Telefonia III (diário 2012-1)

Histórico

Mr. Watson – come here – I want to see you. (Sr. Watson – venha aqui – eu quero lhe ver) (Bruce, 1990). Com esta frase, dita a seu ajudante em 10 de março de 1876 por Alexander Graham Bell através da sua última invenção, o telefone, inaugurava-se o mundo das telecomunicações. De lá para cá, o universo das telecomunicações passou por diversas transformações, das quais se pode destacar a utilização da transmissão sem fio por pioneiros como o padre Landell de Moura (Diego Medeiros e outros, 2008).

Atualmente o processo de convergência das tecnologias de telecomunicações e processamento de informações (via sistemas computacionais) tem promovido profundas alterações nas organizações do trabalho na indústria, no comércio, na prestação de serviços, nas pesquisas, na vida particular do cidadão, na saúde e na educação. O acesso à informação tem se tornado cada vez rápido e ubíquo1(no sentido de que independe de dispositivo e localização). 1-que está ao mesmo tempo em toda parte. Na computação, ubíqua é a capacidade de estar conectado à rede e fazer uso da conexão a todo o momento De certa forma, a evolução dos sistemas de telecomunicações se confunde com a criação e evolução do sistema telefônico.Por volta de 1854, 10 anos após a invenção do telégrafo, a telegrafia já estava disponível em vários países como um serviço para o público em geral. Com o crescimento da demanda por serviços de comunicações, não era mais possível ter um sistema como as invenções iniciais de Bell, com linhas diretas e dedicadas entre os usuários.

Telégrafo

A solução então foi a utilização de recursos compartilhados chaveados ou comutados entre as conversações por isso o termo Rede Telefônica Pública Comutada (RTPC), usado até hoje para se referir ao sistema telefônico público em geral. Para haver comunicação telefônica era então necessário o estabelecimento de um circuito (caminho) entre a origem e o destino durante o tempo de conversação.

Nos primeiros sistemas telefônicos era usada a técnica de chaveamento físico manual com o uso de operadores humanos. A telefonista recebia o pedido de ligação e era encarregada de fechar fisicamente (através de cabos e conectores os circuitos entre chamador e chamado, bem como liberar o circuito após o término da conversação. Os aparelhos eram dotados de uma manivela que ao ser girada, gerava uma corrente elétrica que acionava o alarme na mesa da operadora.

A primeira central eletromecânica foi inventada em 1891 por Almon Strowger. Essa central possuía capacidade para 56 terminais telefônicos. Era composta por:

• Um disco com dez dígitos instalado no telefone do assinante, gerando pulsos de corrente que representam os dígitos de zero a nove, o que permitia à central determinar o telefone para o qual se pretendia ligar;
• Na central havia um comutador com um braço rotativo que se movia num arco semicircular com dez contatos, cada um ligado a uma linha ou a outro comutador, sendo o braço controlado pelos impulsos de corrente enviados pelo aparelho do assinante.

Esse sistema foi utilizado até a década de 1970, até o surgimento dos sistemas com dispositivos de comutação eletrônicos e, nos anos de 1980, a comutação passa por centrais totalmente digitais, onde os computadores substituíram os mecanismos eletromecânicos. Surgida ainda na década de 1950 (decorrente da invenção do transistor em 1948), as centrais telefônicas por programa armazenado (CPA´s) evoluíram e para oferecer uma série de vantagens em termos de operação, manutenção e provisão de serviços de telefonia. As centrais por programa armazenado (CPA´s) começaram a unir os mundos analógico e digital, além de ser o primeiro passo na integração da computação com a telefonia. Primeiro por começar a ter alguma inteligência embutida (programa armazenado), mas continuavam a tratar sinais analógicos, quantizado-os e codificando-os na forma de informação digital (bits). Em alguns aparelhos digitais, o processo de digitalização já acontecia no próprio terminal do usuário.

No PABX o processo convencional ocorre: o sinal digital de cada usuário (canal) é comutado (seleção física de circuito) para uma linha específica, convertido novamente para sinal analógico e encaminhado para a central pública, usando um par de fios para cada ligação. Se for usado um equipamento que suporte placas E1 e se contrate tal serviço de uma operadora, múltiplos canais são transmitidos/recebidos digitalmente a cada intervalo regular de tempo, usando-se um único meio físico (par defios, coaxial, fibra) para a conexão com a central pública. Isso é chamado de conexão digital.

