Seção: Guia

Em 1876 nos Estados Unidos o cientista e inventor Alexander Grahan Bell inventou o telefone, patenteou a invenção e em 1878 criou sua empresa Bell Telephone Company. No início, usuários dessa nova invenção precisavam conectar um fio de cobre ligando a sua residência até o ponto de destino desejado. Foi então que a empresa de Alexander Grahan Bell observando o desorganizado cenário que isso proporcionava abriu sua primeira estação de comutação. A empresa era encarregada de conectar a casa ou escritório do usuário até a central telefônica, assim o usuário somente precisaria girar uma manivela para chamar a atenção de um operador de plantão, e este conectava manualmente o emissor ao receptor da chamada usando um jumper para realizar a comutação, esta técnica era conhecida como chaveamento físico manual.

Após alguns anos Almon Strowger em 1891 desenvolveu a primeira central telefônica automática eletromecânica de chaveamento, neste caso não era mais necessária a intervenção humana para realizar o chaveamento das chamadas e assim dispensando a manivela de comutação manual, os procedimentos de chamadas eram realizados através de novos dispositivos de discagem.

Com o surgimento das centrais telefônicas entrou em operação a Rede Pública de Telefonia Comutada (RTPC), operadas por empresas responsáveis pelo serviço telefônico. Basicamente a RTPC é formada por um conjunto de estações, e cada estação atende os usuários interligando-os através de uma malha de cabos de cobre ou fibra óptica.

Tanembaum (2003, p. 129) afirma:

"Em suma, o sistema telefônico é formado por três componentes principais:

1. Loops locais (pares trançados analógicos indo para as residências e para as empresas).

2. Troncos (fibra óptica digital conectando as estações de comutação).

3. Estações de comutação (onde as chamadas são transferidas de um tronco para outro).”

A figura 1 exemplifica uma rede de telefonia comutada, nesse modelo existe uma central de comutação encarregada de fazer a comutação entre os assinantes do sistema telefônico.

Figura 1: Central de Comutação

Sinais Analógicos e Digitais

Sinais analógicos são grandezas que oscilam entre limites inferiores e limites superiores e podem assumir valores contínuos positivos ou negativos, estes sinais se propagam como ondas elétricas através de um meio físico. A figura 2 ilustra a curva senoidal estabelecida em sinais analógicos.

Figura 2: Sinal analógico

No antigo sistema de telefonia, a vibração acústica gerada pela voz é convertida em sinais analógicos, sendo assim transmitida através da corrente elétrica que varia entre 0 e 48 Volts em um par de fios de cobre, essa corrente trafega até o ponto onde é recebida e depois convertida em sinais acústicos novamente (Tanembaum, 2003).

Cisco (2013) afirma que sinais digitais oscilam entre dois valores discretos, e são caracterizados por ser de ordem binária, tais valores podem assumir o valor "um” para ligado, ou valor "zero” para desligado. A figura 3 ilustra a característica dos sinais digitais binários.

Os sinais digitais são mais rápidos e mais confiáveis do que os sinais analógicos e estão menos sujeitos a erros de transmissão. No sistema atual de telefonia os sinais analógicos gerados do lado chamador, tal como a corrente elétrica ou a voz humana são convertidos em valores binários digitais, trafegam até o destino e são convertidos em sinais analógicos novamente no lado receptor da chamada (Cisco, 2013).

Figura 3: Sinais Lógicos Binário

Multiplexação

Multiplexação apresentada na figura 4 é uma técnica desenvolvida pelas companhias telefônicas para o aproveitamento da banda passante onde são transmitidos os sinais elétricos, essa técnica consiste em transmitir mais de um sinal de voz em um único meio físico, existe a multiplexação por divisão de frequência, multiplexação por divisão de comprimento e multiplexação por divisão de tempo.

Segundo Colcher (2005, p.37), "A banda passante necessária para que um sinal de voz tenha qualidade telefônica vai de 300 a 3.400 Hz, não sendo, portanto, necessário transmitir componentes fora dessa faixa para tal aplicação”.

Neste caso o conjunto de frequências que formam esses sinais é denominado banda passante, muitas vezes é maior do que a banda necessária para que a voz humana seja transmitida com qualidade telefônica. O uso da técnica de multiplexação permite o tráfego de vários sinais de comunicação de forma simultânea aproveitando ao máximo toda a banda passante através do meio físico.

Figura 4: Sinal Multiplexado (Dígitro, 2013)

Multiplexação por Divisão de Frequência

A multiplexação por divisão de frequência ou (FDM) denominada técnica de modulação separa os sinais em frequência diferentes para que não haja interferências entre esses sinais, e eles possam trafegar sobre a mesma banda de forma conjunta, conforme ilustrado na figura 5. Basicamente, essa técnica permite trafegar sinais com mesmos valores, porém operando com frequências diferentes.

Sistemas de TV aberta, estações de rádio são exemplos onde é usada a FDM para multiplexação de sinais. Na telefonia moderna, ela é muito usada em linhas analógicas entre centrais telefônicas de acesso a assinante (Colcher, 2005).

Figura 5: Multiplexação por Divisão de Frequência (Tanembaum, 2003)

Multiplexação por Divisão de Tempo

Na multiplexação por divisão de tempo ou (TDM) ilustrado na figura 6 cada canal utiliza uma fatia de tempo para o tráfego em um meio físico, isso quer dizer que é transmitido apenas um sinal por vez, diferente do FDM que em seu caso transmite vários sinais. A multiplexação por divisão de tempo é dividida entre síncrono e assíncrono.

