home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Hacker's Encyclopedia 1998 / hackers_encyclopedia.iso / zines / phrack2 / p49_05.txt < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2003-06-11  |  98.4 KB  |  2,447 lines

  1.                                 .oO Phrack 49 Oo.
  2.  
  3.                           Volume Seven, Issue Forty-Nine
  4.                                      
  5.                                   File 05 of 16
  6.  
  7.  
  8.                          Introduction to Telephony and PBX
  9.                    by Cavalier[TNO]
  10.  
  11.                                 Table of Contents
  12.  
  13.  
  14.        1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . The Central Office
  15.        2. . . . . . . . . . . . . . .Private Branch Exchange (PBX)
  16.        3. . . . . . . . . Properties of Analog and Digital Signals
  17.        4. . . . . . . . . . . . . . . . .Analog-Digital Conversion
  18.        5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digital Transmission
  19.        6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiplexing
  20.        7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmission Media
  21.        8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Signaling
  22.  
  23.  
  24.     .--------------------.
  25. 1    | The Central Office |
  26.     `--------------------'
  27.  
  28. Telephones alone do nothing special.  Their connection to the rest of
  29. world makes them one of mankind's greatest achievements.
  30.  
  31. In the early days of telephone communications, users had to establish
  32. their own connections to other telephones.  They literally had to string
  33. their own telephone lines.
  34.  
  35. Although the customer inconvenience of building their own connections
  36. limited the availability of phone service, an even greater problem soon
  37. arose.  As the telephone became more popular, more people wanted to be
  38. connected.   At the time, each phone had to be directly wired to each
  39. other.  In a very short time there was a disorganized maze of wires
  40. running from the homes and businesses.
  41.  
  42. A simple mathematical formula demonstrates the growth in the number of
  43. connections required in a directly wired network:
  44.  
  45.                               I = N(N-1)/2
  46.        (I = number of interconnections; N = number of subscribers)
  47.  
  48.                             I = 100(100-1)/2
  49.  
  50. If just 100 subscribers attempted to connect to each other, 4950
  51. separate wire connections would be needed!  Obviously, a better method
  52. was needed.
  53.  
  54.  
  55. Switching
  56.  
  57.  
  58. A Central Office (CO) switch is a device that interconnects user
  59. circuits in a local area, such as a town.  The CO is a building where
  60. all subscriber phone lines are brought together and provided with a
  61. means of interconnection.  If someone wants to call a neighbor, the call
  62. is routed through the CO and switched to the neighbor.
  63.  
  64. What if someone wanted to call a friend in the next town?  If their
  65. friend was connected to a different CO, there was no way to communicate.
  66.  
  67. The solution was to interconnect COs.  Then, CO-A routed calls to CO-B
  68. to complete the connection.
  69.  
  70. Today every CO in the world is connected to every other CO in a vast
  71. communication highway known as the Public Switched Network (PSN).  The
  72. PSN goes by a variety of different names:
  73.  
  74.                  Dial-up network
  75.                  Switched network
  76.                  Exchange network
  77.  
  78. The CO provides all users (subscribers) with a connection to each other.
  79. A critical note, however, is that no CO has the resources to switch all
  80. their users simultaneously.  It would be too expensive and it is
  81. unnecessary to attempt to do so because for the vast majority of the
  82. time, only a small percentage of subscribers are on the phone at the
  83. same time.
  84.  
  85. If, on a rare occasion, all the circuits are busy, the next call will be
  86. blocked. A call is blocked if there are no circuits available to switch
  87. it because all the circuits are in use.
  88.  
  89. The term `probability of blocking` is a statistical logarithm which
  90. determines the chance that a call cannot be switched.  For modern day
  91. commercial COs, the probability of blocking is very low.
  92.  
  93.  
  94. History of COs
  95.  
  96.  
  97. Operating switching
  98.  
  99. In the first COs, a subscriber who wanted to place a call cranked a
  100. magneto-generator to request service from the local phone company.  An
  101. operator at the CO monitored subscriber connections by observing lamps
  102. on a switchboard console.  When a subscriber's lamp lit, indicating the
  103. request for service, the operator would answer: "Number please...".
  104.  
  105. The operator connected one call to another by plugging one end of a cord
  106. into the jack of the caller  and the other end of the cord into the jack
  107. of the called party, establishing a manual, physical connection.
  108.  
  109. The switchboard had to have a jack for every incoming and outgoing line
  110. that needed service.  The number of lines an operator could monitor was
  111. limited by her arm's reach.   Billing was accomplished by the operators
  112. writing up a ticket for each call designating its starting and ending
  113. times.
  114.  
  115. When telephone subscribers were few in number, this method worked fine.
  116. As the popularity of the phone increased, more phones placed more calls
  117. and it became increasingly unmanageable and expensive to manually switch
  118. and bill each call.
  119.  
  120. Strowger Step-by-Step Switch
  121.  
  122. A mechanical switch was invented in the 1890's by a Kansas City
  123. mortician named Almon B. Strowger.  He became very suspicious because
  124. callers looking for a mortician were continually referred to his
  125. competition instead to him. When he learned that the local operator was
  126. the wife of his rival, his suspicions were confirmed.  He set about to
  127. invent a switching system that would not be dependent upon human
  128. intervention.
  129.  
  130. His creation, called the Strowger or Step-by-Step switch, was the first
  131. automated electromechanical switching system.  It placed switching
  132. control in the hands of the subscriber instead of the operator by adding
  133. a dialing mechanism to the phone.
  134.  
  135. The Strowger switch completed a call by progressing digit by digit
  136. through two axes of a switching matrix in the CO.  A call was stepped
  137. vertically to one of ten levels and rotated horizontally to one of ten
  138. terminals.
  139.  
  140. It was called step-by-step because calls progress one step at a time as
  141. the customer dialed each digit of the number.  When the final digit was
  142. dialed, the switch seized an available circuit and connected the call.
  143.  
  144. The result of the step-by step switch was to eliminate the need for
  145. manual operator connection and grant privacy and call control to the
  146. subscriber.
  147.  
  148. The step-by-step switch was a wonderful invention for its day.   Today
  149. it is obsolete.  Compared to modern day switches, it is slow, noisy
  150. and too expensive to maintain.  It is also both bulky and inefficient.
  151.  
  152. The Crossbar Switch
  153.  
  154. The crossbar switch was invented and developed in the late 1920s.  One
  155. of its main technological advanced was the introduction of a hard wired
  156. memory to store dialed digits until the dialing was complete.
  157.  
  158. Unlike the step-by-step method, calls are not processed under the
  159. direct control of incoming dial pulses.  In the step-by-step method,
  160. each phone call controlled its own pathway through the switching matrix
  161. at the speed the digits were dialed by the user.  The crossbar switch
  162. introduced a better method.
  163.  
  164. Devices called registers stored the digits in memory as they were dialed
  165. by the callers.  Not until all the digits were dialed would the call
  166. begin to be switched.  Once all the digits were received and stored in
  167. the register, the register handed the digits to a processor to be
  168. examined and used to route the call.
  169.  
  170. When a pathway had been established and the call was connected, the
  171. register and processor would release and become available to handle
  172. another call. Collectively, this process was called `common control`.
  173.  
  174. Common control resulted in faster call completion and increased capacity
  175. of the switch.  With the old step-by-step, the time it would take a user
  176. to physically dial the digits would occupy valuable switch time because
  177. dialing the digits was the most time consuming part of switching a call.
  178. This 8 to 12 seconds of dialing time prevented other users from
  179. accessing the switching matrix and generally slowed things down.
  180.  
  181. The genius of the crossbar common control was to store the dialed digits
  182. as they came in and then after the user finished dialing, send the
  183. digits off for processing.  The act of dialing no longer kept other
  184. calls waiting for switch resources.
  185.  
  186. Common control created the separation of the control functions (setting
  187. up and directing the call) from the switching functions (physically
  188. creating the connections).
  189.  
  190. Crossbar Switching Matrix
  191.  
  192. Calls were connected by sharing a dedicated wire path through the
  193. switching matrix.  Crossbar switches used the intersection of two points
  194. to make a connection.  They selected from a horizontal and vertical
  195. matrix of wires, one row connected to one column.  The system still
  196. stepped the call through the network, but only after all the digits were
  197. dialed.  This method created a more efficient allocation of switch
  198. resources.
  199.  
  200. There are four important components of a crossbar switch.
  201.  
  202.    .  The marker is the brain of a crossbar switch.  It identifies a
  203.       line requesting service and allocates a register.
  204.  
  205.    .  The register provides dial tone and receives and stores the dialed
  206.       digits.
  207.  
  208.    .  The matrix is a set of horizontal and vertical bars.  The point at
  209.       which the crosspoints meet establishes the connection.
  210.  
  211.    .  A trunk interface unit, also called a sender, processes calls from
  212.       a PBX.
  213.  
  214. Although crossbar is faster and less bulky than step-by-step, it is
  215. still electromechanical and requires a lot of maintenance.  It requires
  216. huge amounts of space, generates a lot of heat, and makes a great deal of
  217. noise.
  218.  
  219. Electronic Switching System  (ESS)
  220.  
  221. The advent of electronic switching (also called stored program
  222. switching) was made possible by the transistor.  Introduced in 1965, the
  223. Electronic Switching System (ESS) greatly sped up switch processing
  224. capacity and speed and has done nothing less than revolutionize the
  225. industry.
  226.  
  227. Modern ESS switches perform five main functions to establish and
  228. maintain service in a public network.
  229.  
  230.    1. Establish a connection between two or more points
  231.    2. Provide maintenance and testing services
  232.    3. Record and sort customer billing charges
  233.    4. Offer customer features, such as call waiting
  234.    5. Allow access to operators for special services
  235.  
  236. An ESS uses computer-based logic to control the same two primary
  237. operations we introduced with the crossbar -- common control and the
  238. switching matrix.
  239.  
  240. (In an ESS, the terms stored program control, common control, and
  241. electronic switching are all synonymous.)
  242.  
  243. ESS Common Control
  244.  
