Carlos Roberto dos Santos
(2º semestre de 2008) Estágio de Assinantes Seletor de Grupo Multiplexador de Assinantes Estágio Remoto de Assinantes WLL (RLL) Central LocalCAPÍTULO I
INTRODUÇÃO À REDE TELEFÔNICA 1.1 - INTRODUÇÃO
Uma das estruturas de comunicações mais complexas e de maior capilaridade, a rede telefônica evoluiu a partir do serviço telefônico básico para um portifólio de serviços denso e variado. A rede telefônica é composta pela rede longa distância, que inclui as centrais interurbanas e internacionais e os respectivos entroncamentos; a rede local, contendo as centrais e entroncamento em área urbana e o enlace de assinante, constituído pelos terminais e linhas de assinante.
Os assinantes de uma operadora telefônica demandam diferentes serviços, que podem incluir: (Alencar 1998) • Transmissão de dados; • Telefonia; • Telex; • Comunicações móveis; • Acesso à Internet; • Transmissão de vídeo.
Para a provisão desses serviços, a operadora usualmente estrutura seu sistema em termos de diferentes redes de comunicações, com características que otimizam o fornecimento de um determinado serviço. Como exemplos podemos citar:
• Rede telefônica pública comutada (RTPC); • Rede pública comutada telegráfica (Telex); • Redes privadas;
• Sistema móvel celular (SMC);
• Rede pública de transmissão de dados; • Provedores de serviço Internet.
As rede telefônicas podem ser classificadas, quanto à hierarquia, em redes interurbanas e redes locais. As redes locais se dividem em redes de assinantes (que ligam os assinantes às estações telefônicas) e redes de entroncamentos (que interligam as estações locais). Por fim, as redes de assinantes podem ser classificadas em redes de alimentação (primárias), redes de distribuição (secundárias) e redes internas (terciárias).
CE NT R A L LOC A L PO NT O D E D IS T RIBU IÇ Ã O DE Á R EA PO NT O D E D IS T RI BU IÇ ÃO LOC A L PO N T O DE D IS T RI BU IÇ ÃO CA BO CA BO C A B O
A rede anterior contém o enlace do assinante que é constituído pelos terminais e linhas de assinante. Na figura, um cabo com vários pares de fio chega até o ponto de distribuição de área, normalmente um armário de distribuição. A partir daí, outros cabos com uma quantidade menor de pares de fio, chegam até o ponto de distribuição local, denominado de caixa de distribuição. Destas caixas, partem os pares telefônicos individuais de cada assinante.
A fim de permitir flexibilidade de conexão entre os pares de fios no cabo e o equipamento de comutação na central telefônica, é introduzido um quadro de distribuição central, que basicamente é constituído por dois “racks”, como ilustra a figura 1.2. Em um dos “racks”, um conjunto de terminações provê conexão permanente para os pares individuais que deixam a central através do cabo. O outro “rack” provê a terminação e conexão para a unidade de terminação de linha de assinante (SLTU) no interior da central. Entre os dois “racks” estão os fios de “jumpers” que podem ser mudados facilmente e portanto permitir que qualquer circuito possa ser conectado a qualquer SLTU. Cada par de fio é identificado por um número. Da mesma forma, cada SLTU também é identificado por um número permanente. A tradução entre o número do SLTU e o número do assinante, localizado em um diretório, é feita pelo sistema de controle. O relacionamento entre os dois números em uma central CPA está armazenado em uma memória. Assim fica fácil, por exemplo, manter o mesmo número de um determinado assinante, mesmo que ele mude de região, isto é, troque de par de fio.
Fig. 1.2 – Quadro de distribuição principal
Equipamento
de Comutação
Cabo
Jumpers Pares de Fios Conexões PermanentesA figura 1.3 mostra a estrutura topológica da rede telefônica, com os diferentes tipos de centrais telefônicas.
Fig. 1.3 – Estrutura topológica da rede telefônica 1.2 – A CENTRAL TELEFÔNICA
A central telefônica, apesar de ser a entidade menos visível da rede, do ponto de vista do usuário, representa seu subsistema mais importante. As centrais telefônicas podem ser classificadas quanto à sua capacidade final de terminais, à aplicação, função na rede telefônica e tecnologia de comutação.
Quanto à capacidade final de terminais as centrais se classificam em: ¾ Central simplificada: Capacidade final até 1.000 terminais; ¾ Central de pequeno porte: Capacidade final até 4.000 terminais; ¾ Central de médio porte: Capacidade final até 10.000 terminais;
¾ Central de grande porte: Capacidade final superior a 10.000 terminais.
Entroncamento IU Entroncamento Terminal IU Linha de Assinante Terminal de Assinante Central Tandem Central Trânsito IU Central Local
Quanto à aplicação, as centrais telefônicas podem ser classificadas em:
¾ Central Privada: Utilizada nas indústrias, empresas e outros setores nos quais o volume de tráfego imponha. Os aparelhos conectados a essa central são chamados ramais, equanto os enlaces com a central local são chamados troncos;
¾ Central Pública: Responsável pelo tratamento de todo serviço básico de telefonia. Possibilita, quando solicitado, o acesso a outros tipos de serviços do tipo especiais ou suplementares
Quanto a tecnologia de comutação, as centrais se classificam em:
¾ Centrais analógicas ou espaciais (CPA-E): Centrais cuja estrutura de áudio interna é analógica. Nestas centrais, as matrizes de comutação são analógicas;
¾ Centrais digitais ou temporais (CPA-T): Centrais cuja estrutura de áudio interna é digital, isto é, as matrizes de comutação são digitais. Nestas centrais, a conversão analógica para digital é realizada a nível de interface de assinantes.
Quanto à função na rede telefônica, as centrais são classificadas em:
¾ Central Local: Central que processa chamadas originadas e terminadas em terminais telefônicos a ela conectados;
¾ Central de Trânsito: Central que processa chamadas entre centrais telefônicas.
¾ Central Tandem: Central que apresenta, além da função de uma central local, a função de uma central trânsito.
Os níveis hierárquicos entre as centrais da Rede de Telefonia Pública Comutada (RTPC) são chamados de classes. Assim, as centrais trânsito podem ser classificadas em:
¾ Central Trânsito Internacional: Central trânsito cuja única função é encaminhar chamadas internacionais;
¾ Central Trânsito Classe I: Central Trânsito interurbana que se interliga com, pelo menos, uma central de trânsito internacional através de rota final. Isto implica que a mesma pertence ao nível hierárquico mais elevado da Rede Nacional de Telefonia; ¾ Central Trânsito Classe II: Central Trânsito interurbana que se interliga com uma
central de trânsito classe I através de rota final para o tráfego internacional;
¾ Central Trânsito Classe III: Central Trânsito interurbana que se interliga com uma central de trânsito classe II através de rota final para o tráfego internacional;
¾ Central Trânsito Classe IV: Central Trânsito interurbana que se interliga com uma central de trânsito classe III através de rota final para o tráfego internacional;
Obs.: Rota final é uma rota dimensionada com baixa probabilidade de perda, não permitindo a existência de rotas alternativas.
A figura 1.4 ilustra as classes de centrais interurbanas existentes.
Fig. 1.4 – Classes de Centrais Interurbanas
Como opção de atender localidades remotas, diminuindo consideravelmente o número de pares de fio, tem-se os chamados concentradores, como ilustra a figura 1.5 a seguir.
Fig. 1.5 – Concentrador na rede telefônica
Um concentrador conecta a um enlace PCM um número de unidades de linhas de assinantes maior do que o número de janelas de tempo (time slots) do enlace. Os concentradores podem ser controlados pelo processador da central principal, por meios de sinais enviados no próprio enlace PCM (por exemplo, na janela 16 do sistema de 30 canais) ou ter o seu próprio processador provendo algumas facilidades, como por exemplo, comutação nas ligações entre seus próprios assinantes. Note que neste caso, mesmo que haja uma falha no enlace PCM entre o concentrador e a central principal, as ligações entre assinantes do concentrador permanecem ativas.
Trânsito Classe III
Central Local Trânsito Classe IV Trânsito Internacional Trânsito Classe II Trânsito Classe I IV III
CENTRAL C1 C1 C1 I II
1.3 – NECESSIDADE DA CENTRAL DE COMUTAÇÃO
Na verdade o invento de Grahan Bell permitia apenas que duas pessoas se comunicassem a distância. Evidentemente a necessidade de comunicação da sociedade era muito mais ampla. Falar ao telefone de uma ponta de mesa à outra era uma coisa. Porém, fazer vários usuários falarem entre si, de pontos distantes, mesmo na mesma localidade, apresentava sérios problemas. Como exemplo, vamos supor que seis usuários em uma determinada localidade quisessem se interligar, como mostra a figura 1.6. Percebe-se que os usuários sendo ligados uns aos outros, vão precisar de 15 pares de fios.