Vantagens:

• Maior confiabilidade e imunidade a ruídos; Redução de espaço físico;Baixo custo;Maior capacidade; Discagem direta a ramal
• Idenficação do assinante chamador
• A interface E1 utiliza o sistema PCM30 que permite a transmissão “simultânea” de 30 ligações.
• Em um sistema PCM acontece a amostragem, a quantização em relação a uma referência fixa e então a codificação, resultando em um sinal digital

Então os sinais digitais podem compartilhar o mesmo meio físico sem “quebra” da conversação. Essa técnica consiste em associar intervalos de tempo para cada amostra digital da voz e transmitir em intervalos de tempo regulares.

A segunda técnica é a TDM (time division multiplexing) = há cada 125 microsegundos a estrutura anterior se repete, o que equivale dizer que um segundo, transmite 8000 amostras de voz de cada usuário (canal telefônico). Além dos 30 canais telefônicos, a estrutura PCM tem um canal para a palavra de alinhamento de quadro e de serviço (o canal 0) e um canal de sinalização (canal 16). Cada canal tem 8 bits de informação e cada estrutura tem 32 canais. Como a estrutura se repete 8000 vezes por segundo, temos uma taxa de 2,048 Mbps (8x32x8000).

Evolução

Após o patenteamento da invenção do telefone, havia uma grande demanda por essa nova invenção. Inicialmente, o mercado era voltado para venda de telefones, que era comercializado aos pares. Era o usuário quem tinha de conectar os dois aparelhos usando um fio. Os elétrons eram retornados através do solo. Se quisesse usar o aparelho para conversar com n outros proprietários de telefone, o proprietário de um telefone tinha desconectar fios em todas n residências. Em um ano, as cidades ficaram tomadas por fios que passavam pelas casas e árvores, criando um cenário de total desorganização. Logo ficou óbvio que o modelo de conexão de um telefone a outro não funcionaria.

Foi criada então a Bell Telephone Company, que abriu sua primeira estação de comutação (em New Haven, Connecticut) em 1878.

Não demorou muito para as estações de comutação da Bell System se espalharem por todos os locais. Logo as pessoas passaram a querer fazer chamadas interurbanas. Por isso, a Bell System passou a conectar uma estação de comutação à outra. Mas o problema original veio à tona mais uma vez: conectar cada estação de comutação à outra através de um cabo logo se tornou inviável. Então, as estações de comutação de segundo nível foram inventadas. Depois de algum tempo, tornaram-se necessárias várias estações de segundo nível. No final, a hierarquia cresceu, chegando a cinco níveis.

• Central Local – Ponto de chegada das linhas de assinantes e onde se faz a comutação local;
• Central Tandem – Interliga centrais locais ou interurbanas;
• Central Trânsito – Interliga dois ou mais sistemas locais, interurbanos ou mesmo internacionalmente.

Os níveis hierárquicos entre as centrais da rede pública de telefonia são chamados classes:

• Central Trânsito classe I – Representa o nível mais elevado da rede interurbana. Essa central tem pelo menos acesso a uma central internacional;
• Central Trânsito classe II – Central trânsito interurbana, subordinada a uma central classe I;
• Central Trânsito classe III – Central trânsito interurbana, subordinada a uma central classe II;
• Central Trânsito classe IV – Central trânsito interurbana, subordinada a uma central classe III e interligada a centrais locais.

Hoje em dia, o sistema telefônico encontra-se organizado como uma hierarquia de vários níveis e extremamente redundante. Embora seja bastante simplificada, a descrição apresenta a idéia básica do sistema telefônico. Cada telefone contém dois fios de cobre que saem do aparelho e se conectam diretamente à estação final (também denominada estação central local) mais próxima da companhia telefônica. Normalmente, a distância varia de 1 a 10 Km, sendo menor nas cidades do que no campo. Se um assinante conectado a determinada estação final ligar para um assinante da mesma estação, o mecanismo de comutação dentro da estação configurará uma conexão elétrica direta entre dois loops locais (conexão através de dois fios entre o assinante do telefone e a estação final). Esta conexão permanece intacta durante a chamada.

Se o telefone chamado estiver em outra estação final, outro procedimento será usado. Cada estação final contém um número de linhas de saída para uma ou mais estações de comutação denominadas estações interurbanas (ou se estiverem na mesma área, estações tandem).

Essas linhas são denominadas troncos de conexões interurbanas. Se as estações finais do transmissor e do receptor tiverem um tronco de conexão interurbana ligado à mesma estação interurbana, a conexão poderá ser estabelecida dentro da estação interurbana.

