfonos de teclado multifrecuencia en vez de los de disco.
Los sistemas analógicos electrónicos fueron los más recientes –surgieron en la década de los sesenta- y poseían mayor capacidad, velocidad de conmutación, flexibilidad y fiabilidad. La conexión se realizaba mediante conmutadores electrónicos dotados de un órgano central de control formado por procesadores controlados por programa almacenado (SPC); esto es, el procesamiento de las llamadas se determinaba por medio de un programa almacenado en una memoria programable.
El reemplazo de los marcadores de registro convencionales de los sistemas de barras cruzadas por lógica programable, permitió el establecimiento de las llamadas a una velocidad cuarenta veces mayor. No obstante, todas las centrales SPC de la primera generación fueron centrales con vías físicas metálicas establecidas por conmutación analógica, es decir, fundamentalmente centrales crossbar, aunque controladas por ordenadores digitales.
Por señalización se entiende el paso de información e instrucciones relacionadas con el establecimiento o supervisión de una llamada telefónica entre dos puntos determinados. En una red telefónica conmutada, la señalización transporta la inteligencia necesaria para que un abonado se comunique con cualquier otro de esa red. La señalización indica al conmutador que un abonado desea servicio, le proporciona los datos necesarios para identificar al abonado distante que se solicita y, entonces, enruta debidamente la llamada; también proporciona supervisión de la llamada a lo largo de su trayectoria. La señalización da también al abonado cierta información de estado, por ejemplo, el tono de invitación a marcar, tono de ocupado (retorno de ocupado) y timbrado. Los pulsos de medición para el cobro de la llamada se pueden considerar también como una forma de señalización.
Para comenzar una llamada, un abonado levanta el teléfono de su soporte, lo que constituye una señal para que la central se disponga a recibir la solicitud del número. En cuanto el equipo receptor adecuado se conecta a la línea, la central devuelve el tono para marcar al abonado demandante, lo que hace seguidamente este último.
En centrales antiguas, esta información pasaba a través del disco (dial) rotatorio por una serie de cierres y aperturas del circuito del propio abonado, produciéndose interrupciones del flujo de la corriente. Las centrales más modernas, según se accionan unas teclas, reciben unos tonos musicales de frecuencia audible. Entonces la central informa debidamente al abonado sobre el estado de la llamada, ya sea mediante una señal de llamada (indicando que se está llamando a la línea deseada); de línea ocupada (indicando que la línea pedida se encuentra ya ocupada con otra llamada); de saturación de los equipos (indicando una congestión en algún punto entre la central solicitada y la línea demandante) o algún otro tono especial. Estos son los tonos y señales relacionados con los abonados al teléfono propiamente dichos. Sin embargo, la señalización telefónica se refiere también a la emisión de información entre centrales. Usualmente se tienen dos tipos de clasificaciones para la señalización:
1.) General:
a.) Señalización de abonado.
b.) Señalización entre centrales.
2.) Funcional:
a.) Audiovisual.
b.) De supervisión.
c.) De destino
Entre los equipos modernos de conmutación, la información de destino se maneja mediante la señalización entre registros, y la función de supervisión a través de la señalización de línea. La información de señalización se puede transportar del abonado al conmutador o entre conmutadores, y se puede transmitir con procedimientos tales como:
Las funciones de señalización de la categoría audiovisual informan al abonado que llama acerca del progreso de su llamada. Por una parte, la función de alerta informa al abonado llamado que tiene una llamada en espera o que ha dejado "descolgado" durante mucho tiempo su auricular. Por la otra, la función de progreso informa al abonado llamante sobre el tono de marcar y el tono de ocupado al intentar efectuar una llamada.
La señalización de supervisión proporciona información acerca de la condición de la línea o circuito e indica si el circuito está en uso o no; informa al conmutador y a los circuitos troncales de interconexión acerca de las condiciones en la línea, por ejemplo, que la parte que llama ha descolgado o ha colgado y que la parte llamada ha descolgado o ha colgado.