Fig. 1.6 – Comutação descentralizada
Para 06 assinantes, são necessários 15 pares de fios, como ilustra a figura anterior. No caso de termos n assinantes, vamos precisar de N pares de fios, dado pela “combinação de n elementos dois a dois”. Assim, o nº de pares de fios (N) é: N = n n( −1)
2 , onde n representa o
nº de assinantes. Assim para 100 assinantes teríamos 4.950 pares, e para 10.000 assinantes, 49.995.000 linhas telefônicas.
Surgiu a idéia de, em vez de se comutar o telefone no assinante, se comutassem todos os assinantes centralizadamente, como ilustra a figura 1.7. Como cada assinante ocupa temporariamente seu telefone, a comutação centralizada os interliga apenas pelo tempo necessário. Agora, cada assinante corresponde a um par de fios, o que diminui a rede externa.
O ponto central onde se dava a comutação e para qual se convergiam os pares de fios, ficou conhecido como central telefônica e os pares de fios, como linhas de assinante.
1
2
6
5
3
4
Fig. 1.7 – Comutação centralizada
Onde deve ser situada a central? Uma vez conhecidas as localizações dos assinantes, deve-se encontrar um ponto para o qual a soma dos comprimentos das suas linhas seja mínima. Este ponto é denominado de “centro de fios” onde, se possível, deve ser situada a central telefônica, ou próxima dele.
1.4 - EVOLUÇÃO DAS CENTRAIS
Até por volta de 1891, a comutação (conexão entre assinantes) era realizada somente com o auxílio de uma pessoa (telefonista), através de uma mesa operadora, quando o sistema começou a ser automatizado. A automatização iniciou-se pelas funções da telefonista, como identificar que o assinante A tirou o fone do gancho, identificar o assinante B mediante o número fornecido pelo assinante A, chamar o assinante B, após o atendimento de B, conectá-lo (comutar) ao assinante A, iniciar tarifação, etc.
Pelo exposto anteriormente, pode-se concluir que neste sistema temos dois elementos básicos:
• Mesa Operadora: função de comutação física;
• Telefonista: Função de controle e inteligência.
Apesar de totalmente automatizada, toda central telefônica pode ser dividida em dois sistemas, como ilustra a figura 1.8.
• Sistema de Comutação : é o que efetivamente realiza as conexões, através de relés ou
circuitos de comutação digitais. Além disto é responsável pela sinalização entre centrais e entre assinantes e centrais.
• Sistema de Controle : Executa a parte inteligente da comutação telefônica, isto é, controla
3
5
6
1
2
4
o sistema de comutação para que realize as conexões corretamente e envie as sinalizações correspondentes.
Fig. 1.8 – Sistemas básicos de uma central telefônica
Estes dois sistemas são ainda subdivididos em subsistemas, e estes são independentes, podendo ser ampliados, atualizados e, até mesmo dispensáveis.
O crescimento do tráfego, tanto urbano quanto interurbano, determinou a modernização e proliferação das mesas telefônicas. Em 1891 foi desenvolvida a primeira chave seletora automática. Era a primeira chave central telefônica automática, denominada central “passo a passo”. Este sistema utilizava seletores que eram acionados pelos pulsos de corrente gerados pelos discos dos telefones para realizar a comutação entre os terminais.
Na década de 20 foram desenvolvidos os sistemas rotativos, que predominaram nas décadas de 1920-1950 e foram suplantadas pelos sistemas Crossbar.
Os sistemas Crossbar receberam esta denominação devido às características de construção dos seletores. Estes eram denominados seletores crossbar ou barras cruzadas e eram compostos por barras dispostas ortogonalmente de forma que, ao serem acionadas, fechavam contatos elétricos nos pontos de cruzamento. Estes sistemas predominaram até o aparecimento das centrais controladas por programa armazenado (CPA), na década de 70.
Com a evolução dos computadores nas décadas de 50 e 60, surgiu a idéia de se utilizar processadores para executar as tarefas de controle implementadas nas centrais telefônicas. A utilização de processadores permitia um grande avanço para as centrais, uma vez que introduzia um novo elemento que tornava as centrais mais flexíveis, pois permitia a realização de análises lógicas e disponibilizava um maior número de informações ao operador. Este novo elemento é o software, que passa a fazer parte das centrais telefônicas que, por este motivo, são ditas controladas por programa armazenado.
As primeiras centrais CPA eram chamadas analógicas, uma vez que toda informação de áudio (voz) que trafegava pela central era analógica. Depois surgiram as centrais CPA
Outras Centrais I/O
Assinantes SISTEMA DE COMUTAÇÃO SISTEMA DE CONTROLE
digitais, nas quais as informações de áudio que trafegam na central são digitais.
Atualmente, várias tecnologias são utilizadas com o objetivo de atender às demandas de comunicação existentes. Entre estas tecnologias, podemos citar os comutadores de pacotes para comutação de dados e os comutadores ATM, capazes de comutar dados e voz a elevadas taxas de transmissão.
Podemos então definir como Central Automática como sendo um conjunto de órgãos capazes de interpretar os algarismos enviados pelo disco/teclado e estabelecer a ligação entre dois assinantes na rede. As centrais automáticas substituem com vantagens as manuais no que diz respeito a sigilo, velocidade em estabelecer ligações, menor despesa de operação, etc.
1.5 - REQUISITOS DAS CENTRAIS
Para que uma central telefônica possa ser integrada à Rede Nacional de Telefonia (RNT), é necessário que a mesma disponibilize interfaces padrões tanto para o acesso de assinantes como para interligação de com outras centrais. Além de apresentar interfaces padronizadas, para operar na rede de telefonia a central deve ser capaz de executar algumas funções ou tarefas. Estas funções são os requisitos mínimos necessários ao funcionamento de uma central de acordo com o especificado nas práticas Telebrás em vigência no país. As principais tarefas especificadas para uma central são:
• Função de comutação;
• Função de tratamento de terminais;
• Função de sinalização;
• Função de tarifação;
• Função de encaminhamento;
• Função de sincronismo;
• Função de operação e manutenção;
• Função de supervisão.
1.6 – DIGITALIZAÇÃO DA REDE TELEFÔNICA
Inicialmente o sistema telefônico era completamente analógico, isto é, o sinal gerado pelo terminal telefônico era analógico, a comutação na central era analógica e a transmissão também era analógica, como mostra a figura 1.9a. Basicamente tinha-se multiplexação por divisão de espaço (SDM) e por divisão de freqüência (FDM). A digitalização do sistema telefônico começou pela transmissão, isto é, na interconexão entre centrais, como mostra a figura 1.9b, que possibilitou a multiplexação por divisão de tempo (TDM) e a modulação por código de pulso (PCM). Assim, havia a necessidade de conversores A/D e D/A nos pontos de
conexão com o sistema de transmissão.
A figura 1.9c ilustra que o próximo passo foi digitalizar as centrais, ou seja, a matriz de comutação passou a ser digital. Neste caso, a parte analógica se restringia ao sinal proveniente do terminal. Esta última configuração é a que predomina hoje a nível de Brasil e do mundo. A última figura, ou seja, a 1.9d mostra a configuração utilizada na Rede Digital de Serviços Integrados – Faixa Estreita (RDSI-FE), onde a informação é digital de um extremo a outro. Neste caso, os terminais RDSI geram a informação já na forma digital. O objetivo da RDSI-FE é suportar os diversos serviços, voz dados e imagem, em uma única rede, utilizando ainda o par de fios do assinante da rede telefônica. Isto já é realidade nos países mais desenvolvidos. O assunto sobre RDSI será estudado em um capítulo posterior.
Figura 1.9 – Penetração da tecnologia digital nas rede telefônica
1.7 – CENTRAL CPA – CONTROLE POR PROGRAMA ARMAZENADA
Neste tipo de central, o sistema de controle é baseado em um programa armazenado em uma memória. Atualmente nestas centrais, o sistema de controle é baseado em processadores. A figura 1.10 ilustra o diagrama em blocos de uma central CPA genérica. É importante salientar que a figura mostra os elementos funcionais de uma central, sem necessariamente que as unidades físicas (subsistemas) tenham que existir em um sistema de um fabricante em particular. Existem vários fabricantes de centrais, cada um com uma arquitetura distinta, o que resulta em diferentes alocações dos elementos funcionais dos
A/D D/A A/D D/A
A/D A/D (1.9a) (1.9b) (1.9c) (1.9d) Central Transmissão
subsistemas. Porém, a figura 1.10 possui uma correlação muito próxima entre os seus elementos funcionais com os da maioria das centrais disponíveis.
Fig. 1.10 – Diagrama em blocos de uma central CPA
Na figura anterior percebe-se que a central CPA consiste de dois sistemas: controle e comutação. O sistema de comutação é composto por dois tipos de unidades: Uma ou mais Unidades de Concentração de Assinantes (SCU) e uma Unidade de Seletor de Grupo (GSU).