No TDM síncrono o intervalo de tempo é dividido em tamanho fixo chamado ciclos onde cada ciclo é dividido em vários intervalos, cada canal é pré-alocado de forma sincronizada, o problema do TDM síncrono é que gera um desperdício de banda pelo fato da estação não transmitir informações quando esta no seu intervalo de tempo.

Já no TDM assíncrono as informações são transmitidas assim que é detectado um meio de transmissão livre, isso se dá por não existir alocação prévia como em TDM síncrona, esta técnica trabalha utilizando fatia de tempo para cada transmissão, evitando assim que um único transmissor domine todo o enlace por um grande período de tempo.

Figura 6: TDM síncrono com três canais (Tanembaum, 2003)

Comutação

A comutação também conhecida como chaveamento, é a forma com que dispositivos de uma determinada rede se comunicam entre si, tais dispositivos como computadores ou telefones podem estar separados por diferentes topologias de redes como LAN, WAN ou MAN isso faz com que seja necessário estabelece técnicas de comutação, desde sua origem até o destino. Existem três formas de comutação: comutação de circuitos, comutação de mensagens e comutação de pacotes.

Comutação de Circuitos

Na comutação de circuitos é estabelecida uma conexão dedicada da origem até o destino alocando recursos da rede nos equipamentos, o cenário comutado por circuitos é especificado na figura 7.

Esse tipo de comutação envolve três etapas:

• Estabelecimento do circuito: onde são alocados os recursos necessários para o enlace de transmissão criando um canal de comunicação.
• Transferência das informações: é o trafego das informações sendo realizadas através das rotas já criadas pelo estabelecimento do circuito.
• Desconexão do circuito: ao ser enviando um comando de sinalização para ambos os circuitos a conexão é finalizada.

Nos primeiros sistemas de telefonia a comutação era efetuada através de operadores que manualmente comutavam os circuitos e completavam as chamadas para os usuários, e por cerca de cem anos esse tipo de comutação foi o mais usado até a invenção da central telefônica de Strowger que por sua vez comuta a transmissão automaticamente.

Figura 7: Comutação de circuitos (Tanembaum, 2003)

Comutação de Pacotes

Nesse sistema as informações são divididas em pacotes para serem transferidas, conforme a figura 8, formando unidades menores. Em cada pacote é armazenado um cabeçalho que contém as informações do endereço de destino. Esse tipo de comutação é muito eficiente para o tráfego em longas distâncias bem como em sistemas de telefonia IP, e é também base do funcionamento das redes de computadores.

O principal motivo para a criação da comutação de pacotes, é por esse sistema ser totalmente tolerante a falhas, sendo assim diferente de comutação de circuitos, que não aceita falhas por se tratar de uma conexão estabelecida utilizando os mesmos caminhos. Isto significa que a mensagem necessariamente precisaria chegar em ordem, não tolerando falhas na transmissão. Já na comutação por pacotes, estes trafegam em diferentes caminhos e assim podem chegar fora de ordem até o receptor, onde são novamente ordenados.

Figura 8: Comutação de pacotes (Tanembaum, 2003)

Formas de Sinalização

Para que uma ligação telefônica se estabeleça além de todos os procedimentos que foram abordados nos capítulos anteriores, tais como multiplexação e comutação seja ele de pacotes ou de circuitos, existe também a sinalização, uma técnica muito importante responsável pela transferência de informação entre a rede de comutação ou central telefônica e o assinante, neste caso o usuário final. As principais funções do sistema de sinalização são:

• Alerta: quer dizer o sinal gerado quando o usuário levanta o telefone do gancho para efetuar a ligação.
• Endereçamento: são transmitidos pelos usuários através das discagens nos aparelhos telefônicos por pulsos de correntes elétricas.
• Supervisão: mantida por todo percurso de comunicação, do começo ao fim da chamada, é através desse mecanismo que é possível efetuar a tarifação das ligações, em outras palavras especificando a duração, valor e hora em que as chamadas foram efetuadas.

Cisco (2013), afirma que a sinalização é muito utilizada nas comunicações entre chave e nas comunicações entre assinantes de uma central telefônica local, e podem assumir formas como tom de discagem, pulso e tom de chamada.

As formas de sinalização se dividem em sinalização por canal associado Common Channel Signalling ou CAS, e sinalização por canal comum Channel Associated Signalling ou CCS.

Na sinalização por canal associado a transferência de sinalização é executada em seu próprio meio físico, para que uma sinalização pudesse ser estabelecida eram utilizados envio de pulsos, um exemplo típico acontece quando ao discar em um aparelho telefônico que geram pulsos elétricos de acordo com o número discado, estes pulsos gerados eram enviados as centrais telefônicas automáticas, permitindo a conexão entre a origem e destino da chamada. Este tipo de discagem conhecida como discagem decádica permitiu a automação das centrais e colocando em desuso as antigas formas de sinalização com chaveamento manual feito por operadores nas primeiras centrais telefônicas.

Atualmente o novo sistema de telefonia moderno utiliza a sinalização por canal comum. Ao contrário da CAS onde a sinalização era estabelecida em seu próprio meio físico, ou seja, sendo transmitido junto aos circuitos de áudio, agora com a CCS a transmissão é feita em um meio físico separado e controlado por softwares. Essa técnica ajudou de forma considerável o tempo de discagem e resposta ao realizar uma chamada entre origem e destino.