Se o transmissor e o receptor não compartilham a mesma estação interurbana, o caminho terá de ser estabelecido em um ponto mais alto da hierarquia. Existem as estações principais, locais e regionais que formam uma rede através da qual as estações interurbanas estão conectadas. As estações interurbanas, principais, locais e regionais se comunicam entre si através de troncos interurbanos de alta largura de banda (também denominados troncos entre estações). O número de tipos diferentes de centros de comutação e sua topologia varia de país para país dependendo da densidade telefônica de cada território. Nas telecomunicações, são usados vários meios de transmissão. Hoje em dia, os loops locais são formados por cabos de pares trançados. No entanto, nos primórdios da telefonia, o mais comum eram os cabos sem isolamento separados 25 cm um do outro nos pólos telefônicos. Entre as estações de comutação, o uso de cabos coaxiais, microondas principalmente de fibras óticas é bastante freqüente. No passado, a sinalização em todo o sistema telefônico era analógica, com o sinal de voz sendo transmitido como uma voltagem elétrica da origem para o destino. Com o advento dos equipamentos eletrônicos digitais e dos computadores, a sinalização digital tornou-se possível.

Em suma, o sistema telefônico é formado por três componentes principais: 1. Loops Locais (cabos de pares trançados, sinalização analógica); 2. Troncos (fibra ótica ou microonda, na sua maioria digitais); 3. Estações de Comutação.

COMUNICAÇÃO Resultado do ato de transmitir e receber informações, onde as telecomunicações tem por objetivo expandir os limites da comunicação usando tecnologia. Uma rede de comunicação é formada por: Sistemas de comunicação – interligam módulos de processamento por enlaces físicos através de um conjunto de regras Módulos processadores – qualquer dispositivo capaz de se comunicar pelo sistema de comunicação (computadores, telefones, máquinas copiadoras, terminais de vídeo-texto, celulares), responsáveis pela troca de informação e compartilhamento de recursos.

Como foi comprovado anteriormente, os módulos processadores de comunicações requerem um sistema de chaveamento para tornar a comunicação economicamente viável. Isso além de minimizar custos, elimina a necessidade de roteamento, uma vez que concentram as mensagens em um nó central e o gerenciamento das comunicações por um só nó pode ser feita por chaveamento de pacotes – do nó de origem ao nó central, que o encaminha ao destino ou chaveamento de circuitos – o nó central baseado nas informações recebidas, estabelece um canal entre origem e destino durante toda a conversação. Então, devem ser estabelecidas regras de endereçamento para localizar univocamente cada estação conectada ao sistema. Em telefonia, este é o plano de numeração. Em qualquer topologia que seja adotada onde haja elementos intermediários, o módulo processador deve ser capaz de reconhecer se uma informação deve ser passada adiante ou se ele próprio é o destinatário. Os endereços de origem e destino, no entanto somente são necessários durante o tempo de estabelecimento da conexão. Como várias tarefas foram acrescidas aos módulos processadores (armazenamento, processamento, encaminhamento), foram também sendo agregados sistemas externos de comunicação (os DCE´s – data communicating equipaments e os DSE´s – data switching equipaments).

ENLACES DE TRANSMISSÃO O processo de comunicação envolve a transmissão da informação pelos enlaces que compõe as topologias de rede. Nesse processo é necessária a codificação das informações em uma forma propícia de transmissão em cada um dos enlaces físicos disponíveis, o que corresponde à produção de sinais capazes de se propagar pelos meios envolvidos.