1.7.1 – DESCRIÇÃO DOS BLOCOS FUNCIONAIS
• SCU – (Subscriber Concentrator Unit): esta unidade possui funções de terminação de
linha, sinalização, equipamento de controle e poderá também possuir função de comutação. Algumas unidades poderão ser remotas à unidade de seletor de grupo, também com função de comutação local. No caso desta unidade possuir comutação local, as ligações locais não chegam até a unidade de seletor de grupo (GSU). Portanto a SCU é utilizada em chamadas locais, chamadas geradas (desta central para outra) e chamadas terminadas (de outra central para esta). Não é utilizada em chamadas trânsito.
As centrais digitais comerciais utilizam uma variedade de arquiteturas de comutação. A figura 1.10 ilustra os vários componentes funcionais básicos. Na prática, as funções são realizadas por uma variedade de unidades físicas, de acordo com a arquitetura utilizada. A figura 1.11 ilustra algumas possibilidades de arquitetura de comutação para central local. Na figura 1.11a, a central é dividida em um número similar de unidades de assinantes, uma unidade de comutação e uma de sinalização. Na figura 1.11b, as unidades de assinantes
Troncos Digitais M U X SLTU
SLTU
SINALIZA_ ÇÃO MF GERADOR DE TONS CONCEN-TRADOR DE ASSI-NANTES (MATRIZ DE CON- CENTRA-ÇÃO) SINALIZA_ ÇÃO MF UNIDADE DE TER-MINAÇÃO ANALÓGICA CAS CCS SELE-TOR DE GRUPO (MATRIZ) DE COMU-TAÇÃO SISTEMA DE CONTROLE CONTROLADOR DE LINHA DE ASSINANTE Sinais Analógicos Sinais Digitais Sinais de Controle
SLTU-> Unidade de Terminação de Linha de Assinante CAS -> Sinalização Associada a Canal
CCS -> Sinalização por Canal Comum
Troncos Analó-gicos
Unidade de Concentração de Assinantes - SCU Unidade de Seletor de Grupo GSU
possuem também função de comutação e poderão comutar chamadas entre seus assinantes, sem passar pelo comutador central. Este só será utilizado se a chamada for entre assinantes de unidades diferentes ou para outra central.
Fig. 1.11 – Arquiteturas de comutação
A figura 1.11c ilustra uma arquitetura altamente concentradora, incorporando concentração e comutação.
• GSU – (Group Switch Unit): É normalmente composto de vários estágios de comutação,
provendo também interconectividade entre SCU e troncos externos. Assim, esta unidade é utilizada em chamadas geradas, chamadas terminadas e chamadas trânsito. Não é utilizada em chamadas locais.
• Seletor de Grupo (Matriz de Comutação): Onde efetivamente se dá a comutação. Nas
centrais CPA-T este bloco é implementado com tecnologia digital, e opera com
SIG
Trunk
route Trunkroute
SIG (1.11b (1.11c) (1.11a) SIG Trunk route Legenda Função de Concentração Função de Comutação Unidade de Terminação de Linha de Assinante Unidade de Terminação de Linha Tronco
multiplexação por divisão de tempo. Assim, qualquer terminação de linha na central deverá ser convertido em um sinal digital. Possibilita a interconexão (comutação) entre linhas de assinantes, linha de assinante com troncos, entre troncos, e troncos com receptor/transmissor de sinalização MF e com sinalizações associada a canal (CAS) e canal comum (CCS).
• Unidade de Terminação de Tronco Analógico: Permite interconectar centrais digitais e
analógicas, convertendo o sinal de saída em analógico e os sinais de entrada em digitais, formatando-os em PCM 30 ou PCM 24.
• SLTU – (Subscriber Line Termination Lines): Possui as funções de fornecer alimentação
para o terminal telefônico, detecção de fone fora do gancho, detecção de pulsos de aparelho decádico, alimentação da corrente de campainha, proteção contra sobre tensão na linha, conversão da linha analógica do assinante de dois para quatro fios para o sistema de comutação digital, junto com o controlador de linha de assinante, converte o sinal decádico em dígitos.
• Controlador de Linha de Assinantes: Provê a interface entre o SLTU e o sistema de
controle.
• Gerador de Tons: Gera os diversos sinais acústicos entre central e terminal.
• Matriz de Concentração: Permite que os muitos assinantes acessem os poucos canais.
Junto com o Mux, converte os sinais provenientes do SLTU em formato digital PCM para o seletor de grupo. Possibilita a conexão de linha de assinante com o receptor de sinalização MF e com o gerador de Tons.
• Sinalização MF (Multifreqüêncial): No bloco SCU, é responsável por receber os sinais
multifreqüênciais proveniente da linha de assinante; no bloco GSU, é responsável por receber e enviar os sinais multifreqüênciais de/para outras centrais.
• I/O – (Input/Output): Este bloco de entrada e saída é que possibilita a comunicação com o mundo exterior, como por exemplo entre a central e o centro de administração, operação e manutenção, que pode ser local ou remoto. Através deste bloco, pode-se conectar terminais de programação, para programar a central, terminais de vídeo e impressora para geração de relatórios e alarmes.
• Sistema de Controle: Comanda todas as operações em uma central CPA. O controle pode
ser centralizado, descentralizado ou misto.
¾ Centralizado: neste caso todo o comando está a cargo de um processador central, que normalmente é duplicado por razões de segurança.
¾ Descentralizado: cada subsistema que compõe a central é controlado por um processador independente, que normalmente estão conectados em rede local na central. No caso de falha de um dos processadores, um outro pode assumir a função.
¾ Misto: os vários subsistemas são controlados por processadores regionais (RP) que
reportam e recebem comandos de um processador central.
A figura 1.12 mostra as arquiteturas dos sistemas de controle. A figura 1.12a ilustra o tipo de controle misto enquanto a figura 1.12b mostra o controle distribuído. No caso deste último, a comunicação entre os vários processadores é feita utilizando tecnologia de rede local (LAN).
Fig. 1.12 – Arquiteturas de controle
PROCESSADOR CENTRAL
RP
RP
RP
RP
RP
SELETOR
DE GRUPO
CONCEN-TRADOR
SIG
ST
TRUNKTERM.ST
TRUNKTERM.SELE-TOR DE
GRUPO
COM-
CEN-TRADOR
PROCES-SADOR
PROCES-SADOR
PROCES-SADOR
PROCES-SADOR
PROCES-SADOR
SIG
(12b) ( 12.a)Na figura 1.12 aplica-se a seguinte legenda:
• ST – (Subscriber Termination) – Terminação de assinante
• Trunk Term. – (Trunk Termination) – Terminação de Tronco
• RP – (Regional Processor) – Processador Regional
• SIG – (Signaling) - Sinalização
Finalmente, a figura 1.13 mostra os principais eventos envolvidos, externos e internos à central, em uma chamada local.
Fig. 1.13- Ciclo de vida de uma chamada local
CENTRAL
Assinante A ou Chamador Assinante B ou Chamado
Identificando o assinante A
memória alocada para dígitos e conexão de órgãos comuns Análide de dígitos e busca de circuitos de saída Desconecta corrente de campainha e tom de chamada Supervisão da chamada Comutação efetuada Equipamentos desconectados Sinal indicando fone
fora do gancho
Tom de discar
Dígitos do assinante B
Tom de chamada Corrente de campainha
Sinal de atendimento
Conversação Conversação
Sinal indicando fone no gancho
Sinal para trás indicando fone no gancho
CAPÍTULO II
COMUTAÇÃO TELEFÔNICA 2.1 - TIPOS DE COMUTADORES
Os comutadores existentes podem ser classificados, de acordo com o tipo de comutação que realizam, em comutadores de circuitos, comutadores de mensagem e comutadores de pacotes.
2.1.1 - COMUTADORES DE CIRCUITO
Os comutadores de circuitos são aqueles nos quais o caminho estabelecido entre dois pontos durante uma chamada permanece dedicado ao transporte das informações até o final da comunicação. Em uma outra chamada envolvendo os mesmos dois pontos anteriores, não significa, necessariamente, que o caminho estabelecido seja o mesmo de antes. Nesta técnica, que é utilizada em telefonia, cada nó da rede é provido de comutadores que estabelece um circuito entre o assinante chamado e o assinante chamador, como ilustra a figura 2.1. Observa-se que a conexão de assinantes pode ser realizada por uma série de comutadores que provê uma conexão física temporária para a realização da comunicação. Para enlaces de longa distância, os sinais não são transmitidos, necessariamente, em uma linha física, mas para o usuário parece ser uma simples comutação de linhas, isto é, o circuito comporta-se como se fosse ponto a ponto.
Fig. 2.1 - Princípio de uma Rede de comutação de Circuito
Pelo apresentado anteriormente, verifica-se que a comunicação via comutação de circuitos envolve três fases:
ASSINANTE A
ASSINANTE A
1. Estabelecimento do circuito: antes que as estações possam se comunicar, um circuito fim a fim tem que ser estabelecido. Uma rota entre as estações é escolhida e em cada enlace um canal é alocado e permanece dedicado a esta conexão até a desconexão do circuito. 2. Transferência de informação: uma vez estabelecida a conexão, a informação (dados, voz)
pode ser transmitida pelas estações.
