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Conmutación : Significado y necesidad (Manual, Mecánica y Centrales digitales) 

 

Si dos personas A y B usaran el  teléfono elemental visto en el capítulo anterior  para comunicarse sólo entre ellas y no con ninguna otra persona, sería suficiente una única línea que una ambos teléfonos para que se puedan comunicar. Esto se ilustra en la siguiente figura:

 

 

 

Los transformadores aparecen para reducir la resistencia de la línea que ve la batería. Si no se colocaran los transformadores, la resistencia de la línea sería substancialmente mayor que la del micrófono y por lo tanto, este no sería capaz de producir fluctuaciones de corriente suficientemente grandes a través de la variación en su resistencia. Cuanto mayor sea el número de espiras del secundario de c/transformador ( respecto del primario) menor será el efecto de la resistencia de la línea y por lo tanto mayor la influencia de la resistencia del micrófono en el establecimiento de la corriente del circuito.

Un circuito telefónico real, normalmente es más complejo que el mostrado arriba y esto se debe a la introducción de elementos para evitar el eco y la diafonía (a los efectos de nuestro estudio, estos elementos no serán considerados).

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Si una tercera persona C quisiera interconectarse para  poder hablar telefónicamente con A y B, el esquema resultante podría ser el siguiente:

 

 

 

De esta manera, tenemos 3 personas interconectadas a través de líneas telefónicas independientes. Esta configuración a pesar de funcionar bien no resulta económica cuando el número de personas que desea conectarse aumenta. Tampoco es eficiente, ya que en esta configuración de 3 personas, se necesitan 6 teléfonos y 3 líneas de las cuales sólo 2 teléfonos y 1 línea pueden utilizarse simultáneamente ( si A está hablando con B, C no puede entablar conversación ni con A ni con B ya que ambos están ocupados hablando entre ellos). Si quisiéramos enlazar a 100 personas para comunicarse entre si necesitaríamos 5000 líneas y 10000 teléfonos ( cada persona necesitaría 100 teléfonos para comunicarse con el resto).

En lugar de utilizar tantos teléfonos y cables, la red telefónica se organizó de manera que cada abonado tenga sólo un teléfono y un par de cables para comunicarse con los demás. Para lograr esto fue necesario introducir un mecanismo de “conmutación” que permita seleccionar la línea apropiada para hablar con la persona deseada, como se indica en la siguiente configuración   :

 

                                                                                 Figura 1

Utilizando este mecanismo logramos que al tener que conectar una nueva persona para comunicarla con las demás no es necesario llevar un cable y un teléfono a c/u del resto sino que es suficiente con agregar un teléfono y un único cable que lo conecte al mecanismo de conmutación. Se entiende ahora como mecanismo de conmutación al área encerrada entre las líneas de puntos del dibujo anterior, que podrán estar concentradas en un sitio.

 

 

En la figura 1, para que A pueda hablar con B es necesario llevar las llaves indicadas como ‘La’ y ‘Lb’ a las posiciones mostradas. A este procedimiento de modificar la posición de las llaves para enrutar la llamada entre dos personas es a lo que se denomina “conmutación”. La primera entidad de conmutación fue , por supuesto, el operador que era la persona encargada de cerrar las llaves necesarias para establecer el vínculo y que fue supremo durante unos 16 años luego de la invención del teléfono. La persona que deseaba hacer una llamada debía informar a la oficina central, donde estaba el operador, de la necesidad de servicio. Para ello los primeros teléfonos venían equipados con un generador eléctrico a manivela (parecido al dínamo de las bicicletas) el cuál se hacía girar  vigorosamente para notificar al operador del deseo de servicio. Más tarde, esta manivela se reemplazó por una corriente continua que se hacía correr al levantar el teléfono y que encendía una lámpara de un tablero en la posición del operador. El operador respondía al llamado pidiendo el número con el cual la persona se quería comunicar haciendo luego las conexiones correspondientes para establecer la vía de comunicación. La conexión se realizaba insertando una clavija en un tablero de conexiones como se indica en la figura siguiente :

 

 

 

 Las primeras máquinas automáticas de conmutación, tenían que emular la tarea del operador, en espíritu, pero no en detalle. Se tuvo que hacer un agregado al aparato telefónico ( el discado ) para permitir la comunicación en una forma aceptable con la máquina automática de conmutación. Se tuvieron que proveer medios para comunicar información al usuario sin utilizar la voz ( por ej. tono de discado en lugar de  “número por favor” , tono de llamado en lugar de “estoy llamando a dicho número” tono de ocupado versus “dicho número está ocupado” ). Se tuvieron que proveer medios para seleccionar el trayecto y establecer la vía de comunicación cerrando conmutadores primero mecánicos y luego electrónicos en lugar de insertar clavijas en un tablero.