CARACTERÍSTICAS DOS SINAIS Sinais são representações da variação de alguma grandeza física ao longo do tempo, que traduz a informação transmitida. Por exemplo, se produzirmos variação de tensão em uma extremidade de um par de condutores, pela característica física do meio, essas variações poderão ser observadas e medidas na outra ponta. Todos os sinais naturais tais como som e imagem são analógicos e caracterizam-se por apresentar variações contínuas no tempo assumindo infinitos valores dentro de sua faixa dinâmica. Os sinais digitais variam no tempo de forma discreta, isto é, caracterizam-se por pulsos que assumem número finito de níveis de valores definidos. Desta forma trazem a possibilidade de separação do ruído e imunidade aos problemas de intermodulação pois enquanto os sinais analógicos carregam informação em forma de sua variação contínua de nível, sendo impossível corrigir perturbações interferentes, os sinais digitais carregam informação no conteúdo binário dos pulsos, interessando tão que se preserve a capacidade de distinção entre os níveis discretos que estes pulsos podem assumir. Durante muito tempo a tecnologia analógica dominou os processos de tratamento de sinais apesar de todos os inconvenientes inerentes. Embora a fundamentação teórica de conversão digital de sinais analógicos remonte desde a década de trinta, sua adoção comercial em sistemas de transmissão foi postergada até que o desenvolvimento dos circuitos digitais facilitassem sua implementação e reduzissem seu custo. Qualitativamente superior, menor custo, facilidade de implementação e possibilidade de tratamento por sistemas inteligentes, enfim, só vantagens fazem com que apenas os sistemas digitais sobrevivam. Disco-laser, centrais digitais, fibra ótica e RDSI são alguns exemplos da penetração desta tecnologia. A conversão digital consiste na transformação do sinal analógico em pulsos onde o conteúdo binário carrega a informação sendo o bit a unidade mínima. Normalmente nos sistemas de transmissão o sinal digital é transmitido de forma serial onde um número determinado de bits, em código binário, representa um segmento da informação. Para que possamos entender como uma sequência de códigos binários pode carregar a informação contida num sinal analógico torna-se necessário conhecermos a teoria da amostragem que demonstra a tradução deste sinal por amostras representativas possibilitando então sua digitalização. A teoria da amostragem portanto diz que qualquer sinal de informação analógico pode ser traduzido por amostras representativas coletadas periodicamente em intervalos regulares desde que esta frequência de amostragem seja pelo menos duas vezes maior que a maior frequência do sinal de informação (Fa = 2Fm: Frequência de Nyquist). Na prática geralmente se adota frequência superior a frequência de Nyquist de forma a oferecer suficiente faixa de guarda para facilitar a filtragem seletiva da informação. A este sinal amostrado chamaremos de P.A.M. .

Por exemplo, se cada amostra do sinal de voz for produzida, antes da transmissão, e codificada, durante o processo, utilizando 8 bits, então o sinal resultante para a transmissão será um sinal digital de taxa igual a (8.000 amostras/seg x 8 bits) = 64 Kbps, taxa utilizada em um dos padrões internacionais mais adotados para codificação de voz em sistemas de telefonia digital.

BANDA PASSANTE Ainda no século XIX, um famoso matemático francês chamado Jean Fourier provou que qualquer sinal pode ser considerado como uma soma (possivelmente infinita e contínua) de sinais senoidais de diversas freqüências. Cada sinal senoidal é denominado um componente do sinal original. Em outras palavras, o sinal pode ser descrito de duas formas equivalentes: uma no domínio do tempo e outra no domínio da freqüência, em que o sinal é definido em termos de seus componentes. No domínio da freqüência significa representar, para cada freqüência do espectro, a amplitude (ou potência) daquele componente (senoidal) na composição do sinal. Apesar do sinal de voz variarem de acordo com o que está sendo falado, como e por quem, observa-se que certas características se mantem semelhantes quando analisamos os espectros de vários sinais de voz. Analisando então estatisticamente uma série de amostras do sinal de voz, poderemos traçar não mais o espectro de um sinal específico, mas o espectro de um sinal de voz genérico.

MEIOS FÍSICOS

Qualquer meio físico capaz de transportar informações eletromagnéticas é passível de ser usado em redes de comunicação. Os meios físicos são classificados em guiados (cabos) e não guiados (atmosfera ou espaço livre).

MULTIPLEXAÇÃO

A definição de uma banda passante para um sinal determina o intervalo de freqüências para suas componentes consideradas mais significativas. A partir disso estamos aceitando um compromisso de degradação da qualidade. As economias em escala tem importante papel no sistema telefônico. Basicamente o custo é o mesmo para instalar e manter um tronco de largura de banda larga ou um tronco de largura de banda estreita entre duas estações de comutação, ou seja, os custos são decorrentes da instalação em si e não do uso de fios de cobre ou das fibras óticas.

Como consequência, as companhias telefônicas desenvolveram esquemas elaborados para multiplexar muitas conversações em um único tronco físico.

MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSO (PCM)