  245. The function of the common control is similar to its function in the
  246. crossbar. The difference is that common control is accomplished
  247. electronically instead of electromechanically.  Like the crossbar, one
  248. group of control devices controls the functions of all lines.  However,
  249. instead of the hard wired logic of the crossbar, the control device
  250. consists of a computer with memory, storage, and programming capability.
  251.  
  252. In the ESS, the computer governs the common control.  It monitors all
  253. the lines and trunks coming into the CO, searching for changes in the
  254. electrical state of the circuit, such as a phone going off-hook.  When a
  255. subscriber goes off- hook and dials a number, the common control
  256. equipment detects the request for service and responds by returning the
  257. dial tone.  It then receives, stores, and interprets the dialed digits.
  258.  
  259. Again, similar to the workings of the crossbar, once the digits have
  260. been processed, the computer establishes a path through the switching
  261. matrix to complete the call.  After the connection for the call has been
  262. established, the common control equipment releases and becomes available
  263. to complete other calls.
  264.  
  265. ESS Switching Matrix
  266.  
  267. Recall that in the crossbar, calls were connected by sharing a dedicated
  268. wire path through the matrix, establishing a connection between an input
  269. and an output.  The matrix in an ESS is logically similar to the
  270. crossbar grid except the pathway is electronic instead of
  271. electromechanical.  Called a TDM bus, it is solid state circuitry and is
  272. printed into small computer controlled circuit boards.  The computer
  273. controls the connections and path status map to determine which path
  274. should be established to connect the calling and called parties.
  275.  
  276. Remember
  277.  
  278.       Crossbar switching matrix  =  maze of physical wire cross connections
  279.  
  280.       ESS switching matrix  =  electronic multiplexed TDM (time division
  281.       multiplexing) bus
  282.  
  283. ESS Advancements
  284.  
  285. The unprecedented advancement of the ESS was the speed and processing
  286. power advantage it had over the crossbar because it switched calls
  287. digitally instead of electromechanically.  The processing capacity that
  288. would have required a city block of crossbar technology could be
  289. accomplished by one floor of ESS equipment.  Much less effort was
  290. required to maintain the ESS because it was smaller and had fewer moving
  291. parts.
  292.  
  293. Telephone companies would have moved to the new technology for these
  294. advantages alone.  But, there was much more to be offered.  There was
  295. the power of the computer.
  296.  
  297. There are major advantages to a computer stored program.  It allows the
  298. system to perform functions earlier switches were incapable of.  For
  299. example, the switch can collect statistical information to determine its
  300. effectiveness.  It can perform self-diagnostics of circuit and system
  301. irregularities and report malfunctions.  If trouble occurs, technicians
  302. can address it via a keyboard and terminal.  The same terminal, often
  303. called a system managers terminal, allows personnel to perform system
  304. changes and to load new software, eliminating the need for manually
  305. rewiring connections.
  306.  
  307. The computer uses two types of memory:
  308.  
  309.    .  Read Only Memory (ROM) is used to store basic operating
  310.       instructions and cannot be altered by the end user.  The contents
  311.       of this memory can only be changed by the manufacturer.
  312.  
  313.    .  Random Access Memory (RAM) stores configuration and database
  314.       information.  The contents of its memory can be changed by a
  315.       system administrator.
  316.  
  317. Other important functions of the computer include
  318.  
  319.    .  Performing telephone billing functions
  320.    .  Generating traffic analysis reports
  321.    .  Generating all tones and announcements regarding the status of
  322.       circuits and calls
  323.  
  324. Computer control operates under the direction of software called its
  325. generic program.  Periodically updating or adding to the generic program
  326. allows the ESS to be much more flexible and manageable than previous
  327. switch generations because it is the software, not the hardware, that
  328. normally has to be upgraded.
  329.  
  330. Electronic switching heralded the introduction of new customer features
  331. and services.  Credit card calls, last number redial, station transfer,
  332. conference calling, and automatic number identification (ANI) are just 
  333. a few examples of unprecedented customer offerings.
  334.  
  335. The ESS is an almost fail-safe machine.  Its design objective is one
  336. hour's outage in 20 years.  In today's competitive environment for
  337. higher quality communication equipment, ESS machines provide a level of
  338. service and reliability unachievable in the past.
  339.  
  340.  
  341.  
  342.     .-----------------------------------.
  343. 2    | The Private Branch Exchange (PBX) |
  344.     `-----------------------------------'
  345.  
  346. The two primary goals of every PBX are to
  347.  
  348.          . facilitate communication in a business
  349.          . be cost effective
  350.  
  351.  
  352. Organizations that have more than a few phones usually have an internal
  353. switching mechanism that connects the internal phones to each other and
  354. to the outside world.
  355.  
  356. A PBX is like a miniature Central Office switching system designed for a
  357. private institution.  A PBX performs many of the same functions as a CO
  358. does. In fact, some larger institutions use genuine COs as their private
  359. PBX.
  360.  
  361. Although a PBX and a CO are closely related, there are differences
  362. between them
  363.  
  364.    .  A PBX is intended for private operation within a company.  A CO is
  365.       intended for public service.
  366.  
  367.    .  A PBX usually has a console station that greets outside callers
  368.       and connects them to internal extensions.
  369.  
  370.    .  Most PBXs do not maintain the high level of service protection
  371.       that must be maintained in a CO.  Assurance features such as
  372.       processor redundancy (in the event of processor failure) and
  373.       battery backup power, which are standard in a CO, may not be a
  374.       part of a PBX.
  375.  
  376.    .  COs require a seven digit local telephone number, while PBXs can
  377.       be more flexible and create dialing plans to best serve their
  378.       users (3, 4 5, or 6 digit extensions).
  379.  
  380.    .  A PBX can restrict individual stations or groups of stations from
  381.       certain features and services, such as access to outside lines.  A
  382.       CO usually has no interest in restricting because these features
  383.       and services are billed to the customer.  COs normally provide
  384.       unlimited access to every member on the network.
  385.  
  386. A PBX is composed of three major elements.
  387.  
  388.       1.  Common equipment (a processor and a switching matrix)
  389.       2.  CO trunks
  390.       3.  Station lines
  391.  
  392.  
  393. Common Equipment
  394.  
  395. The operation of a PBX parallels the operation of a Central Office ESS.
  396. Its common control is
  397.  
  398.    .  A computer operated Central Processing Unit (CPU) running software
  399.       that intelligently determines what must be done and how best to do
  400.       it.
  401.  
  402.    .  A digital multiplexed switching matrix printed on circuit boards
  403.       that establishes an interconnection between the calling and called
  404.       parties.
  405.  
  406. The CPU stores operating instructions and a database of information from
  407. which it can make decisions.  It constantly monitors all lines for
  408. supervisory and control signals.  A switching matrix sets up the
  409. connections between stations or between stations and outgoing trunks.
  410.  
  411. Housed in equipment cabinets, PBX common equipment is often compact
  412. enough to occupy just a closet or small room.  Given the extremely high
  413. rental rates many companies have, a major benefit of a PBX is its small
  414. size.
  415.  
  416. CO Trunks and Station Lines
  417.  
  418. A trunk is a communication pathway between switches.  A trunk may
  419. provide a pathway between a PBX and the CO or between two PBXs and two
  420. COs.  A trunk may be privately owned or be a leased set of lines that
  421. run through the Public Switched Network.
  422.  
  423. A line is a communication pathway between a switch and terminal
  424. equipment, such as between a PBX and an internal telephone or between a
  425. CO and a home telephone.
  426.  
  427. The function of the PBX is to interconnect or switch outgoing trunks
  428. with internal lines.
  429.  
  430.  
  431. Two Varieties of Lines
  432.  
  433. Station lines are either analog or digital, depending on the station
  434. equipment it is connecting.  If the phone on one desk is digital, it
  435. should be connected to a digital line.  If the phone on the desk is
  436. analog, it should be connected to an analog line.
  437.  
  438.  
  439. Varieties of Trunks
  440.  
  441. There exists a wide variety of trunks that can be connected to a PBX for
  442. off-premises communication.  Each variety has different functions and
  443. capabilities.  It is important to be able to distinguish them.
  444.  
  445. Tie Trunks
  446.  
  447. Organizations supporting a network of geographically dispersed PBXs
  448. often use tie trunks to interconnect them.  A tie trunk is a permanent
  449. circuit between two PBXs in a private network.  Tie trunks are usually
  450. leased from the common carrier; however, a private microwave arrangement
  451. can be established. Usually, leased tie trunks are not charged on a per 
  452. call basis but rather on the length of the trunk.  If a tie trunk is
  453. used more than one or two hours a day, distance sensitive pricing is
  454. more economical.
  455.  
  456. A T1 trunk is a digital CO leased trunk that is capable of being
  457. multiplexed into 24 voice or data channels at a total rate of 1.544
  458. Mbps.  T1 trunks are used as PBX-to-PBX tie trunks, PBX-to-CO trunks as
  459. well as PBX trunks to bypass the local CO and connect directly to a long
  460. distance carrier.  It is a standard for digital transmission in North
  461. America and Japan.
  462.  
  463. T1 uses two pairs of normal, twisted wire--the same as would be found in
  464. a subscriber's residence.  Pulse Code Modulation is the preferred method
  465. of analog to digital conversion.
  466.  
  467. A T2 trunk is capable of 96 multiplexed channels at a total rate of
  468. 6.312 Mbps.
  469.  
  470. A T3 trunk is capable of 672 multiplexed channels at a total rate of
  471. 44.736 Mbps.
  472.  
  473. A T4 trunk is capable of 4,032 multiplexed channels at a total of
  474. 274.176 Mbps.
  475.  
  476.  
  477. Direct Inward Dialing (DID) Trunks
  478.  
  479. Incoming calls to a PBX often first flow through an attendant position.
  480. DID trunks allow users to receive calls directly from the outside
  481. without intervention from the attendant.  DID offers three main
  482. advantages.
  483.  
  484.       1. It allows direct access to stations from outside the PBX.
  485.       2. It allows users to receive calls even when the attendant
  486.       switchboard is closed.
  487.       3. It takes a portion of the load off the attendants.
  488.  