La figura 23 presenta, de manera esquemática, la división funcional de la señalización.
Fig 23. División funcional de la señalización.
Si el auricular de un abonado está colgado, el conductor (línea de abonado) entre el abonado y su central local está abierto y no hay flujo de corriente; para la condición inversa o de descolgado, hay un paso de corriente directa en la línea y fluye la corriente. Estos términos son usados también para designar las dos condiciones de señalización en una troncal (enlace). Generalmente, si la troncal no se usa, se indica la condición de colgado hacia los dos extremos. La toma de la troncal en el extremo que llama inicia la transmisión de una señal de descolgado hacia el lado que se llama.
En toda llamada telefónica se debe mantener la información de supervisión de estado de extremo a extremo. Es necesario saber cuando el abonado levanta su teléfono para solicitar servicio. Es igualmente importante conocer cuando el abonado llamado contesta (levanta su teléfono), ya que en ese momento se inicia la medición de la llamada para establecer los cargos. También es importante saber cuando el abonado que llama y el llamado regresan sus aparatos a la condición de colgado, se detiene el cobro y las troncales que intervienen en el establecimiento de la trayectoria de voz, así como los puntos de conmutación, se liberan para que los utilice otro par de abonados. Durante el período de ocupación de la trayectoria de voz, se debe saber en cada momento que esa trayectoria en particular está ocupada, de modo que ningún otro intento de llamada pueda tomarla.
La forma más común de supervisión de troncal es la señalización E y M. Esta señalización existe únicamente en la interface entre la troncal y el conmutador. En estos sistemas el hilo E lleva la señalización hacia el equipo de conmutación, mientras que el hilo M la lleva hacia la troncal (ver Figura 24).
Fig 24. Diagrama simplificado de la señalización E y M.
La interfaz de señalización E y M tiene dos hilos entre el conmutador y lo que podría llamarse el equipo de señalización de troncal (interfaz de señalización). En la figura se observa que las señales del conmutador A y B salen de A sobre el hilo M y llegan a B sobre el hilo E. Del mismo modo, de B hacia A, la información de supervisión sale de B sobre el hilo M y llega a A sobre el hilo E.
Otro método que se usa para la señalización se supervisión en el par de troncales es el de señalización por inversión de batería. Las condiciones de colgado y descolgado se distinguen por la polaridad en el circuito, por ejemplo, dirección del flujo de corriente. En el caso de los circuitos de troncal, la polaridad se refiere a su estado de batería o de tierra.
La señalización de supervisión de troncal (o señalización de línea) por corriente directa considerada hasta ahora tiene limitaciones respecto a la distancia, ya que no se puede usar directamente en los sistemas de portadora y, en los pares metálicos; está limitada por la caída IR en las líneas. En las troncales que sobrepasan las posibilidades de la señalización por corriente directa, se puede usar señalización por corriente alterna.
Los sistemas de señalización por corriente alterna se dividen tradicionalmente en tres categorías: sistemas de baja frecuencia, dentro de banda y fuera de banda. Un sistema se señalización por corriente alterna que opera debajo de los límites del canal convencional de voz (es decir, < 300 Hz), se denomina de baja frecuencia. Los sistemas de señalización de baja frecuencia son sistemas de una sola frecuencia, comúnmente 50, 80, 135 ó 200 Hz. Es imposible operar tales sistemas en canales manejados por portadora, debido a que se introduce distorsión excesiva y limitaciones en la banda; por lo tanto, la señalización de baja frecuencia se limita a los sistemas de transmisión por par metálico. Aún en tales sistemas, la distorsión acumulada limita la longitud del circuito. Se pueden usar dos repetidores como máximo y dependiendo del tipo de circuito (línea abierta, cable aéreo o subterráneo) y del calibre del alambre, se establece como regla la distancia límite de 80 a 100 Km.