Las máquinas automáticas nacieron por necesidad. Una de las primeras en aparecer y lejos el diseño que tuvo más éxito es la atribuida a Almond B. Strowger de la ciudad de Kansas en los Estados Unidos. Patentada en 1889 e instalada por primera vez en La Porte ( Indiana) el 3 de Noviembre de 1892, el concepto es bastante sencillo y continúa siendo usado en varias partes del mundo aún en estos días.

Strowger tenía una funeraria, y la historia cuenta que una compañía rival acaparaba casi todo el negocio gracias a que la esposa del dueño era la operadora del sistema telefónico. De esta forma, cualquier persona acongojada que llamaba para ser conectada con alguna funeraria nunca era derivada a la de Strowger! Molesto por la cantidad de negocios que se perdía de esta forma, decidió inventar un sistema que elimine la necesidad de utilizar a los operadores telefónicos y patentó así el primer selector automático de teléfonos.

El sistema diseñado por Strowger era completamente electromecánico. Estaba formado por electroimanes y relés electromagnéticos. Los llamados eran enrutados bajo el completo control del discado del usuario. A las llaves Strowger se las denomina selectores de dos movimientos: los contactos que llevan la llamada pueden moverse hacia arriba verticalmente o hacer barridos horizontalmente. Este es el movimiento que encamina la llamada a través del sistema. No existe ningún control central. Cada numero discado opera una llave diferente, y cada llave puede ocuparse únicamente de una única llamada a la vez. El control se va moviendo a través de toda la central a medida que se establece la llamada. Es un sistema distribuido, y la central Strowger es denominada con frecuencia central paso a paso. Esto es una buena descripción de su forma de trabajar: si el usuario que llama disca un “2” la llave Strowger da dos pasos hacia arriba subiendo dos niveles, luego, busca la siguiente llave que este libre barriendo a través de todos los terminales posibles. El contacto se detiene en el terminal conectado a la primer llave libre que encuentra y esta llave es la que recibe el siguiente número discado. De esta forma, la llamada se enruta a si misma a través de toda la central.

 

 

En el ejemplo de la figura, el abonado llamante desea conectarse con el abonado cuyo número es el 7584. Al levantar el teléfono su línea es conectada automáticamente a través de un selector a un circuito libre el cual le envía un tono invitándolo a discar. Este circuito a su vez está conectado a otro selector de manera que cuando el abonado disque el primer dígito del número deseado, cada pulso del discado hace que el selector suba un nivel. Este se para en el nivel 7, y durante la pausa interdígito, es decir, mientras el discado vuelve a su posición de reposo , el selector rota automáticamente alrededor de su eje vertical ( no indicado en la figura ) y se para en la primer salida que encuentra libre de las que están presentes en el nivel 7. Este nivel a su vez también está conectado a un selector  que procede de la misma forma que el anterior al recibir el segundo dígito. El proceso así se repite hasta que el último dígito completa la conexión con el abonado deseado.

Las centrales Crossbar, que fueron inventadas por L.M. Ericsson de Suecia, son más recientes que las equivalentes de Strowger. Tienen en común que ambas usan llaves electromecánicas. Sin embargo en los sistemas crossbar  cada llave puede manejar mas de una llamada a la vez y todos los números discados son almacenados en un registro de enrutamiento antes del posicionamiento de la llave. De esta forma, vemos que el sistema Crossbar tiene una forma de control central a pesar que también es electromecánica.

El termino “crossbar” o “barras cruzadas” proviene de la utilización de barras horizontales y verticales cruzadas para seleccionar inicialmente los contactos. Una vez establecidos, estos contactos son mantenidos a través de electroimanes alimentados con corriente continua que pasa a través del circuito establecido.