  489. Trunk Pools
  490.  
  491. Trunks do not terminate at a user's telephone station.  Instead trunks
  492. are bundled into groups of similarly configured trunks called trunk
  493. pools.  When a user wants to access a trunk, he can dial a trunk access
  494. code--for example, he can dial 9 to obtain a trunk in the pool.  Trunk
  495. pools make system administration less complicated because it is easier
  496. to administer a small number of groups than a large number of individual
  497. trunks.
  498.  
  499.  
  500. Ports
  501.  
  502. Ports are the physical and electrical interface between the PBX and a
  503. trunk or station line.
  504.  
  505.  
  506. PBX Telephones
  507.  
  508. Telephone stations in a PBX are not directly connected to the CO but to
  509. the PBX instead.  When a station goes off-hook, the PBX recognizes it
  510. and sends to the station its own dial tone.  The PBX requires some
  511. access digit, usually "9" to obtain an idle CO trunk from a pool to
  512. connect the station with the public network.   This connection between
  513. the telephone and the PBX allows stations to take advantage of a myriad
  514. of PBX features.
  515.  
  516. The attendant console is a special PBX telephone designed to serve
  517. several functions.  Traditionally, most PBXs have used attendants as the
  518. central answering point for incoming calls.  Calls placed to the PBX
  519. first connected to the attendant, who answered the company name.  The
  520. attendant  then established a connection to the desired party.  The
  521. attendant also provided assistance to PBX users, including directory
  522. assistance and reports of problems.
  523.  
  524. In recent years a number of cost-saving improvements have been made to
  525. the attendant console.  A feature commonly called automated attendant
  526. can establish connections without a human interface, substantially
  527. decreasing PBX operating costs.
  528.  
  529. Blocking versus Non-blocking
  530.  
  531. Blocking is a critical aspect of the functioning of a PBX.  A
  532. non-blocking switch is one that provides as many input/output interface
  533. ports as there are lines in the network.   In other words, the switching
  534. matrix provides enough paths for all line and trunk ports to be
  535. connected simultaneously.
  536.  
  537. PBX systems are usually blocking.  It requires an exponential increase
  538. in resources and expense to ensure non-blocking.   Based on call traffic
  539. studies and the nature of calls, it is generally acceptable to engineer
  540. a low level of blocking in exchange for a major savings of common
  541. equipment resources.
  542.  
  543. Grades of service are quantitative measurements of blocking.  They are
  544. written in the form:
  545.  
  546.                  P.xx
  547.  
  548. where xx is a two digit number that indicates how many calls out of a
  549. hundred will be blocked.  The smaller the number, the better the grade
  550. of service.
  551.  
  552. P.01 means one call out of a hundred will be blocked.  It is a better
  553. grade of service than P.05 that block five calls out of a hundred.
  554. Naturally the P.05 service costs less than the better grade of service
  555. provided by P.01.
  556.  
  557. Even if a PBX's switching matrix is non-blocking, an internal caller may
  558. still not be able to reach an outside trunk if all the trunks are busy.
  559. CO trunks cost money, and very few PBXs dedicate one trunk to every
  560. internal line. Instead, traffic studies are performed to determine the
  561. percentage of time a station will be connected to an outside trunk
  562. during peak hours.
  563.  
  564. If, for example, it is determined that the average station uses a trunk
  565. only 20% of the time during peak hours, then the switch may be
  566. configured to have a 5:1 line-to-trunk ratio, meaning for every five
  567. lines (or extensions) there is one trunk.  Most PBXs are configured on
  568. this principle as a major cost saving method.
  569.  
  570.  
  571. PBX Features
  572.  
  573. COs and PBXs share many of the same attributes and functionality.
  574. However, COs are built to perform different tasks than a PBX, resulting
  575. in feature differences between them.  The following is an overview of
  576. common PBX features not found in a CO.
  577.  
  578. Automatic Route Selection (ARS)
  579.  
  580. A primary concern of any telecommunications manager is to keep costs
  581. down. One of these costs is long distance service.  ARS is a feature
  582. that controls long distance costs.
  583.  
  584. Most PBXs have more than just public CO trunks connected to them.  They
  585. may have a combination of tie trunks to other PBXs (T1/E1 trunks and
  586. many others). Each type of trunk has a separate billing scheme,
  587. relatively more or less expensive for a given number of variables.
  588.  
  589. It is extremely difficult to attempt to educate company employees on
  590. which trunks to select for which calls at what time of day.  It defeats
  591. the productivity-raising, user-transparency goal of any PBX if employees
  592. must pour over tariffing charts every time they want to use the phone.
  593.  
  594. Instead, ARS programs the PBX central processor to select the least
  595. expensive trunk on a call by call basis.  When a user places a call, the
  596. computer determines the most cost effective route, dials the digits and
  597. completes the call.
  598.  
  599.  
  600. Feature Access
  601.  
  602. PBXs support a wide variety of user features.  For example, call
  603. forward, hold, and call pickup are all user features.  There are two
  604. methods of activating a feature.  A code, such as "*62" can be assigned
  605. to the call forward feature. To activate call forward the user presses
  606. "*62" and continues dialing.
  607.  
  608. Dial codes are not the preferred method of feature access.   The problem
  609. is that users tend to forget the codes and either waste time looking
  610. them up or do not take advantage of time saving features, thereby
  611. defeating the purpose of buying them.
  612.  
  613. Dedicated button feature access is a better solution.   Programmable
  614. feature buttons, located on most PBX telephones, are pressed to activate
  615. the desired feature.  If a user wants to activate call forward, he
  616. presses a button labeled "call forward" and continues dialing.
  617.  
  618. The only drawback of telephones with programmable feature buttons is
  619. that they are more expensive than standard phones.
  620.  
  621.  
  622. Voice Mail
  623.  
  624. For a voice conversation to occur, there is one prerequisite so obvious
  625. it is usually overlooked.  The called party must be available to answer
  626. the call.  In today's busy world, people are often not accessible which
  627. can create a major problem resulting in messages not being received and
  628. business not being conducted.
  629.  
  630. Statistics confirm the need for an alternate method.
  631.  
  632.       75% of call attempts fail to make contact with the desired party.
  633.  
  634.       50% of business calls involve one-way information--one party
  635.       wishing to deliver information to another party without any
  636.       response necessary.
  637.  
  638.       50% of incoming calls are less important than the activity they
  639.       interrupt.
  640.  
  641. Voice mail (also known as store and forward technology) is a valuable
  642. feature that is designed around today's busy, mobile office.  It is like
  643. a centralized answering machine for all telephone stations in a PBX.
  644. When a telephone is busy or unattended, the systems routes the caller to
  645. a voice announcement that explains that the called party is unavailable
  646. and invites the caller to leave a message.  The message is stored until
  647. the station user enters a security dial access code and retrieves the
  648. message.
  649.  
  650.  
  651. Automated Attendant
  652.  
  653. Automated attendant is a feature sometimes included with voice mail.  It
  654. allows outside callers to bypass a human attendant by routing their own
  655. calls through the PBX.  Callers are greeted with a recorded announcement
  656. that prompts them to dial the extension number of the desired position,
  657. or stay on the line to be connected to an attendant.
  658.  
  659. Reducing cost is the primary goal of automated attendant.  The decreased
  660. attendant work load more d) an pays for the cost of the software and
  661. equipment.
  662.  
  663. When automated attendant was first introduced, it met with substantial
  664. resistance from the general public.  People did not want to talk to a
  665. machine. But, as its cost effectiveness drove many companies to employ
  666. it, the public has slowly adjusted to the new technology.
  667.  
  668. Restriction
  669.  
  670. Nearly every PBX enforces some combination of inside and outside calling
  671. restrictions on certain phones.  Depending upon the sophistication of
  672. the PBX, a system administrator can have nearly unlimited flexibility in
  673. assigning restrictions.   For example, a tire manufacturing plant could
  674. restrict all lobby phones at corporate headquarters to internal and
  675. local calls only.  The phones at the storage warehouse could be
  676. restricted for only internal calling.  But, all executive phones could
  677. be left unrestricted.
  678.  
  679. Long distance toll charges can be a crippling expense.  Toll fraud is a
  680. major corporate problem.  Restriction combats unauthorized use of
  681. company telephone resources and is a prime function of any PBX.
  682.  
  683.  
  684. Tandems
  685.  
  686. As stated earlier, it is necessary to have a switching mechanism to
  687. interconnect calls.  If a number of phones all wish to be able to talk
  688. to each other, an enormous amount of cabling would be wasted tying each
  689. of them together.  Thus, the switch was born.
  690.  
  691. The same principle applies for interconnecting PBXs.  Large firms that
  692. have PBXs scattered all over the country want each PBX to have the
  693. ability to access every other one.  But the expense of directly
  694. connecting each could drive a company out of business.  The solution is
  695. to create a centrally located tandem switching station to interconnect
  696. the phones from one PBX with the phones from any other.  This solution
  697. creates a Private Switched Network.
  698.  
  699. Directing digits are often used to inform the tandem switch where to
  700. route the call.  Each PBX is assigned a unique number.  Let's say a PBX
  701. in Paris is numbered "4."  To call the Paris PBX from a PBX in Chicago,
  702. a user would dial "4- XXXX."
  703.  
  704.  
  705. Uniform Dialing Plan
  706.  
  707. A network of PBXs can be configured poorly so that calling an extension
  708. at another PBX could involve dialing a long, confusing series of numbers
  709. and create a lot of user frustration.  A Uniform Dialing Plan enables a
  710. caller to dial another internal extension at any PBX on the network with
  711. a minimum of digits, perhaps four or five.  The system determines where
  712. to route the call, translates the digits and chooses the best facility,
  713. all without the knowledge of the user.  As far as the user knows, the
  714. call could have been placed to a station at the next desk.
  715.  
  716.  
  717. Call Accounting System (CAS) and Station Message Detail Recording (SMDR)
  718.  
  719. CAS works in conjunction with SMDR to identify and monitor telephone
  720. usage in the system.  SMDR records call information such as the calling
  721. number, the time of the call, and its duration.  The raw data is usually
  722. listed chronologically and can be printed on reports.