3. Desconexão: após concluída a transferência da informação a conexão pode ser encerrada, em geral pela ação de uma das estações envolvidas. Sinais de controle (sinalização) devem ser propagados por todos as estações intermediárias do circuito afim de que todos os caminhos sejam desalocados.
A figura 2.2 mostra a progressão de uma comunicação entre duas estações (A e D), utilizando outras duas (B e C) como intermediárias, via comutação de circuitos. Na fase de estabelecimento, um sinal (ou mensagem) de controle é enviado ao destino. Conforme ele é roteado, um caminho vai sendo alocado, neste caso utilizando as estações (ou nós) B e C. Quando o sinal de controle atinge a estação de destino (D), um caminho foi totalmente alocado e este caminho é utilizado para retornar o sinal de controle de confirmação (de D para A).
Note que não há mais tempo de processamento do sinal de retorno nas estações intermediárias (como havia de A para D). A partir daí as estações podem se comunicar através do circuito estabelecido, até que uma delas decida terminar a conexão.
C B D A MENSAGEM T Tempo de Transmissão Tempo de Propagação Estabelecimento da Conexão Transmissão da Mensagem Término da Conexão
Para a rede telefônica, a comutação de circuitos fornece excelentes resultados devido as características do tráfego telefônico. Em uma chamada telefônica, a duração da conversação é muito longa, tipicamente de 5 a 7 minutos, quando comparada com o tempo despendido no estabelecimento das chamadas, tipicamente de 3 a 11 segundos. Esta característica faz com que o tempo de utilização efetiva de um caminho em uma comutação de circuito seja elevado para o caso da conversação. Uma outra característica importante da comutação de circuito é que, uma vez que o caminho foi estabelecido ele permanece o mesmo durante toda a comunicação e, portanto o atraso provocado neste caminho é constante, a taxa de transmissão é limitada somente pela limitação da linha.
O caminho dedicado entre origem e o destino pode ser:
Um caminho físico formado entre uma sucessão de enlaces físicos que permanecem alocados a conexão até o momento da desconexão. Em cada nó intermediário, uma chave fecha (comuta) um circuito entre duas portas no momento da conexão. É a comutação de circuitos através de chaveamento espacial ou físico.
Uma sucessão de canais de freqüência alocados em cada enlace. Cada nó intermediário associa um canal de freqüência de um enlace a um canal de freqüência de um outro enlace. É a comutação de circuitos por chaveamento de freqüências.
Uma sucessão de canais de tempo alocados em cada enlace. Cada nó intermediário associa um canal TDM (síncrono) de uma linha a um canal TDM (síncrono) em outra linha. É a comutação de circuitos por chaveamento do tempo.
Para uma comunicação digital que utiliza comutação no tempo (TDM), uma chamada irá usar uma conexão, isto é, um circuito, representado sempre pelo mesmo “time slot” no quadro, durante toda a duração da comunicação. Neste caso o comutador de circuitos de um enlace de entrada para um enlace de saída, é controlado por uma tabela contendo as relações do enlace de entrada e número do “time slot” para o enlace de saída e o número do “time slot” associado, como ilustra a figura 2.3. Observa-se na figura anterior, que a informação “☺“ no enlace E1 de entrada ocupa o “time slot” 1, e ela será sempre comutada para o enlace de saída S2 no “time slot” 2. Esta relação é inalterada durante toda a duração da conexão, isto é, a relação na tabela é que determina o circuito. A tabela de relação é modificada somente quando uma conexão é iniciada ou liberada.
☺ ⌦ ☺ Quadro Time Slot E1 E2 E3 En S1 S2 S3 Sn ☺ ⌦ ☺ ⌦ 1 m
Enlace de Entrada Time Slot Enlace de Saída Time Slot
E1 1 S2 2 2 S1 3 3 Sn m :: :: :: m S2 1 E2 1 2 3 :: m En 1 S1 2 2 S1 1 3 Sn 1 :: :: :: m Sn 2
Fig. 2.3 – Princípio de uma comutação de circuito no tempo
A comutação de circuito em um nó de comutação, pode ser realizado internamente por comutação espacial, comutação temporal ou combinação das duas. Na comutação espacial, toda informação apresentada em uma determinada porta de entrada será dirigida, como resultado de uma conexão prévia, a uma porta de saída. Na comutação temporal, numa mesma porta de entrada pode se ter informações destinadas ora a uma, ora a outra porta de saída, fazendo com que um conjunto de informações tenha a sua posição na escala de tempo alterada, isto é, mude de “time slot” em relação à entrada. Didaticamente, a figura 2.4 ilustra os dois tipos de comutação.
Fig. 2.4 - Tipos de Comutação: (a) Espacial; (b) Temporal
A comutação de circuitos não é muito apropriada para a comunicação de dados. Na maioria das aplicações, as estações “usuárias” podem permanecer conectadas à rede por várias horas, embora possa ter um tempo de transmissão de tráfego efetivo menor do que alguns segundos, com prolongados períodos de silêncio. Isto caracteriza um tráfego em rajadas, uma vez que a maior parte dos dados são transmitidos em pequenos intervalos de tempo. Uma vez que os intervalos necessários para a transmissão de dados tende a ser reduzido, grandes intervalos de tempo necessários para o estabelecimento de uma chamada tornam o aproveitamento do meio de transmissão pouco eficiente.
2.1.2 - COMUTAÇÃO DE MENSAGENS
Neste tipo de comutação, não existe um caminho estabelecido entre os assinantes. Cada mensagem enviada por um assinante é considerada uma entidade independente e roteado como tal, ou seja, podem seguir rotas diferentes mesmo que tenham o mesmo destino. A mensagem propaga de um nó para outro na rede em direção ao seu destino e, como nenhum caminho é reservado com antecedência para ela, normalmente a mensagem deverá esperar em cada nó, até que a linha de saída requerida esteja livre. Portanto, os nós da rede que são unidades de processamento de dados, devem ser capazes de armazenar as mensagens, verificar se chegaram ou não com erros e roteá-las para outros nós, em busca dos seus destinos. Isto significa que o nó opera no modo “store -and - forward”. Neste caso é necessário que cada mensagem carregue com ela informação para o seu roteamento, particularmente o endereço de destino. O tempo de transferência (atraso) da mensagem através da rede não depende somente do tempo de propagação dos canais, mas também do tempo de espera nos vários nós do caminho.
A comutação de mensagem possui a vantagem de permitir a utilização eficiente dos canais de comunicação, uma vez que eles são compartilhados por vários usuários.
A figura 2.5 ilustra o princípio básico da comutação de mensagens. A A A B B B C C C D D D D D D C C C B B B A A A A A A A A A A C D D B B C C D A B B C C C D D D (a) (b)
C
B D
A T
Fig. 3.5 – Comutação de mensagens
Tempo de espera na fila + tempo de escolha da rota
2.1.3 - COMUTAÇÃO DE PACOTES
A comutação de pacotes possui o mesmo princípio básico de funcionamento da comutação de mensagens, porém com um tempo de atraso bem menor. Agora a informação a ser transmitida, é separada (segmentada) em blocos ou pacotes que contém parte da mensagem. Cada pacote de informação possui um cabeçalho que informa ao equipamento de comutação qual é o destino daquele pacote. Além disto, para garantir a integridade da informação, existem bits para detecção e correção de erros. O caminho estabelecido para a transmissão de um pacote entre dois interlocutores não é, necessariamente, o mesmo caminho a ser estabelecido para a transmissão do próximo pacote entre estes mesmos interlocutores, em uma mesma chamada. Assim, pacotes de uma mesma mensagem podem estar em transmissão simultânea pela rede em diferentes enlaces, e portanto, pacotes de uma mesma mensagem que saíram depois, podem chegar antes daqueles que saíram primeiro, ao destino final. Cabe a estação de destino ordenar novamente estes pacotes e montar (reassemblar) a mensagem. Para isto, cada pacote deverá trazer consigo a informação do seu posicionamento (seqüência) na mensagem.
O tamanho do bloco de dados a ser transmitido pela rede, independe do tamanho da mensagem. Assim, um tamanho de pacote pode ser escolhido para minimizar o atraso na rede. A principal razão da comutação de pacotes ter um tempo de atraso menor do que a comutação
de pacotes, resulta do fato que um nó não pode iniciar a retransmissão da mensagem ou do pacote, antes de receber toda a mensagem ou o pacote. Quando a mensagem é segmentada em pacotes, o nó pode iniciar a retransmissão do primeiro pacote da mensagem tão logo ele tenha recebido este primeiro pacote sem ter que esperar os pacotes seguintes.