Los diseños modernos han evolucionado a partir de la Crossbar. En primer lugar, las llaves fueron miniaturizadas inicialmente a través del uso de relés de lengueta ( reed relays) y mas tarde mediante el uso de dispositivos de estado sólido. En segundo lugar, el área de control se ha ido convirtiendo paulatinamente a estado sólido de manera tal que un controlador moderno es muy similar a , y a veces lo es , una computadora digital.

Esta combinación constituye una central telefónica electrónica moderna. Su evolución podría verse como debida principalmente a la disponibilidad de nueva tecnología, pero de hecho lo inverso es cierto en muchas áreas. Las telecomunicaciones han sido las que manejaron a la tecnología en lugar de ser manejadas por ella. Basta con recordar que el transistor, el elemento fundador de la industria electrónica moderna, fue descubierto en los Laboratorios Bell de Telefonía.

La siguiente y última etapa en esta evolución es la conversión de la llave en si misma a tecnología digital (usando, por ejemplo, un pequeño transistor).

Si pensamos que hoy en día se pueden incluir millones de transistores en un chip del tamaño de la yema de un dedo, comprenderemos la impresionante diferencia de tamaño entre una central primitiva (Strowger) y una electrónica.

 

MATRICES DE CONMUTACIÓN

 

Una forma mas simplificada de representar la Figura 1 anterior es la indicada a continuación:

 

En esta figura, se representan con un circulo los puntos de cruce entre las distintas líneas telefónicas. Un punto de cruce abierto es aquel en el que no existe contacto eléctrico. Un punto de cruce cerrado o activo es aquel en el que existe un contacto eléctrico. De esta forma, en esta figura queda establecido el vínculo para que pueda hablar A con B.

Las otras dos combinaciones que se pueden dar en este sistema son las siguientes:

 

Vemos que son necesarios 3 puntos de cruce para comunicar a tres teléfonos entre si.

Los puntos de cruce son agrupados en matrices con puntos de acceso que se multiplican a lo largo de filas y columnas ( m entradas y n salidas) como se muestra en la siguiente figura:

 

Cada conexión se establece entre un punto de acceso vertical ( una columna ) y un punto de acceso horizontal ( fila ) cerrando el contacto ( punto de cruce ) en la intersección de la fila y la columna correspondientes a los puntos de acceso. Durante la llamada, un único punto de cruce está activado ( cerrado ) por fila y por columna.

Este tipo de matriz, es utilizada para conectar cualquiera de las m entradas con cualquiera de las n salidas. El número de puntos de cruce es m x n.

Normalmente, no es económico ( excepto en centrales muy pequeñas) tener todas las salidas y entradas interconectadas a través de una única y gran matriz de conmutación con tantos puntos de cruce.

En este tipo de matriz el bloqueo interno es cero, esto significa que si una de las n salidas está libre, siempre podrá ser accedida por una de las m entradas. En una matriz con bloqueo interno se acepta que aún cuando la salida a la que se quiere acceder está libre, existe una probabilidad de que no exista un trayecto disponible para conectar a la salida con la entrada llamante.

Para reducir el número de puntos de cruce en una red de conmutación, también es posible diseñar estructuras en la cual hay entradas que no tienen acceso a todas las salidas. En este caso, se dice que la accesibilidad es limitada, sino, se dice que es completa.

Utilizando una matriz de conmutación para conectar a 8 abonados entre sí nos llevaría al siguiente esquema:

Si nos ponemos a pensar un poco, nos daremos cuenta que el peor caso posible se da cuando la mitad de los abonados se encuentra hablando con la otra mitad. Este hecho se considera en la figura siguiente, donde se ve que el número de puntos de cruce de conmutación se reduce en un factor de 2 y aún así es posible conectar a cualquier abonado con cualquier otro en cualquier instante (esto es, la red continúa siendo  sin bloqueo).

Así, para 8 teléfonos vamos a necesitar 28 puntos de cruce (8×7/2 = 28) como se indica a continuación:

El máximo número posible de conversaciones es 4 ( la mitad de los abonados hablando con la otra mitad ). En la práctica, es poco probable que todos los abonados estén usando el teléfono al mismo tiempo (la probabilidad se aproxima a cero a medida que crece el número de abonados), y sería extravagantemente innecesario e impracticable proveer un equipo con dicha capacidad. En lugar de esto, es suficiente en la práctica proveer el equipamiento necesario  para satisfacer el pico promedio de tráfico ( generalmente, en el orden del 10% de las líneas activas).