La señalización dentro de banda se refiere a los sistemas de señalización que usan un tono o tonos audibles dentro del canal convencional de voz para transportar la información de señalización. La señalización dentro de banda se divide en tres categorías: 1.) De una sola frecuencia (FU o frecuencia única), 2.) De dos frecuencias (2FV), y 3.) Multifrecuencia (MF). En la señalización dentro de banda,, la señalización se lleva directamente sobre el canal de voz (300 a 3400 Hz). Los sistemas FU y 2FV utilizan la parte de 2000 a 3000 Hz, que es donde se concentra menos energía de habla. La señalización por frecuencia única se usa casi exclusivamente para supervisión y la más usada es la de 2600 Hz (ver Figura 25).
Fig 25. Señalización a frecuencia única dentro de banda.
Sobre troncales a dos hilos se utilizan 2600 Hz en un sentido y 2400 en el otro. La señalización por dos frecuencias se usa tanto para señalización de supervisión (señalización de línea) como de destino. Los sistemas de señalización de supervisión por FU y 2FV se asocian frecuentemente con la operación de portadora (multiplexión FDM).
Cuando se trata con señalización de línea (supervisión), el término "libre" se refiere a la condición de colgado y "ocupado" a la condición de descolgado. Por lo tanto, para tales tipos de señalización de línea controlados por tonos audibles, se tienen las condiciones "tono en libre" y "no tono en ocupado". Esto es válido tanto para los métodos de señalización dentro de banda, como para los fuera de banda. Sin embargo, para la señalización dentro de banda, la supervisión es necesaria sólo cuando la llamada está en proceso de establecimiento y cuando está en proceso de desconexión o se termina (se cuelga).
En la señalización fuera de banda, la información de supervisión se transmite fuera de la banda vocal (por ejemplo, > 3400 Hz). En todos los casos, es un sistema de señalización de frecuencia única. Algunos sistemas fuera de banda usan "tono en libre" para indicar la condición de colgado mientras que otros usan "no tono". La ventaja de la señalización fuera de banda radica en que se puede usar cualquiera de los dos sistemas, tono o no tono en libre. La frecuencia fuera de banda que recomienda el CCITT es la de 3825 Hz mientras que en Estados Unidos se usa generalmente la de 3700 Hz (ver Figura 26).
Fig 26. Señalización a frecuencia única fuera de banda.
La señalización fuera de banda se usa exclusivamente en los sistemas de portadora, nunca en troncales físicas. En el lado físico, interior de la central, se utiliza señalización E y M sobre un sistema de portadora. La señalización fuera de banda permite una supervisión continua durante toda la conversación telefónica, ya sea con tono o no tono.
La señalización de destino se origina en los dígitos que marca un abonado que llama, los cuales acepta su central local, y con esa información dirige la llamada telefónica hacia el abonado distante deseado. Si en el establecimiento de una llamada interviene más de un conmutador, se requiere señalización entre ellos, tanto de destino como de supervisión. En los sistemas convencionales la señalización de destino entre conmutadores se denomina señalización de registro.
La señalización por dos frecuencias (2FV) se usa comúnmente como un modo de señalización de registro que emplea la banda de voz para transmitir información. También se puede usar para la señalización de línea (supervisión entre conmutadores). Existen varios métodos para utilizar dos frecuencias de voz en la transmisión de información de señalización, por ejemplo, en el código CCITT N° 4, tanto la señalización de registro como la de línea utilizan la técnica 2FV; en este caso, la señalización de registro es del tipo pulsado y la señalización de línea utiliza la combinación de dos frecuencias y la duración de la señal para transportar la información de supervisión necesaria.
Actualmente, la señalización por multifrecuencia (MF) se usa ampliamente en la señalización de registro. Este es un método dentro de banda que utiliza tonos de cinco o seis frecuencias, dos cada vez. La señalización por multifrecuencia trabaja igualmente bien sobre los sistemas de par metálico y sobre los de portadora (FDM).