C
B D
A
Fig. 3.6 – Comutação de pacotes 3 2 1 3 2 1 3 2 1 Transmissão dos pacotes Cabeçalho Dados
Cada nó armazena um pacote na sua memória, até que ele chegue ao nó seguinte, o qual transmite de volta, um sinal de bem sucedido (AC ). Se o pacote for recebido com erro, o nó de origem recebe de volta um sinal NAC e repete o pacote.
Há dois modos pelos quais os pacotes trafegam na rede: Modo Circuito Virtual, como ilustra a figura 2.7.a. e Modo Datagrama mostrado na figura 2.7.b.
Modo Circuito virtual
O modo circuito virtual tem o seu princípio de funcionamento similar a comutação de circuitos, ou seja, um caminho é estabalecido no início da comunicação e, este caminho, permanece até o final da comunicação. O circuito estabelecido para uma ligação não é dedicado para aquela ligação, ou seja, pode ser compartilhado por outras ligações. Para o usuário isto é transparente, dando-lhe e a impressão que existe um circuito dedicado. A figura 2.7.a. ilustra este modo. Neste caso, existem duas ligações: Uma do nó A para o nó E e outra de D para G. O nó A programa, para a mensagem, a rota A-B-C-D-E e avisa os nós B, C e E desta rota. O mesmo acontece com o nó D, que programou a rota D-B-C-G. O circuito B-C transmite os pacotes das duas comunicações. Observa-se que ficou fixado um circuito para cada ligação, como na comutação de circuitos, mas existe um trecho, entre os pontos B e C, compartilhado pelas duas. O circuito entre estes dois pontos é denominado de circuito virtual.
Um nó, conhecendo o destino da mensagem, escolhe uma rota pré-determinada, numa tabela de sua memória. Para o caso de congestionamento, constam, também, na tabela, as rotas de 1ª escolha, 2ª escolha, etc. Note que, por estabelecer um único caminho para todos os pacotes, o modo circuito virtual garante que eles cheguem em seqüência.
Modo Datagrama
Neste modo, os pacotes seguem qualquer caminho que esteja menos congestionado (melhor rota), contanto que atinjam seu destino. Este caminho é decidido pelo nó por onde o pacote passa. Neste caso, pode ocorrer, por exemplo, que um pacote despachado pelo nó A para o nó E, pode seguir um caminho maior e chegar depois do pacote seguinte, da mesma mensagem. Apesar de diminuir o tempo de retenção do pacote, num nó intermediário, diminuindo a possibilidade de congestionamento, o nó deve ser mais inteligente do que o nó do circuito virtual.
Fig. 2.7 - Comutação de Pacotes: (a) Circuito Virtual; (b) Datagrama
Atualmente. as redes comutadas por pacotes não estão interligadas às redes comutadas por circuitos. A integração destas duas redes é um dos objetivos da Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI) que está sendo especificada pelo ITU-T. Com esta rede, o usuário terá a oportunidade de poder optar por uma ou outra forma de transmissão de acordo com as características das informações que deseja transmitir.
2.2 - COMUTAÇÃO TELEFÔNICA
A primeira função de uma central é realizar a comutação telefônica, ou seja, permitir o estabelecimento de um caminho de áudio entre dois terminais e/ou juntores. Em outras palavras, podemos definir comutação telefônica como sendo o chaveamento ou o estabelecimento de uma conexão entre duas interfaces de áudio de uma central. A figura 2.8a
I C F H B D G A E I C F H B D G A E (a) (b)
(a) (b)
ilustra a função de comutação entre dois terminais enquanto a figura 2.8b mostra a central B comutando as centrais A e C.
Fig. 2.8: Função de Comutação: (a) entre terminais; (b) entre centrais.
2.3 - COMUTADORES ESPACIAIS OU ANALÓGICOS
São aqueles nos quais os sinais a serem comutados são analógicos. Desta forma, as matrizes analógicas simplesmente estabelecem um caminho físico de áudio entre dois canais que se deseja comutar e, por este motivo, são também chamadas de Matrizes Espaciais. As centrais CPA’s que usavam este tipo de comutação, eram denominadas de CPA-E, isto é, CPA-Espacial. Neste tipo de central, quando uma chamada era completada, seguia um caminho físico entre a entrada e a saída. Esses caminhos eram, portanto, “espacialmente” separados. A figura 2.9 ilustra o princípio básico de uma matriz de comutação analógica.
Fig. 2.9 - Matriz de Comutação Analógica 8X8.
Na figura anterior, a matriz hipotética é de 8X8, isto é, 8 linhas e 8 colunas. As interseções entre linhas e colunas indicam os pontos de conexão entre estas linhas e colunas. Desta forma, para comutar uma determinada linha à uma determinada coluna, a matriz analógica “fecha o contato” entre estas linhas e coluna. Como exemplo, a figura 2.9 ilustra a comutação entre a linha 2 e a coluna 7, e entre as linhas 4 e 6. Estas conexões estão
CENTRAL A CENTRAL B CENTRAL C
1 2 6 7 8 5 4 3 6 7 8 5 4 3 2 1
representadas pelos contatos cheios. Observamos que, a comutação entre duas linhas pode ser realizada mediante a utilização de uma coluna.
As centrais públicas comercializadas atualmente não utilizam mais as matrizes de comutação analógica, a não ser em estágios intermediários de comutação.
2.3.1 – COMUTADOR ESPACIAL DIGITAL
As centrais CPA’s atuais utilizam estágios de comutação temporal e espacial. Como o estágio temporal é digital, para não haja necessidade de uma conversão intermediária de digital para analógico, foi desenvolvido o comutador espacial digital. A figura 2.10 ilustra a implementação deste tipo de comutador com 3 entradas e 3 saídas.
Fig. 2.10 – Comutador espacial digital
Neste tipo de comutador, cada memória de controle controla um determinado PCM de saída; neste caso a memória CSI controla o PCM1 (S1), a memória CS2 o PCM2 (S2), etc.. O conteúdo das memórias de controle em cada endereço, indica o número do PCM de entrada que deverá aparecer no PCM de saída, naquele “time slot”. Assim, o conteúdo do endereço 0 será lido no “time slot 0”, o conteúdo do endereço 1 no “time slot 1”, etc. No exemplo, os números 3, 1 e 2 no endereço 0 (zero) de cada memória, indica que no “time slot 0” o conteúdo do:
• PCM3 de entrada foi comutado para o PCM1 de saída;
• PCM1 de entrada foi comutado para o PCM2 de saída;
• PCM2 de entrada foi comutado para o PCM3 de saída;
A1 A2 A3 A32 B1 B2 B3 B32 C1 C2 C3 C32 C1 A2 B3 B32 A1 C2 C3 A32 B1 B2 A3 C32 3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 0 2 1 31 CS1 CS2 CS3 CS=>Memória de Controle (Control Store) Endereço de cruzamento= 011 E1 E2 E3 S1 S2 S3
O conteúdo das memórias de controle é escrito pelo sistema de controle durante a fase de sinalização. Note que as informações não mudaram de “time slot” da entrada para a saída. Elas sofreram apenas uma comutação no espaço.
2.4 - COMUTADORES DIGITAIS OU TEMPORAIS
A técnica TDM - Multiplexação por Divisão de Tempo, proporcionou também o emprego na técnica digital nos sistemas de comutação, através das matrizes de comutação temporal, onde os sinais podem ser transferidos de uma linha MUX de entrada a qualquer “time slot” de uma linha MUX de saída.
Tomemos como exemplo um canal PCM de 32 canais. Neste caso, cada intervalo de tempo (time slot) transporta amostras codificadas de um mesmo canal. Estas amostras são renovadas a cada a uma freqüência de 8000Hz, o que significa que aquele “time slot” se
apresenta 125µs depois com uma nova palavra no mesmo canal. Para extrair as amostras de
um determinado canal dos 32 canais do feixe PCM, é necessário que o dispositivo a ser utilizado seja controlado por um relógio que permita a ele extrair os 08 bits deste canal e
repetir esta operação de 125µs em 125µs. Desta forma, as palavras que compõem o sinal
seriam extraídas sucessivamente e, se cada nova palavra extraída for decodificada em um sinal analógico, teremos o sinal elétrico analógico inicial.
A matriz de comutação digital é um dispositivo capaz de extrair os canais provenientes de um feixe PCM na sua entrada e rearranjá-los, novamente em um feixe PCM na sua saída, ou seja, esta matriz é capaz de trocar a ordem dos canais do feixe PCM. A figura 2.11 ilustra o princípio básico de funcionamento da matriz digital.