Si decidiéramos proveer un máximo de 2 conversaciones entre los 8 abonados, deberíamos utilizar el siguiente arreglo en donde los puntos de cruce se reducen de 28 a 16:

La figura muestra al abonado B hablando con el F y al E con el C. Cualquier otro abonado que en ese momento desee conectarse no podrá ya que no existen puntos de cruce disponibles para efectuar la conexión.

Sin embargo, para un número práctico de líneas, una red de conmutación se organiza en tres etapas para economizar puntos de cruce (aunque para el caso particular de 8 abonados los puntos de cruce aumentan de 16 a 20). Para el ejemplo anterior, la red nos quedaría así:

La etapa que se encuentra más a la izquierda es la etapa de concentración, que concentra 8 líneas a 2 enlaces. La etapa central, es la etapa de distribución, que provee acceso completo desde cualquier entrada a cualquier salida. La etapa que se encuentra más a la derecha es la etapa de expansión, en la que se expanden 2 enlaces a 8 líneas .

 

 

ABONADOS Y TRAFICO

Un abonado no utiliza su teléfono todo el tiempo, y su teléfono ( y línea ) puede estar ya sea libre u ocupado. La actividad de una línea se puede medir en base a la proporción de tiempo durante el cual está ocupada y a esta proporción se la denomina tráfico del abonado ( o con mayor exactitud, intensidad media de tráfico).

Las centrales de conmutación telefónicas son dimensionadas de acuerdo a cargas de tráfico estimadas con anticipación. A pesar de que estas no se pueden predecir en detalle, existe una colección bastante amplia de datos estadísticos que permiten a los ingenieros en telecomunicaciones hacer suposiciones razonables sobre la carga de tráfico diaria y en consecuencia sobre la performance que se requiere en el controlador.

 

El problema con el tráfico telefónico es que es absolutamente aleatorio. Por otro lado, esta dificultad puede ser traducida en un beneficio debido a que, suponiendo que es verdaderamente aleatorio es posible desarrollar una teoría estadística que permita predecir el comportamiento del sistema telefónico con bastante precisión. La fórmula que engloba a esta teoría se denomina Formula de Erlang debida a su inventor, un matemático Dinamarqués. La fórmula no es repetida aquí ya que se encuentra disponible en cualquiera de los muchos libros que se ocupan del tema ( por ej. Bear, D., Principles of Telecommunication Traffic Engineering, Peter Peregrinus, 1980).

Lo importante es analizar como se mide el tráfico.

La intensidad del tráfico telefónico es una medida que combina el número de llamadas y su duración. Para hacer una apreciación práctica debe referirse a un período fijo de tiempo.

Este período es el denominado “hora cargada” y esta va a variar según sea la naturaleza del negocio en particular.

La unidad de medida Americana es el CCS. Para determinar el número de CCSs generados en un sitio en particular, se suman todas las llamados y su duración ( en segundos) en la hora cargada y se lo divide por 100. De esta forma, una llamada que dure una hora es equivalente a 360 CCSs.

La medida Europea y que se usa también aquí en Argentina es el erlang. La cantidad de tráfico en erlangs se define como el número de llamadas que ocurren durante la hora cargada multiplicada por el tiempo medio de duración de las llamadas. De esta forma, una llamada mantenida durante una hora es equivalente a 1 erlang. Luego, 1 erlang es equivalente a 360 CCSs.

Ambas mediciones por lo tanto proveen una representación de la duración total de las llamadas para un grupo de teléfonos, troncales, o lo que fuera. Así, por ejemplo, si un grupo de 30 teléfonos genera c/u 2 llamadas en la hora cargada, y el tiempo promedio de duración de las mismas es 2’, la intensidad de tráfico en erlangs será simplemente 30x2x2, todo dividido 60 para pasarlo a horas, resultando 2 erlangs.