Un sistema de señalización por MF muy usado en los últimos años es el denominado R2, catalogado por el CCITT (Rec. Q.361) como un código europeo para señalización regional. Si se aprovechan por completo combinaciones de dos de seis tonos de frecuencia, se dispone de 15 posibles pares de frecuencias. Hay dos versiones del sistema de señalización de línea R2: una que se usa en las centrales analógicas y otra que se usa en las redes digitales. La versión analógica es un sistema fuera de banda con tono en libre. Para el código aprovecha una secuencia de señales que tiene seis condiciones características de operación: libre, toma, respuesta, liberación hacia atrás, hacia adelante y bloqueo.
El R2 es un ejemplo de lo que se conoce como sistema de señalización totalmente a secuencia obligada, el cual consiste en el envío de una señal (hacia adelante) y la recepción de una confirmación (hacia atrás), a fin de lograr total seguridad. En este tipo de señalización, cada señal se envía en continuidad hasta que se recibe un reconocimiento, por lo que la duración de la señal no es significativa, a diferencia de otros sistemas, conocidos como de señalización sin secuencia obligada, en donde la duración del elemento de señal es un factor importante.
En la señalización a secuencia obligada completa hay un pequeño solapamiento de señales, lo que ocasiona que la señal de reconocimiento (hacia atrás - "procédase a transmitir") se inicie un tiempo fijo después de recibir la señal hacia adelante (establecimiento de llamada); esto se debe a que hay un tiempo mínimo para el reconocimiento de la señal entrante. Después de la señal inicial hacia adelante, las demás señales hacia adelante se retardan ese corto tiempo de reconocimiento o identificación, el cual normalmente es menor a 80 mseg.
La ventaja de la señalización a secuencia obligada completa consiste en que los receptores de señalización no necesitan medir la duración de cada señal, lo que hace al equipo de señalización más simple y económico. Este tipo de señalización se adapta automáticamente a la velocidad de transmisión, a los circuitos largos y cortos, a los pares metálicos o a portadora y, por su diseño, tolera pequeñas interrupciones en la trayectoria de transmisión. El principal inconveniente de esta señalización es su baja velocidad inherente, por lo que requiere más tiempo para el establecimiento.
Los sistemas de señalización considerados hasta ahora presentan una serie de limitaciones:
Hasta recientemente, todas las señalizaciones se conducían (o estaban asociadas directamente) por el mismo camino sónico previsto para el establecimiento o supervisión de la propia llamada. Todos los sistemas considerados hasta ahora eran sistemas por canal asociado, es decir, que cada canal transportaba su propia señalización, tanto de supervisión (línea) como de registro. La señalización se asociaba al canal, ya sea dentro de banda o fuera de ella, por pulsos, por MF o por pulsos MF.
Sin embargo, la utilización creciente de centrales gobernadas por procesador (SPC) ha conducido a la introducción de un concepto de la señalización totalmente diferente. En lugar de ejecutarla por el canal de la voz que lleva la conversación, o de forma asociada directamente al mismo, la tendencia actual es que la señalización se concentre en rápidos circuitos de datos entre los procesadores de las centrales SPC correspondientes, dejando los circuitos de la voz para transmitir exclusivamente las señales vocales. La señalización para varios centenares de circuitos de larga distancia puede realizarse mediante un sistema único de datos rápidos, lo que produce una economía sustancial.
En esta señalización por canal común, se separa la señalización de la trayectoria de voz asociada mediante la colocación de la señalización de un grupo (o de varios grupos) de troncales de voz en una trayectoria separada y que se dedica exclusivamente a señalización. La información de señalización se transmite por medio de datos binarios en serie. La señalización por canal común sólo es posible entre centrales controladas por procesador (centrales controladas por programa almacenado).
Las ventajas de la señalización por canal común se hacen evidentes entre los procesadores de las centrales. En la red telefónica, la señalización de línea y de registro son esencialmente digitales, por lo que no se justifica traducirlas a un complejo modo analógico en lugar de dejarlas en su forma digital. Sin embargo, la información digital entre procesadores se tiene que acondicionar para los canales analógicos de voz, lo que se hace mediante módems de datos.
II.- Principios
Generales de Digitalización de Redes de Telecomunicaciones.