Fig. 2.11 - Comutação Temporal em PCM
Nela podemos observar que a ordem das informações no PCM de saída é diferente da ordem das informações de entrada, isto é, as posições das informações foram alteradas (comutadas) no tempo. Neste caso tem-se:
• o conteúdo do canal 0 do PCM de entrada foi comutado para o canal 2 do PCM de saída;
Matriz Temporal
31 30 2 1 0
PCM DE ENTRADA
31 30 2 1 0
• o conteúdo do canal 1 do PCM de entrada foi comutado para o canal 30 do PCM de saída;
• o conteúdo do canal 2 do PCM de entrada foi comutado para o canal 31 do PCM de saída;
• o conteúdo do canal 30 do PCM de entrada foi comutado para o canal 1 do PCM de saída;
• conteúdo do canal 31 do PCM de entrada foi comutado para o canal 0 do PCM de saída.
2.5 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA MATRIZ TEMPORAL
A matriz temporal possui a capacidade de extrair todos os canais do feixe PCM de entrada e armazená-los em uma memória interna, denominada de Memória de Conversação. Como ilustra didaticamente a figura 2.12, os contatos E fecham um de cada vez, na cadência e seqüência dos intervalos de tempo do PCM de entrada. Assim, as palavras PCM de entrada são armazenadas de acordo com a sua ordem de chegada, ou seja, os bits do primeiro canal são armazenados no primeiro endereço da memória, e assim sucessivamente. Desta forma, a matriz armazena todos os 32 canais de entrada em 32 endereços da memória de conversação.
Fig. 2.12 - Funcionamento da Comutação Temporal
A comutação é controlada pela Memória de Controle ou Memória de Conexão, que também possui 32 endereços. Esta memória é responsável pela decisão sobre qual o destino dos canais provenientes do PCM de entrada. A matriz estabelece uma relação entre os endereços da memória de controle com os canais do PCM de saída. Assim, no endereço 0 da memória de conexão está armazenado o endereço (número) do canal de entrada que deve ser comutado para o canal 0.
Assim, se o processador da central decidiu comutar o canal 31 para o canal 0, ele escreve no endereço 0 da memória de controle o número 31. A matriz no instante de escrever
31 30 2 1 0 PCM DE 30 31 2 1 0 31 30 31 0 1 2 30 31 2 1 0 0 1 31 30 2 PCM DE SAÍDA Memória de Conversação Memória de Controle E
o canal 0 do PCM de saída, consulta o conteúdo do endereço 0 da memória de controle e verifica que, a informação a ser escrita neste canal. é aquela que está armazenada no endereço no endereço 31 da memória de conexão. A matriz então realiza a leitura do conteúdo do endereço 31 da memória de conversação e escreve este conteúdo no canal de saída. Como a freqüência de escrita do PCM de entrada é a mesma freqüência de escrita do PCM de saída (8000Hz), sempre que a matriz for escrever o canal 0 no PCM de saída, uma nova informação já estará armazenada no endereço 31 da memória de conversação, proveniente do canal 32 do feixe PCM de entrada.
Os contatos representados na figura anterior, não são contatos convencionais e sim, portas eletrônicas operando à alta velocidade. A estrutura anterior apresenta 32 canais de entrada e 32 canais de saída, sendo denominada de matriz ou estágio de comutação de 32X32. As matrizes temporais utilizadas nas centrais mais modernas, possuem capacidades de comutação bem superiores à apresentada neste exemplo. Para conseguir estágios de comutação com maiores capacidades, é necessário utilizar estruturas mais complexas como, por exemplo, a estrutura Temporal - Espacial - Temporal ou TST.
2.7 – APLICAÇÕES DE COMUTADORES
Seja o esquema mostrado na figura 2.13. Admitindo que o sistema esteja em sincronismo, os assinantes A1, A2, A3 e A4 estão conversando respectivamente com B1, B2, B3 e B4.
Fig. 2.13 – Conversação entre assinantes sem comutação
Vamos supor que quiséssemos os seguintes pares de assinantes conversando: A1 e B3, A2 e B4, A3 e B2 e A4 e B1. Neste caso os assinantes A1, A2, A3 e A4 deveriam ser comutados para os time slots 3, 4, 2 e 1 respectivamente. Assim, deveríamos implementar um comutador temporal, como ilustra a figura 2.14.
DEMUX MUX A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 t4 t3 t2 t1 A2 A1 A3 A4
DEMUX MUX A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 t4 t3 t2 t1 A2 A1 A3 A4 t4 t3 t2 t1 A3 A4 A1 A2 1 2 3 4 A1 A2 A3 A4 1 2 3 4 4 3 1 2
Fig. 2.14 – Aplicação da comutação temporal
No caso anterior, o esquema pode ser visto como sendo um quadro PCM de 4 canais chegando até o comutador temporal, e o mesmo possibilita 4 conversações simultâneas. Em uma central real, o número de conversações simultâneas, dependendo do tráfego e do porte da central, pode chegar a milhares. Isto implica em ter uma memória de conversação e uma de controle com um número de endereços igual ao número de canais (conversação simultânea),
sendo que o conteúdo de todos os endereços deverão ser lidos em no máximo 125µs, que
corresponde ao tempo de quadro do PCM 30.
Seja por exemplo, uma central onde se deseja implementar um comutador temporal para 256 conversações simultâneas. Neste caso esta central estaria recebendo 8 enlaces PCM, cada um com 32 canais (8x32=256). A figura 2.15 ilustra tal implementação.
Fig. 2.15 – Comutador temporal de 256 canais
Neste tipo de comutador, o conteúdo do primeiro time slot (time slot 0) de todos os enlaces são armazenados sucessivamente nos primeiros 8 endereços da memória de
A0 A1 A31 :::::::: B0 B1 B31 :::::::: C0 C1 C31 :::::::: H0 H1 H31 :::::::: 1 2 3 : : : 8 A0 B0 C0 ::::: H31 ::::: A1 H0 32 Canais em 125µs 256 Canais em 125µs M U X A0 1 2 3 4 5 256 B0 C0 D0 E0 H31 : : : : 1 2 3 4 5 256 : : : Memória de Conversação 256 posições Memória de Controle 256 posições
conversação. As próximas 8 posições são ocupadas pelo conteúdo dos canais 1 proveniente dos 8 enlaces de entrada, e assim por diante.
Basicamente uma central temporal opera por um processo de escrita seqüencial e
leitura aleatória (randômica) de dados na memória. O número máximo de canais c que pode
ser tolerado por uma memória de leitura e escrita simultânea é
acc
t c=125
onde tacc significa o tempo de acesso da memória, em microssegundos (µs) e 125 é o tempo de repetição do quadro, também em microssegundos, para um sinal de voz amostrado em a uma taxa de 8kHz. Assim, a matriz de comutação tem uma capacidade limitada pelo tamanho do quadro. Em geral este tipo de comutação é prático para sistemas de baixa capacidade como PABX digital.
A solução para resolver o problema da transferência de canais de um quadro a outro, sem limite de capacidade, é a matriz com estágio de comutação espacial, formando estruturas do tipo TST (Time Space Time), STS, TSST, TSSST. As centrais de comutação eletrônica da rede pública costumam associar os elementos de comutação temporal e espacial, que
apresentam as seguintes características:
• STS => Permite utilizar recursos de concentração e expansão;
• TST => Amplia a capacidade de acesso, porque o elemento de comutação espacial funciona como um estágio de distribuição;
• TSST => Reúne as características de ter ampla capacidade de acesso e dispor de recursos de concentração e expansão.
• TSSST => Possui ampla capacidade de acesso, dispõe de recursos de concentração e expansão e reduzida característica de bloqueio.
Como será mostrado em exemplos, quanto maior o número de estágios de um comutador, menor será a probabilidade de bloqueio neste comutador.
Exercício: A figura 2.16 apresenta uma estrutura TS (Temporal Espacial): Pede-se:
a) preencher as memórias de controle na tentativa de possibilitar as seguintes conversações: A1 B6, A2 B1, A3 B8, A4 B2, A5 B3, A6 B7, A7 B4 e A8 B5.
A1 A3 A2 A4 A5 A7 A6 A8 B1 B3 B2 B4 B5 B7 B6 B8 SS0 SS1 0 1 0 1 MUX PCM DEMUX PCM
Fig. 2.16 – Estrutura TS (Time Space – Temporal Espacial)
2.7 - ESTRUTURA TST
A estrutura (TST) Temporal - Espacial - Temporal, tem o objetivo de permitir o aumento da capacidade de comutação das matrizes temporais. A figura 2.13 ilustra, uma
estrutura TST típica, utilizada em um exemplo didático. Neste exemplo vamos considerar
uma estrutura com três feixes PCM na entrada e três na saída. Cada um deles possui agora, duas memórias de conversação, uma na entrada e outra na saída, e duas memórias de conexão, uma para entrada e outra para a saída. Cada memória de conversação de entrada é conectada a uma linha de uma matriz que forma um comutador espacial. O controle deste comutador espacial é feito através de uma memória de controle da matriz espacial.
A memória de controle do comutador espacial está dividida em três colunas de 32 endereços, uma para cada coluna da matriz espacial. O conteúdo dos endereços indica qual deve ser a conexão a ser estabelecida em cada “time slot” do feixe PCM. Todas as colunas da memória de controle do matriz espacial precisam ser exploradas em sincronismo, com intervalos de tempo internos da matriz espacial. No exemplo, são 32 intervalos de tempo internos da matriz espacial.