  723.  
  724. SMDR by itself is not particularly useful because the sheer volume and
  725. lack of sorting capability of the reports make them difficult to work
  726. with.  A Call Accounting Systems is a database program that addresses
  727. these shortcomings by producing clear, concise management reports
  728. detailing phone usage.
  729.  
  730. The primary function of CAS reports is to help control and discourage
  731. unnecessary or unauthorized use and to bill back calling charges to
  732. users. Many law firms use a call accounting system to bill individual
  733. clients for every call they make on behalf of each client.
  734.  
  735.  
  736. Attendant Features
  737.  
  738. A number of features are available to improve the efficiency of
  739. attendant consoles.
  740.  
  741. Here are a few of them.
  742.  
  743.       Direct Station Selection (DSS) allows attendants to call any
  744.       station telephone by pressing a button labeled with its extension.
  745.  
  746.       Automatic Timed Reminder alerts the attendant that a station has
  747.       not picked up its call.  The attendant may choose to reconnect to
  748.       the call and attempt to reroute it.
  749.  
  750.       Centralized Attendant Service groups all network attendants into
  751.       the same physical location to avoid redundancies of service and
  752.       locations.
  753.  
  754.  
  755. Power Failure Schemes
  756.  
  757. If a city or a town experiences a commercial power failure, telephones
  758. connected directly to the CO will not be affected because the CO gets
  759. power from its own internal battery source.  A PBX, however, is
  760. susceptible to general power failures because it usually gets its power
  761. from the municipal electric company.
  762.  
  763. There are several different ways a PBX can be configured to overcome a
  764. power failure.
  765.  
  766.       A PBX can be directly connected to a DC battery which serves as
  767.       its source of power.  The battery is continually recharged by an
  768.       AC line to the electric company.  In the event of a power failure,
  769.       the PBX will continue functioning until the battery runs out.
  770.  
  771.       A PBX can have an Uninterruptable Power Supply (UPS) to protect
  772.       against temporary surges or losses of power.
  773.  
  774.       A PBX can use a Power Failure Transfer (PFT) which, in the event
  775.       of a power failure, immediately connects preassigned analog phones
  776.       to CO trunks, thereby using power from the CO instead of from the
  777.       PBX.
  778.  
  779.  
  780. Outgoing Trunk Queuing
  781.  
  782. In the event all outgoing trunks are busy, this feature allows a user to
  783. dial a Trunk Queuing code and hang up.  As soon as a trunk becomes free,
  784. the system reserves it for the user, rings the station and connects the
  785. outside call automatically.
  786.  
  787.  
  788. System Management
  789.  
  790. PBXs can be so large and complex that without a carefully designed
  791. method of system management chaos can result.  The best, most advanced
  792. systems mimic CO management features--computer access terminals which
  793. clearly and logically program and control most system features.  The
  794. system manager has a wide variety of responsibilities which may include,
  795. but is not limited to
  796.  
  797.       Programming telephone moves, additions, and changes on the system
  798.  
  799.       Performing traffic analysis to maximize system configuration
  800.       resources and optimize network performance
  801.  
  802.       Responding to system-generated alarms
  803.  
  804.       Programming telephone, system, attendant, and network features.
  805.  
  806.  
  807. ISDN
  808.  
  809.  
  810. ISDN is not a product.  Rather, it is a series of standards created by
  811. the international body, ITU (previously known as CCITT), to support the
  812. implementation of digital transmission of voice, data, and image through
  813. standard interfaces.  Its goal is to combine all communications services
  814. offered over separate networks into a single, standard network.  Any
  815. subscriber could gain access to this vast network by simply plugging
  816. into the wall.  (At this time not all PBXs are compatible with the ISDN
  817. standard.)
  818.  
  819.  
  820. Alternatives to a PBX
  821.  
  822. There are two main alternatives to purchasing a PBX.  They are
  823. purchasing a Key system or renting Centrex service from the local
  824. telephone company.
  825.  
  826.  
  827. Key System
  828.  
  829. Key systems are designed for very small customers, who typically use
  830. under 15 lines.  There is no switching mechanism as in a PBX.  Instead
  831. every line terminates on every phone. Hence, everyone with a phone can
  832. pick up every incoming call.
  833.  
  834. Key systems are characterized by a fat cable at the back of each phone.
  835. The cables are fat because each phone is directly connected to each
  836. incoming line and each line has to be wired separately to each phone.
  837.  
  838. Fat cables have become a drawback to Key systems as building wire
  839. conduits have begun to fill with wire.  It has become increasingly
  840. difficult to add and move stations because technicians must physically
  841. rewire the bulky cables instead of simply programming a change in the
  842. software.
  843.  
  844. Key telephones are equipped with line assignment buttons that light on
  845. incoming calls and flash on held calls.  These buttons enable a user to
  846. access each line associated with each button.  Unlike a PBX, there is no
  847. need to interface with an attendant console to obtain an outside line.
  848.  
  849.  
  850. Differences between Key and PBX Systems
  851.  
  852.       Key systems have no switching matrix.  In a Key system, incoming
  853.       calls terminate directly on a station user's phone.  In a PBX,
  854.       incoming calls usually first go to the attendant who switches the
  855.       call to the appropriate station.
  856.  
  857.       PBX accesses CO trunk pools by dialing an access code such as "9."
  858.       Key systems CO trunks are not pooled.  They are accessed directly.
  859.  
  860. Key systems make use of a limited number of features, many of them
  861. common to the PBX.  These include
  862.  
  863.            Last number redial
  864.            Speed dialing
  865.            Message waiting lamp
  866.            Paging
  867.            Toll restriction
  868.  
  869. Today's PBXs can simulate Key system operation.  For example, telephones
  870. can have a line directly terminating on a button for direct access.
  871.  
  872.  
  873. Centrex
  874.  
  875. The other alternative to purchasing a PBX is leasing a Centrex service.
  876.  
  877. Centrex is a group of PBX-like service offerings furnished by the local
  878. telephone company.  It offers many of the same features and functions
  879. associated with a PBX, but without the expense of owning and maintaining
  880. equipment and supporting in-house administrative personnel.
  881.  
  882. Because network control remains the responsibility  of the CO, companies
  883. that choose Centrex service over purchasing and maintaining a private
  884. PBX can ignore the sophisticated world of high tech telecommunications
  885. and leave it up to the telephone company representatives.
  886.  
  887. To provide Centrex service, a pair of wires is extended from the CO to
  888. each user's phone.  Centrex provides an "extension" at each station
  889. complete with its own telephone number.  No switching equipment is
  890. located at the customer premises.  Instead, Centrex equipment is
  891. physically located at the CO.
  892.  
  893. There are a number of reasons a company would choose a Centrex system
  894. over owning their own PBX.  Currently Centrex has six million customers
  895. in the United States market.
  896.  
  897. Advantages of a Centrex System over a PBX:
  898.  
  899.       Nearly uninterruptable service due to large redundancies in the CO
  900.  
  901.       Easily upgraded to advanced features.
  902.  
  903.       No floor space requirement for equipment.
  904.  
  905.       No capital investment
  906.  
  907.       24-hour maintenance coverage by CO technicians
  908.  
  909.       Inherent Direct Inward Dialing (DID).  All lines terminate at
  910.       extensions, instead of first flowing through a switchboard.
  911.  
  912.       Call accounting and user billing as inherent part of the service.
  913.  
  914.       Reduced administrative payroll.
  915.  
  916.  
  917. Disadvantages of a Centrex System:
  918.  
  919.       Cost.  Centrex is tariffed by the local telephone company and can
  920.       be very expensive.  Companies are charged for each line connected
  921.       to the Centrex, as well for the particular service plan chosen.
  922.       Additionally, Centrex service may be subject to monthly increases.
  923.  
  924.       Feature availability.  Centrex feature options are generally not
  925.       state of the art, lagging behind PBX technology.  Not all COs are
  926.       of the same generation and level of sophistication--a company
  927.       associated with an older CO may be subject to inferior service and
  928.       limited or outdated feature options.
  929.  
  930.       Control of the network is the responsibility of the CO.  While
  931.       this release from responsibility is often cited as a positive
  932.       feature of Centrex, there are drawback to relinquishing control.
  933.       CO bureaucracy can be such that a station move, addition or change
  934.       can sometimes take days to achieve.   Furthermore, each request is
  935.       charged a fee.  Also, some companies are more particular about
  936.       certain features of their network (security for example) and
  937.       require direct control for themselves.
  938.  
  939.  
  940.  
  941.     .------------------------------------------.
  942. 3    | Properties of Analog and Digital Signals |
  943.     `------------------------------------------'
  944.  
  945. A man in Canada picks up a telephone and dials a number.  Within
  946. seconds, he begins talking to his business partner in Madrid.  How can
  947. this be?
  948.  
  949. Telephony is a constantly evolving technology with scientific rules and
  950. standards.  You will learn to make sense of what would otherwise seem
  951. impossible.
  952.  
  953. Voice travels at 250 meters per second and has a range limited to the
  954. strength of the speaker's lungs.  In contrast, electricity travels at
  955. speeds approaching the speed of light (310,000 Km per second) and can be
  956. recharged to travel lengths spanning the globe.  Obviously, electricity
  957. is a more effective method of transmission.
  958.  
  959. To capitalize on the transmission properties of electricity, voice is
  960. first converted into electrical impulses and then transmitted.  These
  961. electrical impulses represent the varying characteristics that
  962. distinguish all of our voices.  The impulses are transmitted at high
  963. speeds and then decoded at the receiving end into a recognizable
  964. duplication of the original voice.
  965.  
  966. For a hundred years, scientists have been challenged by how best to
  967. represent voice by electrical impulses.  An enormous amount of effort
  968. has been devoted to solving this puzzle.  The two forms of electrical
  969. signals used to represent voice are analog and digital.
  970.  
  971. Both analog and digital signals are composed of waveforms.  However,
  972. their waveforms have very distinctive properties which distinguish them.
  973. To understand the science of telephony, it is necessary to understand
  974. how analog and digital signals function, and what the differences
  975. between them are.