O sinal amostrado P.A.M., apesar de já não se apresentar de forma contínua, ainda mantém a característica dos sinais analógicos em assumir infinitos valores dentro de sua faixa de variação. Para efetuarmos a modulação em código de pulso – PCM (codificação do sinal analógico através de código binários) associando códigos binários com número limitado de bits a cada uma das amostras é necessário limitarmos também o número de níveis possíveis de serem assumidos por estas amostras. Para isto, num processo definido como quantização, a dinâmica do sinal é dividida em níveis com códigos binários associados, aos quais serão então aproximados os valores reais das amostras do sinal P.A.M.. Por estas considerações torna-se evidente o surgimento de erros no processo de quantização resultante da diferença entre os níveis reais das amostras e os níveis quantizados. Como consequência teremos distorção com ruído associado ao sinal quando de sua recuperação. De qualquer forma, apesar de inevitável, o erro de quantização pode ser reduzido tanto se queira desde que se possa dividir a dinâmica do sinal em maior número de níveis e é claro se possa utilizar um número maior de bits de codificação já que valores de quantização = 2 elevado a n (n bits de codificação). A diferença entre dois valores quantizados é definida como quantum portanto o erro resultante da quantização será no máximo correspondente a ½ quantum e será provavelmente o mesmo para qualquer das amostras independente de seu nível. Uma maior quantidade de níveis de quantização evidentemente determinará uma melhor relação sinal/ruído de quantização. Por outro lado o aumento do número de níveis de quantização implicará no aumento do número de bits de codificação exigindo maior velocidade de transmissão e consequentemente maior banda passante. Existe, portanto, um compromisso entre relação sinal/ruído e a banda passante exigida para transmissão do sinal digitalizado. Em telefonia este compromisso determinou 8 bits de codificação por amostra traduzindo 256 níveis de quantização e uma relação sinal/ruído de quantização melhor que 40db. Como o sinal de voz pode variar nas frequências entre 300 e 3400Hz foi adotadato uma faixa de 0 a 4KHz para a mesma. Como pela frequência de Nyquist Fa = 2Fm, teremos uma frequência de amostragem de 8000 amostras/s codificadas em 8 bits teremos um sinal digitalizado com uma velocidade de transmissão de 64Kb/s.

MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE TEMPO

A multiplexação por divisão de tempo baseia-se no princípio de que um sinal pode ser transmitido por amostras representativas de curta duração coletadas periodicamente em intervalos regulares de tempo. No espaço vago de tempo entre duas amostras do mesmo sinal podemos intercalar amostras de outros sinais de informações. Um circuito amostrador coleta sequencialmente amostras dos vários sinais em ciclos definidos pela frequência de amostragem. Estes ciclos, denominados de Quadros, são divididos em intervalos de tempo IT’s reservados as amostras. Para a demultiplexação é necessário que se tenha um circuito distribuidor em sincronismo com o circuito de coleta de forma a enviar estas amostras a seus destinos correspondentes. O tempo de duração do quadro corresponderá a

T=1/Fa (Fa = frequência de amostragem)

e os intervalos de tempo IT’s dependerão do número N de sinais a serem multiplexados (IT = Tquador/N). Teremos portanto intervalos de tempo tão menores quanto maior for o número de sinais a multiplexar. Geralmente os sistemas TDM associam o processo de modulação em código de pulso – PCM às amostras dos sinais formando sistemas TDM/PCM. Cada uma destas amostras será então transformada em 8 bits que ocuparão cada um dos intervalos de tempo do quadro TDM e o sinal digital composto terá uma velocidade de transmissão proporcional ao número de sinais multiplexados. Em telefonia a frequência de amostragem foi definida e padronizada em 8KHz, a duração do quadro será de 125 micro segundos. A hierarquização no TDM/PCM é dividida em ordens de hierarquia com três padrões existentes hoje no mundo. O Brasil segue o padrão europeu onde temos 30 canais na multiplexação de primeira ordem (E1), 120 canais na multiplexão de segunda ordem (E2), 480 canais na terceira ordem (E3) e 1920 canais na quarta ordem (E4). Os sistemas multiplex de ordem inferior são definidos como tributários dos sistemas de ordem superior a que estão ligados. É óbvio que a velocidade de transmissão dos sistemas de ordem superior deve compreender as velocidades dos sistemas de ordem inferior já que enquanto cada tributário mantém aberta uma janela de tempo t o sistema de ordem superior deverá abrir janelas de período t/n tributários e portanto terá uma velocidade n vezes maior.

Na verdade esta velocidade será ainda um pouco maior de forma a compreender também sinais auxiliares de sincronismo e supervisão.

• E1: 32 canais x 64Kbs = 2048Mbs (canal 0 p/ sincronismo e alarme, canal 16 p/ sinalização, de 1 a 15 e 17 a 31 p/ voz);
• E2: 4 x E1 = 8448Kbs
• E3: 4 x E2 = 34368Kbs

Grandes esforços foram empregados no sentido de acrescentar novas funções a rede telefônica, de forma a poder incorporar algum poder computacional para suporte às linhas de dados, além de melhorar as funções de chaveamento das ligações telefônicas às quais eram primeiramente dedicados. As vantagens desse procedimento são óbvias: os equipamentos de dados poderão usar os mesmos cabos e dutos oferecidos aos telefones, e o custo de novos equipamentos pode ser justificado pelas novas vantagens dos serviços telefônicos melhorados.