Como exemplo, consideremos uma comutação do canal 2 do PCM 1 de entrada para o canal 31 do PCM 3 de saída. A escolha do canal a ser utilizado no estágio espacial é feita pelo processador da central. Consideremos que o processador escolheu o canal 7 para realizar esta operação. Observando a figura, nota-se que o conteúdo do canal 2 do PCM 1 está armazenado no endereço 2 da memória de conversação de entrada do PCM 1. Como o conteúdo do
endereço 7 da memória de conexão de entrada do PCM 1 indica o valor 2, a matriz temporal comuta a informação armazenada no endereço 2 da memória de conversação para o canal ou “time slot” 7.
Figura 2.17 - Estrutura de uma Matriz TST
No estágio espacial, é necessário comutar a informação do canal 7 do PCM 1 para o canal 7 do PCM 3. Para tanto, o processador da central escreve no endereço 7 da coluna
correspondente ao PCM 1, o número do PCM de saída, ou seja, o PCM 3. No exemplo, verificamos que, no endereço 7 da primeira coluna, o processador escreveu o valor 2. No instante de comutar o canal 7, a matriz de comutação espacial consulta a memória de controle e verifica que a “chave” a ser ligada neste instante é a “chave” 2. Desta forma, a matriz espacial comuta o sinal do canal 7 do PCM 1 para o canal 7 do PCM 3. É importante observar que esta matriz não consegue comutar os canais no tempo, ou seja, um determinado canal que ocupa um “time slot” em um PCM de entrada, necessariamente ocupará este mesmo “time slot” em qualquer um dos PCM’s de saída. Por este motivo, este estágio é dito espacial.
Após a comutação espacial, é necessário realizar a comutação temporal na saída. Esta comutação segue os princípios já apresentados para a comutação temporal. No caso do exemplo, precisamos comutar o conteúdo do time slot 7 para o canal 31 do PCM da saída. Observamos que, neste instante, a matriz já comutou o canal PCM 1 para o PCM 3. Para realizar a comutação proposta, o processador escreve no endereço 31 da memória de conexão do PCM 3 de saída, o valor 7, indicando que o canal 31 do PCM de saída, a matriz deverá escrever o conteúdo do canal 7 do PCM de entrada.
Todo este processo apresentado, estabeleceu um sentido de conversação entre dois interlocutores, entretanto, para obter um circuito (transmissão e recepção) e possibilitar o diálogo, é necessário estabelecer, adicionalmente, uma comutação que permita ao usuário do destino falar, para o usuário de destino escutar. O estágio digital opera como receptor no lado A e transmissor no lado B. Assim, o sinal proveniente do chamador é conectado nas entradas no lado A e o sinal em direção ao chamado no lado B. Seguindo este mesmo raciocínio, o sinal proveniente do chamado é conectado nas entradas do lado A e o sinal destinado ao chamador no lado B. Esta comutação deve ser estabelecida utilizando um caminho distinto da primeira. No caso do exemplo, foi estabelecida uma conexão entre o canal 2 do PCM 1 com o canal 31 do PCM 3. Esta conexão possibilita apenas um sentido de transmissão e, portanto é necessário estabelecer uma outra conexão para permitir uma conversação telefônica. A segunda comutação a ser estabelecida, deve conectar o canal 31 do PCM 3 de entrada ao canal 2 do PCM 1 de saída. Desta forma, temos que, o que é transmitido no canal 2 do PCM 1 é recebido no canal 31 do PCM 3, e o que é transmitido no canal 31 do PCM 3 é recebido no canal 2 do PCM 1. A figura mostra ainda uma comutação do canal 31 do PCM 2 de entrada para o canal 1 do PCM 1 de saída.
A estrutura apresentada anteriormente tem capacidade de comutar 96 canais de entrada em 96 canais de saída, e por este motivo é dita 96 x 96. Evidentemente, as matrizes de comutação utilizadas na prática possuem capacidades muito superiores à esta apresentada no
exemplo. Entretanto, a filosofia de comutação apresentada é a mesma nos comutadores de maior porte.
Didaticamente a estrutura TST anterior pode ser representada por um equivalente espacial, através de blocos básicos (matrizes básicas) como ilustra a figura 2.18 a seguir.
Fig. 2.18 – Equivalente Espacial de um estágio TST
Genericamente, uma estrutura TST pode ser representada por uma matriz de três estágios, como ilustra a figura 2.19. Neste caso tem-se uma matriz com N entradas e M saídas (matriz N x M). 1 2 k 1 2 s 1 2 t 1 n 1 n 1 n 1 s 1 k 1 s 1 t 1 s 1 s 1 m 1 m 1 m N M x y
1º Estágio 2º Estágio 3º Estágio
Fig. 2.19 – Matriz Genérica N x M com Três Estágios
Cada bloco básico representa uma matriz sem bloqueio. No caso da figura 2.19, o primeiro estágio possui k matrizes básicas n x s, o segundo estágio possui s matrizes básicas k x t e o terceiro estágio possui t matrizes básicas s x m. A entrada x possui s caminhos internos para poder se conectar a saída y.
0 1 2 0 1 2 0 0 1 2 0 1 2 1 0 1 2 0 1 2 31 0 1 2 : 31 1 0 1 2 0 1 2 2 : : 0 1 2 : 31 2 0 1 2 : 31 3 0 1 2 : 31 1 0 1 2 : 31 2 0 1 2 : 31 3 T S T
Exercício:
Seja uma central de comutação utilizando uma matriz de comutação de 3 estágios. A central possui 9 enlaces de entrada e 9 enlaces de saída.Todos os três estágios têm o mesmo número de matrizes básicas e é igual a 3.
a) Desenhe uma estrutura de conexão para essa matriz, especificando os números de entradas e de saídas para cada matriz básica.
b) Qual é o número de pontos de cruzamento no caso anterior?
c) Estudar uma situação de bloqueio interno. (Uma situação de bloqueio interno é quando
por ex., uma entrada X e uma saída Y estão livres, mas não podem fazer uma conexão por falta de um caminho interno).
Pelo exemplo anterior, conclui-se que mesmo X e Y estando livres não é possível estabelecer uma conexão entre eles, pois o número de caminhos internos (matrizes básicas no segundo estágio) é insuficiente. Qual é o número de matrizes básicas no segundo estágio par que não haja bloqueio interno? Para análise, seja a estrutura mostrada na figura 2.20.
1 2 N/n 1 2 k 1 2 N/n 1 n 1 n 1 n 1 k 1 1 1 1 k 1 1 n 1 n 1 n N N
Fig. 2.20 – Matriz com Três Estágios para Análise de Bloqueio Interno
A condição de não bloqueio em uma matriz de 3 estágios foi inicialmente publicada por Clos em 1953. Ele analisou a situação de pior caso: Suponha que a entrada x queira se interligar com a saída y. No pior caso as (n-1) entradas do 10 estágio poderão estar ocupadas (em conversação), necessitando, portanto (n-1) matrizes básicas no 2o estágio. Por outro lado, as (n-1) saídas do 3o estágio poderão estar ocupadas, necessitando também (n-1) matrizes básicas no 2o estágio. Desse modo, para não haver bloqueio:
k = (n-1) +(n-1) +1 = 2n-1 matrizes básicas no 2o estágio
k = 2n - 1
Cada bloco básico representa uma matriz sem bloqueio. Sendo assim o número de pontos de cruzamento (NPC) da estrutura anterior pode ser calculado da seguinte forma: 1º Estágio: n x k x N/n;
2º Estágio: N/n x k x N/n = k x (N/n)2; 3º Estágio: k x N/n x k;
Para a estrutura, teremos:
NPC3 = n x k x N/n + k x (N/n)2 + k x N/n x k;
NPC3 = (2n-1){2N + (N/n)2}
Caso utilizássemos apenas um único estágio para a mesma capacidade anterior (N x N), o número de pontos de cruzamento seria:
CAPÍTULO III
SINALIZAÇÃO TELEFÔNICA 3.1- DEFINIÇÃO
O estabelecimento de uma chamada entre um assinante chamador, que iremos denominar de assinante A, e um assinante chamado, denominado de assinante B, necessita de dados para interligar as partes corretas. Uma grande parte destes dados refere-se às identidades dos assinantes envolvidos. Desta forma, cada central comutadora precisa analisar o “endereço” do assinante B para comutar os circuitos na direção correta. Portanto, o objetivo das sinalizações telefônicas e justamente prover as centrais envolvidas em uma chamada, das informações necessárias ao estabelecimento das mesmas.
A sinalização telefônica pode ocorrer entre terminal e central, e entre centrais. Os principais tipos de terminais são:
• Aparelhos telefônicos para assinantes, com sinalização decádica ou multifrequêncial; • Telefônico Público com pulso de inversão para coleta de ficha;
• Telefônico Público com pulso de 12kHz para tarifação; • Equipamentos CPCT ou PABX.