  976.  
  977. If you do not possess a fundamental understanding of basic waveforms,
  978. you will not understand many of the more advanced concepts of
  979. telecommunications.
  980.  
  981.  
  982. Analog Signal Properties
  983.  
  984. Air is the medium that carries sound.  When we speak to one another, our
  985. vocal chords create a disturbance of the air.  This disturbance causes
  986. air molecules to become expanded and compress thus creating waves.  This
  987. type of wave is called analog, because it creates a waveform similar to
  988. the sound it represents.
  989.  
  990. Analog waves are found in nature.  They are continually flowing and have
  991. a limitless number of values.  The sine wave is a good example of an
  992. analog signal.
  993.  
  994.  
  995. Three properties of analog signals are particularly important in
  996. transmission:
  997.  
  998.                    amplitude      frequency      phase
  999.  
  1000. Amplitude
  1001.  
  1002. Amplitude refers to the maximum height of an analog signal.  Amplitude
  1003. is measured in decibels when the signal is measured in the form of
  1004. audible sound. Amplitude is measured in volts when the signal is in the
  1005. form of electrical energy.
  1006.  
  1007.  
  1008.                        Amplitude of an Analog Wave
  1009.  
  1010.  
  1011. Volts represent the instantaneous amount of power an analog signal
  1012. contains.
  1013.  
  1014. Amplitude, wave height, and loudness of an analog signal represent the
  1015. same property of the signal.  Decibels and volts are simply two
  1016. different units of measurement which are used to quantify this property.
  1017.  
  1018. Frequency
  1019.  
  1020. Frequency is the number of sound waves or cycles that occur in a given
  1021. length of time.  A cycle is represented by a 360 degree sine wave.
  1022. Frequency is measured in cycles per second, commonly called hertz (Hz).
  1023.  
  1024. Frequency corresponds to the pitch (highness or lowness) of a sound. The
  1025. higher the frequency, the higher the pitch.  The high pitch tone of a
  1026. flute will have a higher frequency than the low pitch tone of a bass.
  1027.  
  1028. Phase refers to the relative position of a wave at a point in time.  It
  1029. is useful to compare the phase of two waves that have the same frequency
  1030. by determining whether the waves have the same shape or position at the
  1031. same time.  Waves that are in-step are said to be in phase, and waves
  1032. that are not synchronized are called out-of-phase.
  1033.  
  1034. Modulation
  1035.  
  1036.  
  1037. The reason these three properties are significant is that each can be
  1038. changed (modulated) to facilitate transmission.
  1039.  
  1040. The term modulation means imposing information on an electrical signal.
  1041.  
  1042. The process of modulation begins with a wave of constant amplitude,
  1043. frequency, and phase called carrier wave.  Information signals
  1044. representing voice, data, or video modulate a property (amplitude,
  1045. frequency, or phase) of the carrier wave to create a representation of
  1046. itself on the wave.
  1047.  
  1048. Amplitude Modulation is a method of adding information to an analog
  1049. signal by varying its amplitude while keeping its frequency constant. AM
  1050. radio is achieved by amplitude modulation.
  1051.  
  1052. Frequency Modulation adds information to an analog signal by varying its
  1053. frequency while keeping its amplitude constant.  FM radio is achieved by
  1054. frequency modulation.
  1055.  
  1056. Phase Modulation adds information to an analog signal by varying its
  1057. phase.
  1058.  
  1059. The modulated wave carrying the information is then transmitted to a
  1060. distant station where it is decoded and the information is extracted
  1061. from the signal. 
  1062.  
  1063.  
  1064. Properties of Digital Signals
  1065.  
  1066.  
  1067. Unlike analog signals, digital signals do not occur in nature.  Digital
  1068. signals are an invention of mankind.  They were created as a method of
  1069. coding information.  An early example of digital signals is the Morse
  1070. Code.
  1071.  
  1072. Digital signals have discrete, non-continuous values.  Digital signals
  1073. have only two states:
  1074.  
  1075.  
  1076.        Type of Signal                  State
  1077.        ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  1078.        Light switch           On                    Off
  1079.  
  1080.  
  1081.        Voltage                Voltage Level 1       Voltage Level 2
  1082.                               (-2 volts)            (+2 volts)
  1083.  
  1084.        Morse                  Short beat            Long beat
  1085.  
  1086.  
  1087.  
  1088. Computers and humans cannot communicate directly with each other.  We do
  1089. not understand what tiny bits and voltage changes mean.  Computers do
  1090. not understand the letters of the alphabet or words.
  1091.  
  1092. For computers and humans to communicate with each other, a variety of
  1093. binary (digital) languages, called character codes, have been created.
  1094. Each character of a character code represents a unique letter of the
  1095. alphabet:  a digit, punctuation mark, or printing character.
  1096.  
  1097. The most popular character code is call ASCII (America Standard Code for
  1098. Information Interchange).  It uses a seven bit coding scheme-- each
  1099. character consists of a unique combination of seven 1s and 0s.  For
  1100. example, the capital letter T is represented by the ASCII 1010100; the
  1101. number 3 by the ACSII 0110011. The maximum number of different
  1102. characters which can be coded in ASCII is 128).
  1103.  
  1104.  
  1105.                       English          ASCII
  1106.  
  1107.                          T             1010100
  1108.  
  1109.                          3             0110011
  1110.  
  1111.  
  1112. Another character code is called Extended ASCII.  Extended ASCII builds
  1113. upon the existing ASCII character code.  Extended ASCII codes characters
  1114. into eight bits providing 256 character representations).  The extra 127
  1115. characters represent foreign language letters and other useful symbols.
  1116.  
  1117.  
  1118. Signal Loss - Attenuation
  1119.  
  1120. Analog and digital signals are transmitted to provide communication over
  1121. long distances.  Unfortunately, the strength of any transmitted signal
  1122. weakens over distance.  This phenomenon is called attenuation.  Both
  1123. analog and digital signals are subject to attenuation, but the
  1124. attenuation is overcome in very different ways.
  1125.  
  1126.  
  1127. Analog Attenuation
  1128.  
  1129. Every kilometer or so, an analog signal must be amplified to overcome
  1130. natural attenuation.  Devices called amplifiers boost all the signals
  1131. they receive, strengthening the signals to their original power.  The
  1132. problem is that over distance, noise is created and it is boosted along
  1133. with the desired signal.
  1134.  
  1135. The result of using amplifiers is that both the noise (unwanted
  1136. electrical energy) and the signal carrying the information are
  1137. amplified.  Because the noise is amplified every kilometer, it can build
  1138. up enough energy to make a conversation incomprehensible.  If the noise
  1139. becomes too great, communication may become impossible.
  1140.  
  1141. Two different types of noise affect signal quality.
  1142.  
  1143.       White noise is the result of unwanted electrical signals over
  1144.       lines.  When it becomes loud enough, it sounds like the roar of
  1145.       the ocean at a distance.
  1146.  
  1147.       Impulse noise is caused by intermittent disturbances such as
  1148.       telephone company switch activity or lightning.  It sounds like
  1149.       pops and crack over the line.
  1150.  
  1151. As analog signals pass through successive amplifiers, the noise is
  1152. amplified along with the signal and therefore causes the signal to
  1153. degenerate.
  1154.  
  1155.  
  1156. Digital Attenuation
  1157.  
  1158. Although digital signals are also affected by attenuation, they are
  1159. capable of a much more effective method to overcome signal loss.  A
  1160. device called a regenerative repeater determines whether the incoming
  1161. digital signal is a 1 or a 0.  The regenerative repeater then recreates
  1162. the signal and transmits it at a higher signal strength.  This method is
  1163. more effective than repeating an analog signal because digital signals
  1164. can only be one of two possible states.  Remember that an analog signal
  1165. is comprised of an infinite number of states.)
  1166.  
  1167. The advantage of a digital regenerator is that noise is not reproduced.
  1168. At each regenerative repeater, all noise is filtered out-- a major
  1169. advantage over analog amplification.
  1170.  
  1171.  
  1172. Advantages of Digital over Analog Signals
  1173.  
  1174.  
  1175. 1.    Digital regenerative repeaters are superior to analog amplifiers.
  1176.  
  1177.       A buildup of noise causes a distortion of the waveform.  If the
  1178.       distortion is large enough, a signal will not arrive in the same
  1179.       form as it was transmitted.  The result is errors in transmission.
  1180.  
  1181.       In digital transmission, noise is filtered out leaving a clean,
  1182.       clear signal.  A comparison of average error rates shows
  1183.  
  1184.                  Analog:    1 error every 100,000 signals
  1185.  
  1186.                  Digital:   1 error every 10,000,000 signals
  1187.  
  1188. 2.    The explosion of modern digital electronic equipment on the market
  1189.       has greatly reduced its price, making digital communications
  1190.       increasingly more cost effective.  The price of computer chips,
  1191.       the brains of electronic equipment, has dropped dramatically in
  1192.       recent years further reducing the price of digital equipment.
  1193.  
  1194.       This trend will almost certainly continue adding more pressure to
  1195.       use digital methods.
  1196.  
  1197.  
  1198. 3.    An ever increasing bulk of communication is between digital
  1199.       equipment (computer-to-computer)
  1200.  
  1201.       For most of telephony history, long distance communication meant
  1202.       voice telephone conversations.  Because voice is analog in nature,
  1203.       it was logical to use analog facilities for transmission.  Now the
  1204.       picture is changing.  More and more communication is between
  1205.       computers, digital faxes, and other digital transmission devices.
  1206.  
  1207.       Naturally, it is preferable to send digital data over digital
  1208.       transmission equipment when both sending and receiving devices are
  1209.       digital since there is no need to convert the digital signals to
  1210.       analog to prepare them for analog transmission.
  1211.  
  1212. Historically, telephone networks were intended to carry analog voice
  1213. traffic. Therefore, equipment was designed to create, transmit, and
  1214. process analog signals.  As technology in computers (microprocessors)
  1215. and digital transmission has advanced, nearly all equipment installed in
  1216. new facilities are digital.
  1217.  
  1218.  
  1219.     .---------------------------.