Si los 30 teléfonos están conectados a una misma central y todas las llamadas se deben enrutar hacia otra central, cuantos troncales hacen falta para conectarlas? Lo más sencillo sería conectar 30 troncales. Esto daría accesibilidad total, pero sería prohibitivamente caro y los troncales serían raramente usados. De hecho c/u estaría siendo usado solo 4’ en la hora cargada! Por lo tanto suministramos menos troncales, lo que tendrá su efecto colateral: si se suministran menos troncales, entonces habrá una probabilidad que todos los troncales estén siendo usados cuando alguien quiera hacer una llamada. La formula de Erlang es utilizada para determinar esta probabilidad, llamada normalmente probabilidad de bloqueo o grado de servicio. El grado de servicio es expresado normalmente en llamadas perdidas. Un grado de servicio de 1 en 100 significa que una  llamada en 100 serán perdidas. Esto es lo mismo que decir una probabilidad de bloqueo de 0.01.

 

 

ORGANIZACIÓN GENERAL DE LA RED

Al aumentar la utilización del teléfono y querer los clientes de una zona conectarse con los de otra se hace necesaria la interconexión de las áreas de servicio individuales a través de troncales entre las centrales telefónicas.

Cuando la cantidad de centrales creció mucho, cada nueva central que se agrega se debe conectar con  el resto lo cual complica el crecimiento de la red. Surge así la necesidad de agregar un conmutador que conecte a estas oficinas, de manera que cada nueva central que se agregue sólo necesite conectarse a ese punto. De esta forma se evoluciona hacia un segundo nivel de conmutación. El primer nivel conmuta a abonados y se la denomina Central Local y el segundo nivel conmuta a centrales y se la denomina Centro de Tránsito o Tándem.

La continua demanda por conexiones de distancias cada vez más largas, junto con la mejora en los medios de transmisión de larga distancia, estimulo aún más niveles de conmutación. De esta forma la red de telefonía pública en los Estados Unidos ha evolucionado a un total de 5 niveles, como se indica en la siguiente tabla:

 

 

En términos generales, una red de comunicación conmutada está compuesta por nodos de conmutación y enlaces de transmisión entre los nodos. En una representación simbólica de una red de telefonía pública, los nodos de conmutación representan a las diferentes oficinas de conmutación, y los enlaces de transmisión representan a los troncales entre oficinas. La figura siguiente describe una red de conmutación jerárquica como la que constituye la columna vertebral de la red pública, con la salvedad de que aquí se muestran solo tres niveles  de conmutación:

 

 

Una deficiencia significativa de la estructura jerárquica mostrada arriba es que sólo existe un camino entre cualquier par de oficinas de conmutación siendo así muy vulnerables a las fallas tanto en los enlaces de transmisión como en las oficinas de conmutación. Para delimitar esta vulnerabilidad y para proveer interconexiones más económicas entre pares de oficinas de conmutación con altos volúmenes de tráfico, la columna vertebral de la red es reforzada con varios troncales de alto uso. Estos troncales de alto uso son empleados para conexiones directas entre oficinas de conmutación con altos volúmenes de tráfico entre ellas. Normalmente el tráfico entre dos de estas oficinas se enruta a través de los troncales directos. Si estos se encuentran ocupados ( lo que puede ocurrir frecuentemente si son altamente utilizados ) la columna vertebral de la red jerárquica aun está disponible para un enrutamiento alternativo.

El tráfico se enruta siempre a través del nivel más bajo disponible de la red. Este método no solo emplea menos recursos de la red, sino que también implica una mejor calidad del circuito establecido debido al empleo de un camino más corto y menos puntos de conmutación.

Además de los troncales de alto uso, la columna vertebral de la red jerárquica se refuerza con centrales Tándem empleadas en los niveles más bajos de la red para proveer conmutación entre centrales locales.  La función básica de una central Tándem es interconectar aquellas centrales locales cuyo volumen de tráfico entre ellas no justifica la instalación de un troncal directo.

En términos generales cualquier máquina de conmutación colocada entre dos centrales locales cumple la función de tándem. Así, las centrales interurbanas o de larga distancia ( en inglés toll switch: toll tiene su origen en la abreviatura de “transmision over long lines” o “transmisión por líneas largas”) proporcionan un servicio tándem también. Sin embargo en la jerga telefónica se reserva el término tándem específicamente para los conmutadores intermedios dentro de un área local.

 

 

 

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