3.2- SINALIZAÇÃO ENTRE TERMINAIS E CENTRAIS
A central telefônica é responsável pela alimentação dos terminais telefônicos a ela ligados. Isto é feito através de uma tensão contínua de 48V em cada terminal telefônico. O circuito formado entre a central e o terminal, é conhecido por “loop” ou enlace de assinante. Quando o telefone está com o fone no gancho, o circuito formado pela central e o terminal é mantido aberto (enlace aberto) e a central não detecta nenhuma corrente circulando por aquele circuito. Nesta condição, a central identifica a linha como livre.
Quando o usuário retira o fone do gancho, fecha-se o enlace. A corrente que circula é percebida pela central que se prepara para receber os dígitos a serem discados pelo terminal. Neste instante, o usuário recebe o tom de discar, indicando que a central está apta a receber os dígitos.
3.2.1 - SINALIZAÇÃO DECÁDICA/MULTIFREQUÊNCIAL
Os aparelhos telefônicos podem utilizar dois tipos de sinalização para enviar os dígitos discados pelo usuário para a central telefônica.
Na sinalização decádica, os dígitos são enviados pelos terminas na forma de pulsos para a central. Estes pulsos são produzidos, através da abertura e do fechamento do circuito
formado entre a central e o terminal, onde os tempos de abertura e fechamento são especificados pela Telebrás, e devem estar compreendidos entre 17ms e 140ms. Assim, quando o usuário, por exemplo, disca o dígito 4, o telefone converte este dígito em quatro pulsos, abrindo e fechando o circuito quatro vezes consecutivas.
Na sinalização multifrequêncial, cada dígito discado é convertido em um par de freqüências na faixa de áudio, especificada pela Telebrás, e enviado no próprio circuito de áudio estabelecido entre o terminal e a central que, utilizando filtros de freqüência, consegue identificar o par transmitido e consequentemente, o dígito discado. A tabela a seguir mostra os pares de freqüências, em Hz, utilizados na discagem multifrequêncial.
A maioria das centrais telefônicas modernas permitem selecionar o tipo de sinalização que se deseja utilizar em cada um dos terminais.
1209 1336 1477 1633 697 1 2 3 A 770 4 5 6 B 852 7 8 9 C 941 * 0 # D 3.2.2 - TELEFONE PÚBLICO (TP)
As interfaces para os aparelhos telefônicos públicos, apresentam como diferença fundamental em relação às interfaces dos aparelhos de assinantes, o recebimento de um sinal da central para realizar a tarifação da chamada, isto é, coletar a ficha. Atualmente são utilizadas duas sinalizações para permitir a coleta de fichas: inversão de polaridade e pulso de 12 kHz.
Na inversão de polaridade, a central realiza uma inversão de polaridade da alimentação do aparelho telefônico, durante a conversação, no instante em que for necessário a coleta de uma ficha. Caso nenhuma ficha seja colocada no TP, o mesmo abre o circuito com a central (abertura forçada do enlace), fazendo com que a central interprete como desligamento do TP, desfazendo a chamada.
O outro método consiste no envio, por parte da central, de pulsos de 12 kHz, durante a conversação, para sinalizar ao TP o instante de coletar uma ficha. Como este pulso não está na faixa de áudio (300Hz a 3400Hz), pode ser filtrado pelo TP sem que o usuário perceba. Caso o TP não detecte a presença de ficha ou cartão magnético, o mesmo interrompe o circuito com a central, sinalizando o desligamento do assinante e desfazendo a chamada.
A identificação do instante exato em que devem ser enviados os pulsos para coleta de fichas no TP é uma função da central telefônica.
3.2.3 - CPCT
As interfaces para CPCT apresentam as mesmas características elétricas e físicas das interfaces para assinantes. Pode ser que em alguns casos, uma determinada CPCT deseje ter acesso a tarifação, por exemplo, condomínio. Neste caso a central deverá enviar uma sinalização indicando os pulsos de tarifação, que é feita através da inversão de polaridade. 3.2.4 - SINALIZAÇÃO ACÚSTICA
Quando o assinante retira o fone do gancho e a central estiver pronta para receber os dígitos, ela envia um tom ao assinante indicando que o mesmo pode iniciar a discagem. Se a central, por um motivo qualquer, não puder receber os dígitos, ela envia um outro tom ao assinante, indicando a sua indisponibilidade. Os tons enviados pela central ao assinante chamador, definem a sinalização acústica.
Além dos sinais acústicos, existe um sinal chamado Corrente de Toque, que é o sinal enviado para o aparelho do assinante chamado, pela central deste assinante, indicando que há uma chamada dirigida a ele. Este sinal apresenta uma freqüência de 25Hz, com tensão de 80Vrms ±10Vrms sobreposto ao potencial de -48Vcc. A cadência da corrente de toque é de 4 segundos de silêncio e 1 segundo de presença do tom, como ilustrado a seguir. O envio da corrente de toque é interrompida assim que o assinante chamado atender à chamada.
Corrente de Toque
Os sinais pertencentes a sinalização acústica são apresentados a seguir. Todos eles utilizam a freqüência de 425 Hz. A diferença entre eles é a cadência utilizada.
1. Tom de Discar: Este tom indica ao assinante que deseja originar uma chamada que a central está preparada para receber os dígitos. A interrupção do tom ocorre assim que o assinante disca o primeiro dígito, ou recoloca o fone no gancho.
• Cadência: Tom contínuo.
2. Tom de Controle de Chamada: Indica ao assinante chamador que o caminho de áudio entre ele e o assinante chamado está disponível para a chamada, e que o sinal da corrente de toque está sendo enviado ao assinante chamado. A interrupção deste sinal ocorre com o atendimento pelo assinante chamado.
• Cadência: 1 segundo de tom e 4 segundos de silêncio.
Tom de Controle de chamada
3. Tom de Ocupado: é utilizado nas seguintes condições:
• Quando o assinante chamado estiver na condição de ocupado; • Quando ocorrer término de temporização em algum ponto da cadeia; • Quando ocorrer erros na discagem;
• Quando o acesso ao número chamado for negado por categoria ou discriminação; • Quando o terminal que retém a chamada desligar.
⇒ O tom de ocupado é enviado ao assinante pela sua própria central. Ao receber este tom, o assinante não consegue mais executar nenhuma operação na central, a não ser o desligamento.
• Cadência: 250ms de tom e 250ms de silêncio.
Tom de Ocupado
4. Tom de Número Inacessível: Em centrais que não dispões de serviço de intercepção ou máquina anunciadora. Este tom é enviado quando o número chamado for inexistente ou quando o número chamado for mudado. Quando a central possui máquina anunciadora, uma mensagem gravada pode ser enviada no lugar do tom de número inacessível.
• Cadência: período do tom alternando entre 250ms e 750ms, com período de silêncio de 250ms.
Tom de Número Inacessível
5. Tom de Aviso de Chamada em Espera: É enviado a um assinante que dispõe do serviço suplementar chamada em espera, durante uma chamada já estabelecida, para indicar que existe uma nova chamada destinada à ele. O envio deste tom é feito pele central do assinante que dispõe do serviço de chamada em espera.
• Cadência: 50ms de tom e 1 segundo de silêncio
250ms 250ms
1 s 4 s
Tom de Aviso de Chamada em Espera
6. Tom de Aviso de Programação: Este tom deverá ser enviado a assinantes que dispõem dos serviços suplementares de transferência temporária, transferência quando ocupado ou transferência quando não responde, em lugar do tom de discar em chamadas originadas. O envio deste tom é feito pela central do assinante que dispõe dos serviços de transferência.
• Cadência: 125ms de tom e 125ms de silêncio.
Tom de Aviso de Programação
Além dos tons mostrados anteriormente, existem o tom de discar de telefonista e o tom de advertência de telefone público, que é enviado pelo TP após a coleta da última ficha disponível na canaleta.
3.3 - SINALIZAÇÃO ENTRE CENTRAIS
A sinalização entre centrais pode ser do tipo associada a canal ou por canal comum. Nas centrais CPA, são os processadores que recebem a sinalização, realizam a sua análise e executam as providências necessárias para dar prosseguimentos às chamadas. Desta forma não é mais necessário que as informações de sinalização cheguem até a central de forma descentralizada, ou seja, cada uma utilizando um canal de conversação diferente. Ao contrário, pode-se ter um canal com maior capacidade de sinalização, que seja responsável por toda a troca de informação necessária ao funcionamento das centrais. Com a utilização dos processadores no controle da central, é possível utilizar uma forma de sinalização mais poderosa, baseada em protocolos de comunicações digitais, permitindo assim, aumentar a gama de serviços oferecidos pelos equipamentos de comutação, tais como acessos a banco de dados, suporte ao serviço celular, entre outros.