  1220. 4    | Analog-Digital Conversion |
  1221.     `---------------------------'
  1222.  
  1223.  
  1224. Because it offers better transmission quality, almost every long
  1225. distance telephone communication now uses digital transmission on the
  1226. majority of their lines.  But since voice in its natural form is analog,
  1227. it is necessary to convert these.  In order to transmit analog waves
  1228. over digital facilities to capitalize on its numerous advantages, analog
  1229. waves are converted to digital waves.
  1230.  
  1231.  
  1232. Pulse Code Modulation (PCM)
  1233.  
  1234. The conversion process is called Pulse Code Modulation (PCM) and is
  1235. performed by a device called a codec (coder/decoder).  PCM is a method
  1236. of converting analog signals into digital 1s and 0s, suitable for
  1237. digital transmission.  At the receiving end of the transmission, the
  1238. coded 1s and 0s are reconverted into analog signals which can be
  1239. understood by the listener.
  1240.  
  1241.  
  1242. Three Step Process of PCM
  1243.  
  1244.  
  1245. Step 1 - Sampling
  1246.  
  1247.  
  1248. Sampling allows for the recording of the voltage levels at discrete
  1249. points in prescribed time intervals along an analog wave.  Each voltage
  1250. level is called a sample.  Nyquist's Theorem states:
  1251.  
  1252.       If an analog signal is sampled at twice the rate of the highest
  1253.       frequency it attains, the reproduced signal will be a highly
  1254.       accurate reproduction of the original.
  1255.  
  1256. The highest frequency used in voice communications is 4000 Hz (4000
  1257. cycles per second).  Therefore, if a signal is sampled 8000 times per
  1258. second, the listener will never know they have been connected and
  1259. disconnected 8000 times every second!  They will simply recognize the
  1260. signal as the voice of the speaker.
  1261.  
  1262. To visualize this procedure better, consider how a movie works.  Single
  1263. still frames are sped past a light and reproduced on a screen.  Between
  1264. each of the frames is a dark space.  Since the frames move so quickly,
  1265. the eye does not detect this dark space.  Instead the eye perceives
  1266. continuous motion from the still frames.
  1267.  
  1268. PCM samples can be compared to the still frames of a movie.  Since the
  1269. voice signal is sampled at such frequent intervals, the listener does
  1270. not realize that there are breaks in the voice and good quality
  1271. reproduction of voice can be achieved.  Naturally, the higher the
  1272. sampling rate, the more accurate the reproduction of the signal.  Dr.
  1273. Nyquist was the one who discovered that only 8000 samples per second are
  1274. needed for excellent voice reproduction.
  1275.  
  1276. The 8000 samples per second are recorded as a string of voltage levels.
  1277. This string is called a Pulse Amplitude Modulation (PAM) signal.
  1278.  
  1279.  
  1280. Step 2 - Quantizing
  1281.  
  1282.  
  1283. Since analog waves are continuous and have an infinite number of values,
  1284. an infinite number of PAM voltage levels are needed to perfectly
  1285. describe any analog wave.  In practice, it would be impossible to
  1286. represent each exact PAM voltage level.  Instead, each level is rounded
  1287. to the nearest of 256 predetermined voltage levels by a method called
  1288. Quantizing.
  1289.  
  1290. Quantizing assigns each PAM voltage level to one of 256 amplitude
  1291. levels.  The amplitude levels do not exactly match the amplitude of the
  1292. PAM signal but are close enough so only a little distortion results.
  1293.  
  1294. This distortion is called quantizing error.  Quantizing error is the
  1295. difference between the actual PAM voltage level and the amplitude level
  1296. it was rounded to.  Quantizing error produces quantizing noise.
  1297. Quantizing noise creates an audible noise over the transmission line.
  1298.  
  1299. Low amplitude signals are affected more than high amplitude signals by
  1300. quantizing noise.  To overcome this effect, a process call companding is
  1301. employed.  Low amplitude signals are sampled more frequently than high
  1302. amplitude signals.  Therefore, changes in voltage along the waveform
  1303. curve can be more accurately distinguished.
  1304.  
  1305. Companding reduces the effect of quantizing error on low amplitude
  1306. signals where the effect is greatest by increasing the error on high
  1307. amplitude signals where the effect is minimal.  Throughout this process,
  1308. the total number of samples remains the same at 8000 per second.
  1309.  
  1310. Two common companding formulas are used in different parts of the world.
  1311. The United States and Japan follow a companding formula called Mu-Law.
  1312. In Europe and other areas of the world, the formula is slight different
  1313. and is called A-Law.  Although the two laws differ only slightly, they
  1314. are incompatible.  Mu-Law hardware cannot be used in conjunction with
  1315. A-Law hardware.
  1316.  
  1317.  
  1318. Step 3 - Encoding
  1319.  
  1320. Encoding converts the 256 possible numeric amplitude voltage levels into
  1321. binary  8-bit digital codes.  The number 256 was not arrived at
  1322. accidentally. The reason there are 256 available amplitude levels is
  1323. that an 8-bit code contains 256 (28) possible combinations of 1s and 0s.
  1324. These codes are the final product of Pulse Codes Modulation (PCM) and
  1325. are ready for digital transmission.
  1326.  
  1327. PCM only provides 256 unique pitches and volumes.  Every sound that is
  1328. heard over a phone is one of these 256 possible sounds.
  1329.  
  1330. Digital-Analog Conversion
  1331.  
  1332. After the digital bit stream is transmitted, it must be convert back to
  1333. an analog waveform to be audible to the human ear.  This process is
  1334. called Digital-Analog conversion and is essentially the reverse of PCM.
  1335.  
  1336. This conversion occurs in three steps.
  1337.  
  1338. Step 1 - Decoding
  1339.  
  1340.       Decoding converts the 8-bit PCM code into PAM voltage levels.
  1341.  
  1342. Step 2 - Reconstruction
  1343.  
  1344.       Reconstruction reads the converted voltage level and reproduces
  1345.       the original analog wave
  1346.  
  1347. Step 3 - Filtering
  1348.  
  1349.       The decoding process creates unwanted high frequency noise in the
  1350.       4000 Hz - 8000 Hz range which is audible to the human ear.  A
  1351.       low-pass filter blocks all frequencies above one-half the sampling
  1352.       rate, eliminating any frequencies above 4000 Hz.
  1353.  
  1354.  
  1355.     .----------------------.
  1356. 5    | Digital Transmission |
  1357.     `----------------------'
  1358.  
  1359. Importance of Digital Transmission
  1360.  
  1361. Digital transmission is the movement of computer-encoded binary
  1362. information from one machine to another.  Digital information can
  1363. represent voice, text, graphics, and video.
  1364.  
  1365. Digital communication is important because we use it everyday.  You have
  1366. used digital communications if
  1367.  
  1368.       - your credit card is scanned at the checkout line of a department
  1369.         store.
  1370.  
  1371.       - you withdraw money from an automated teller machine. 
  1372.  
  1373.       - you make an international call around the world. 
  1374.  
  1375. There are a million ways digital communication affects us every day.
  1376.  
  1377. As computer technology advances, more and more of our lives are affected
  1378. by digital communication.  A vast amount of digital information is
  1379. transmitted every second of every day.  Our bank records, our tax
  1380. records, our purchasing records, and so much more is stored as digital
  1381. information and transferred whenever and wherever it is needed.  It is
  1382. no exaggeration to say that digital communications will continue to
  1383. change our lives from now on.
  1384.  
  1385.  
  1386. Digital Voice Versus Digital Data
  1387.  
  1388.  
  1389. The difference between voice and non-voice data is this:
  1390.  
  1391.       Voice transmission represents voice while data transmission
  1392.       represents any non-voice information, such as text, graphics, or
  1393.       video.  Both can be transmitted in identical format--as digitized
  1394.       binary digits
  1395.  
  1396. In order to distinguish digital voice binary code from digital data,
  1397. since they both look like strings of 1s and 0s, you must know what the
  1398. binary codes represent.
  1399.  
  1400. This leads us to another important distinction-- that between digital
  1401. transmission and data transmission.  Although these two terms are often
  1402. confused, they are not the same thing.
  1403.  
  1404.       Digital transmission describes the format of the electrical
  1405.       signal--1s and 0s as opposed to analog waves.
  1406.  
  1407.       Data transmission describes the type of information transmitted-
  1408.       -text, graphics, or video as opposed to voice.
  1409.  
  1410. Basic Digital Terminology
  1411.  
  1412. A bit is the smallest unit of binary information--a "1" or a "0"
  1413.  
  1414. A byte is a "word" of 7 or 8 bits and can represent a unit of
  1415. information such as a letter, a digit, a punctuation mark, or a printing
  1416. character (such as a line space).
  1417.  
  1418. BPS (bits per second) or bit rate refers to the information transfer
  1419. rate-- the number of bits transmitted in one second.  BPS commonly refers
  1420. to a transmission speed.
  1421.  
  1422. Example: 
  1423.  
  1424.       A device rated at 19,200 bps can process more information than one
  1425.       rated at 2,400 bps.  As a matter of fact, eight times more.  Bps
  1426.       provides a simple quantifiable means of measuring the amount of
  1427.       information transferred in one second.
  1428.  
  1429. Bits per second is related to throughput.  Throughput is the amount of
  1430. digital data a machine or system can process.  One might say a machine
  1431. has a "high throughput," meaning that it can process a lot of information.
  1432.  
  1433.  
  1434. Digital Data Transmission
  1435.  
  1436.  
  1437. Data communications is made up of three separate parts:
  1438.  
  1439.    1. Data Terminal Equipment (DTE) is any digital (binary code) device,
  1440.       such as a computer, a printer, or a digital fax.
  1441.  
  1442.    2. Data Communications Equipment (DCE) are devices that establish,
  1443.       maintain, and terminate a connection between a DTE and a facility.
  1444.       They are used to manipulate the signal to prepare it for
  1445.       transmission.  An example of DCE is a modem.
  1446.  
  1447.    3. The transmission path is the communication facility linking DCEs
  1448.       and DTEs.
  1449.  
  1450.  
  1451. The Importance of Modems
  1452.  
  1453.  
  1454. A pair of modems is required for most DTE-to-DTE transmissions made over
  1455. the public network.
  1456.  
  1457. The function of a modem is similar to the function of a codec, but in
  1458. reverse. Codecs convert information that was originally in analog form
  1459. (such as voice) into digital form to transmit it over digital
  1460. facilities.  Modems do the opposite.  They convert digital signals to
  1461. analog to transmit them over analog facilities.
  1462.  
  1463. It continues to be necessary to convert analog signals to digital and
  1464. then back again because the transmission that travels between telephone
  1465. company COs is usually over digital facilities.  The digital signals
  1466. travel from one telephone company Central Office to another over high
  1467. capacity digital circuits.  Digital transmission is so superior to
  1468. analog transmission that it is worth the time and expense of converting
  1469. the analog signals to digital signals.
  1470.  
  1471. Since computers communicate digitally, and most CO-to-CO facilities are
  1472. digital, why then is it necessary to convert computer-generated digital
  1473. data signals to analog before transmitting them?
  1474.  
  1475. The answer is simple.  Most lines from a local Central Office to a
  1476. customer's residence or business (called the local loop) are still
  1477. analog because for many years, the phone company has been installing
  1478. analog lines into homes and businesses.  Only very recently have digital
  1479. lines begun to terminate at the end user's premises.
  1480.  
  1481. It is one thing to convert a telephone company switch from analog to
  1482. digital. It is quite another to rewire millions of individual customer
  1483. sites, each one requiring on-site technician service.  This would
  1484. require a massive effort that no institution or even industry could
  1485. afford to do all at one time.
  1486.  
  1487. In most cases, therefore, we are left with a public network that is part
  1488. analog and part digital.  We must, therefore, be prepared to convert
  1489. analog to digital and digital to analog.
  1490.  
  1491.  
  1492. Modulation/Demodulation
  1493.  
  1494.  
  1495. To transmit data from one DCE to another, a modem is required when any
  1496. portion of the transmitting facility is analog.  The modem (modulater/
  1497. demodulater) modulates and demodulates digital signals for
  1498. transmission over analog lines.  Modulation means "changing the
  1499. signals."  The digital signals are changed to analog, transmitted, and
  1500. then changed back to digital at the receiving end.
  1501.  
  1502. Modems always come in pairs-- one at the sending end and one at the
  1503. receiving end.  Their transmission rates vary from 50 bps to 56 Kbps
  1504. (Kilobits per second).
  1505.  
  1506.  
  1507. Synchronous Versus Asynchronous
  1508.  
  1509.  
  1510. There are two ways digital data can be transmitted:
  1511.  
  1512. Asynchronous transmission sends data one 8-bit character at a time.  For
  1513. example, typing on a computer sends data from the keyboard to the
  1514. processor of the computer one character at a time. Start and stop bits
  1515. attach to the beginning and end of each character to alert the receiving
  1516. device of incoming information.  In asynchronous transmission, there is
  1517. no need for synchronization.  The keyboard will send the data to the
  1518. processor at the rate the characters are typed.  Most modems transmit
  1519. asynchronously.
  1520.  
  1521. Synchronous transmission is a method of sending large blocks of data at
  1522. fixed intervals of time. The two endpoints synchronize their clocking
  1523. mechanisms to prepare for transmission.  The success of the transmission
  1524. depends on precise timing.
  1525.  
  1526. Synchronous transmission is preferable when a large amount of data must
  1527. be transmitted frequently.  It is better suited for batch transmission
  1528. because it groups data into large blocks and sends them all at once.
  1529.  
  1530. The equipment need for synchronous transmission is more expensive than
  1531. for asynchronous transmission so a data traffic study must be made to
  1532. determine if the extra cost is justified.  Asynchronous transmission is
  1533. more cost effective when data communication is light and infrequent.
  1534.  
  1535.  
  1536. Error Control
  1537.  
  1538.  
  1539. The purpose of error control is to detect and correct errors resulting
  1540. from data transmission.
  1541.  
  1542. There are several methods of performing error control.  What most
  1543. methods have in common is the ability to add an error checking series of
  1544. bits at the end of a block of data that determines whether the data
  1545. arrived correctly. If the data arrived with errors, it will contact the
  1546. sending DTE and request the information be re-transmitted.  Today's
  1547. sophisticated error checking methods are so reliable that, with the
  1548. appropriate equipment, it is possible to virtually guarantee that data
  1549. transmission will arrive error-free.  There are almost no reported cases
  1550. of a character error in received faxes.
  1551.  
  1552. Error control is much more critical in data communication than in voice
  1553. communication  because in voice communication, if one or two of the 8000
  1554. PCM signals per second arrive with an error, it will make almost no
  1555. difference to the quality of the voice representation received.  But,
  1556. imagine the consequences of a bank making a funds transfer and
  1557. misplacing a decimal point on a large account.
  1558.  
  1559.  
  1560.  
  1561.     .--------------.
  1562. 6    | Multiplexing |
  1563.     `--------------'
  1564.  
  1565.  
  1566. Function of Multiplexers
  1567.  
  1568. Analog and digital signals are carried between a sender and receiver
  1569. over transmission facilities.  It costs money to transmit information
  1570. signals from Point A to Point B.  It is, therefore, of prime importance
  1571. to budget conscious users to minimize transmission costs.
  1572.  
  1573. The primary function of multiplexers is to decrease network facility
  1574. line costs.
  1575.  
  1576. Multiplexing is a technique that combines many individual signals to
  1577. form a single composite signal.  This allows the transmission of
  1578. multiple simultaneous calls over a single line.  It would cost a lot
  1579. more money to have individual lines for each telephone than to multiplex
  1580. the signals and send them over a single line.
  1581.  
  1582. Typical transmission facilities in use today can transmit 24 to 30 calls
  1583. over one line.  This represents a significant savings for the end user
  1584. as well as for commercial long distance and local distance carriers.
  1585.  
  1586.  
  1587. Bandwidth
  1588.  
  1589. The bandwidth of a transmission medium is a critical factor in
  1590. multiplexing. Bandwidth is the difference between the highest and lowest
  1591. frequencies in a given range.  For example, the frequency range of the
  1592. human voice is between 300 Hz and 3300 Hz.  Therefore, the voice
  1593. bandwidth is
  1594.  
  1595.            3300 Hz - 300 Hz  =  3000 Hz
  1596.  
  1597. We also refer to the bandwidth of a transmission medium.  A transmission
  1598. medium can have a bandwidth of 9600 Hz.  This means that it is capable
  1599. of transmitting a frequency range up to 9600 Hz.  A medium with a large
  1600. bandwidth can transmit more information and be divided into more
  1601. channels than a medium with a small bandwidth.
  1602.  
  1603. We will investigate three different methods of multiplexing:
  1604.  
  1605.                 Frequency Division Multiplexing (FDM)
  1606.                 Time Division Multiplexing (TDM)
  1607.                 Statistical Time Division Multiplexing (STDM)
  1608.  
  1609.  
  1610. Frequency Division Multiplexing (FDM)
  1611.  
  1612. FDM is the oldest of the three methods of multiplexing.  It splits up
  1613. the entire bandwidth of the transmission facility into multiple smaller
  1614. slices of bandwidth.  For example, a facility with a bandwidth of 9600
  1615. Hz can be divided into four communications channels of 2400 Hz each.
  1616. Four simultaneous telephone conversations can therefore be active on the
  1617. same line.
  1618.  
  1619. Logically, the sum of the separate transmission rates cannot be more
  1620. than the total transmission rate of the transmission facility:  the 9600
  1621. Hz facility could not be divided into five 2400 Hz channels because  5 x
  1622. 2400 is greater than 9600.
  1623.  
  1624. Guard bands are narrow bandwidths (about 1000 Hz wide) between adjacent
  1625. information channels (called frequency banks) which reduce interference
  1626. between the channels.
  1627.  
  1628. The use of FDM has diminished in recent years, primarily because FDM is
  1629. limited to analog transmission, and a growing percentage of transmission
  1630. is digital.
  1631.  
  1632.  
  1633. Time Division Multiplexing (TDM)
  1634.  
  1635.  
  1636. Time division multiplexing has two main advantages over frequency
  1637. division multiplexing:
  1638.  
  1639.            - It is more efficient
  1640.            - It is capable of transmitting digital signals
  1641.  
  1642. Instead of the bandwidth of the facility being divided into frequency
  1643. segments, TDM divides the capacity of a transmission facility into short
  1644. time intervals called time slots.
  1645.  
  1646. TDM is slightly more difficult to conceptualize than FDM.  An analogy
  1647. helps.
  1648.  
  1649. The problem is
  1650.  
  1651.       We must transport the freight of five companies from New York to
  1652.       San Francisco.  Each company wants their freight to arrive on the
  1653.       same day.  We must be as fair as we can to prevent one company's
  1654.       freight from arriving before another company's.  The freight from
  1655.       each company will fit into 10 boxcars so a total of 50 boxcars
  1656.       must be sent.  Essentially, there are three different ways we can
  1657.       accomplish this.
  1658.  
  1659.         1. We can rent five separate locomotives and rent five
  1660.            separate railway tracks and send each company's freight on
  1661.            its own line.
  1662.  
  1663.         2. We can rent five separate locomotives, but only one track and
  1664.            send five separate trains along one line.
  1665.  
  1666.         3. We can join all the boxcars together and connect them to one
  1667.            engine and send them over a single track.
  1668.  
  1669. Obviously the most cost effective solution is Number 3.  It saves us
  1670. from renting four extra rail lines and four extra locomotives.
  1671.  
  1672. To distribute the freight evenly so that each company's freight arrives
  1673. at the same time, the could be placed in a pattern as illustrated below:
  1674.  
  1675.   Company A + Company B + Company C + Company A + Company B + Company C . . .
  1676.  
  1677. At San Francisco, the boxcars would be reassembled into the original
  1678. groups of 10 for each company and delivered to their final destination.
  1679.  
  1680. This is exactly the principle behind TDM.  Use one track (communication
  1681. channel), and alternate boxcars (pieces of information) from each
  1682. sending company (telephone or computer).
  1683.  
  1684. In other words, each individual sample of a voice or data conversation
  1685. is alternated with samples from different conversations and transmitted
  1686. over the same line.
  1687.  
  1688. Let's say we have four callers in Boston (1, 2, 3, and 4) who want to
  1689. speak with four callers in Seattle (A, B, C, and D).  The task is to
  1690. transmit four separate voice conversations (the boxcars) over the same
  1691. line (the track).
  1692.  
  1693. The voice conversations are sampled by PCM.  This breaks each
  1694. conversation into tiny 8-bit packets.  For a brief moment, caller 1
  1695. sends a packet to receiver A.  Then, caller 2 sends a packet to receiver
  1696. B-- and so on.  The result is a steady stream of interleaved
  1697. packets-- just like our train example except the boxcars stretch all
  1698. across the country.  Notice that every fourth packet is from the same
  1699. conversation.  At the receiving end, the packets are reassembled and
  1700. sent to the appropriate receiver at the rate of 8000 samples per
  1701. seconds.
  1702.  
  1703. Remember that if the receiver hears the samples at the rate of 8000
  1704. times per second, it will result in good quality voice reproduction.
  1705. Therefore, the packets are transmitted fast enough so that every 1/8000
  1706. of a second, a packet from each send arrives at the appropriate
  1707. receiver.  In other words, each conversation is connected 8000 times per
  1708. second-- enough to satisfy Nyquist's Theorem.
  1709.  
  1710. In FDM the circuit was divided into individual frequency channels for
  1711. use by each sender.  In contrast, TDM divides the circuit into
  1712. individual time channels.  For a brief moment, each sender is allocated
  1713. the entire bandwidth-- just enough time to send eight bits of
  1714. information.
  1715.  
  1716.  
  1717. TDM Time Slots
  1718.  
  1719.  
  1720. Because a version of the TDM process (called STDM) is the primary
  1721. switching technique in use today, it is important that this challenging
  1722. concept be presented as clearly and understandably as possible.  Here is
  1723. a closer look at TDM, emphasizing the "T"--which stands for time.
  1724.  
  1725. Each transmitting device is allocated a time slot during which it is
  1726. permitted to transmit.  If there are three transmitting devices, for
  1727. example, there will be three time slots.  If there are four devices
  1728. there will be four time slots.
  1729.  
  1730. Two devices, one transmitting and one receiving, are interconnected by
  1731. assigning them to the same time slot of a circuit.  This means that
  1732. during their momentary shared time slot, the transmitting device is able
  1733. to send a short burst of information (usually eight bits) to the
  1734. receiving device.  During their time slot, they use the entire bandwidth
  1735. of the transmission facility but only for a short period of time.  Then,
  1736. in sequence, the following transmitting devices are allocated time slots
  1737. during which they too use the whole bandwidth.
  1738.  
  1739. Clock A and Clock B at either end of the transmission must move
  1740. synchronously. They rotate in unison, each momentarily making contact
  1741. with the two synchronized devices (one sender and one receiver).  For
  1742. precisely the same moment, Clock A will be in contact with Sender 1 and
  1743. Clock B will be in contact with Receiver 1, allowing one sample (8 bits)
  1744. of information to pass through. The they will both rotate so that clock
  1745. A comes into contact with Sender 2 and Clock B with Receiver 2.  Again,
  1746. one sample of information will pass.  This process is repeated for as
  1747. long as needed.
  1748.  
  1749. How fast must the clocking mechanism rotate?  Again, the answer is
  1750. Nyquist's theorem.  If a signal is sampled 8000 times per second, an
  1751. accurate representation of voice will result at the receiving end.  The
  1752. same theory applies with TDM.  If the clocking mechanism rotates 8000
  1753. times per second, the rate of transfer from each sender and receiver
  1754. must also be 8000 times per second.  This is so because every revolution
  1755. of the two clocking mechanisms result in each input and output device
  1756. making contact once.  TDM will not work if the clocking mechanism
  1757. synchronization is off.
  1758.  
  1759. Each group of bits from one rotation of the clocking mechanism is called
  1760. a frame. One method for maintaining synchronization is inserting a frame
  1761. bit at the end of each frame.  The frame bit alerts the demultiplexer of
  1762. the end of a frame.
  1763.  
  1764.  
  1765. Statistical Time Division Multiplexing (STDM)
  1766.  
  1767.  
  1768. STDM is an advanced form of TDM and is the primary switching technique
  1769. is use now.  The drawback of the TDM process is that if a device is not
  1770. currently transmitting, its time slot is left unused and is therefore
  1771. wasted.
  1772.  
  1773. In contrast, is STDM, carrying capacity is assigned dynamically.  If a
  1774. device is not transmitting, its time slot can be used by the other
  1775. devices, speeding up their transmission.  In other words, a time slot is
  1776. assigned to a device only if it has information to send.  STDM
  1777. eliminates wasted carrying capacity.
  1778.  
  1779.  
  1780.  
  1781.     .--------------------.
  1782. 7    | Transmission Media |
  1783.     `--------------------'
  1784.  
  1785.  
  1786. Voice and data information is represented by waveforms and transmitted
  1787. to a distant receiver.  However, information does not just magically
  1788. route itself from Point A to Point B.  It must follow some predetermined
  1789. path.  This path is called a transmission medium, or sometimes a
  1790. transmission facility.
  1791.  
  1792. The type of transmission medium selected to join a sender and receiver
  1793. can have a huge effect on the quality, price, and success of a
  1794. transmission. Choosing the wrong medium can make the difference between
  1795. an efficient transmission and an inefficient transmission.
  1796.  
  1797. Efficient means choosing the most appropriate medium for a given
  1798. transmission.  For example, the most efficient medium for transmitting a
  1799. normal call from your home to your neighbor is probably a simple pair of
  1800. copper wires.  It is inexpensive and it gets the job done.  But if we
  1801. were to transmit 2-way video teleconferencing from Bombay to Burbank,
  1802. one pair of wires might be the least efficient medium and get us into a
  1803. lot of trouble.
  1804.  
  1805. A company may buy all the right equipment and understand all the
  1806. fundamentals, but if they transmit over an inappropriate medium, they
  1807. would probably be better off delivering handwritten messages than trying
  1808. to use the phone.
  1809.  
  1810. There are a number of characteristics that determine the appropriateness
  1811. of each medium for particular applications:
  1812.  
  1813.                  - cost 
  1814.                  - ease of installation 
  1815.                  - capacity
  1816.                  - rate of error
  1817.  
  1818. In choosing a transmission medium, these and many other factors must be
  1819. taken into consideration.
  1820.  
  1821.  
  1822. Terminology
  1823.  
  1824.  
  1825. The transmission media used in telecommunications can be divided into
  1826. two major categories:  conducted and radiated.  Examples of conducted
  1827. media include copper wire, coaxial cable, and fiber optics.  Radiated
  1828. media include microwave and satellite.
  1829.  
  1830. A circuit is a path over which information travels.  All of the five
  1831. media serve as circuits to connect two or more devices.
  1832.  
  1833. A channel is a communication path within a circuit.  A circuit can
  1834. contain one or more channels.  Multiplexing divides one physical link
  1835. (circuit) into several communications paths (channels).
  1836.  
  1837. The bandwidth of a circuit is the range of frequencies it can carry.
  1838. The greater the range of frequencies, the more information can be
  1839. transmitted. Some transmission media have a greater bandwidth than
  1840. others and are therefore able to carry more traffic.
  1841.  
  1842. The bandwidth of a circuit is directly related to its capacity to carry
  1843. information.
  1844.  
  1845. Capacity is the amount of information that may pass through a circuit in
  1846. a given amount of time.  A high capacity circuit has a large amount of
  1847. bandwidth-- a high range of frequencies-- and can therefore transmit a 
  1848. lot of information.
  1849.  
  1850. Copper Cable
  1851.  
  1852. Copper cable has historically been the most common medium.  It has been
  1853. around for many years and today is most prevalent in the local loop--the
  1854. connection between a residence or business and the local telephone
  1855. company.
  1856.  
  1857. Copper cables are typically insulated and twisted in pairs to minimize
  1858. interference and signal distortion between adjacent pairs.  Twisting the
  1859. wires into pairs results in better quality sound which is able to travel
  1860. a greater distance.
  1861.  
  1862. Shielded twisted pair is copper cable specially insulated to reduce the
  1863. high error rate associated with copper transmission by significantly
  1864. reducing attenuation and noise.
  1865.  
  1866. Copper cable transmission requires signal amplification approximately
  1867. every 1800 meters due to attenuation.
  1868.  
  1869. Advantages of Copper Cable
  1870.  
  1871. There is plenty of it and its price is relatively low.
  1872.  
  1873. Installation of copper cable is relatively easy and inexpensive.
  1874.  
  1875.  
  1876. Disadvantages of Copper Cable
  1877.  
  1878. Copper has a high error rate.
  1879.  
  1880. Copper cable is more susceptible to electromagnetic interference (EMI) and 
  1881. radio frequency interference (RFI) than other media.  These effects can 
  1882. produce noise and interfere with transmission.
  1883.       
  1884. Copper cable has limited bandwidth and limited transmission capacity.
  1885.  
  1886. The frequency spectrum range (bandwidth) of copper cable is relatively low
  1887. -- approximately one megahertz (one million Hz).  Copper circuits can be 
  1888. divided into fewer channels and carry less information than the other media.
  1889.  
  1890.  
  1891. Typical Applications of Copper Cable
  1892.  
  1893. Residential lines from homes to the local CO (called the local loop).
  1894.  
  1895. Lines from business telephone stations to an internal PBX.
  1896.  
  1897. Coaxial Cable
  1898.  
  1899. Coaxial cable was developed to provide a more effective way to isolate
  1900. wires from outside influence, as well as offering greater capacity and
  1901. bandwidth than copper cable.
  1902.  
  1903. Coaxial cable is composed of a central conductor wire surrounded by
  1904. insulation, a shielding layer and an outer jacket.
  1905.  
  1906. Coaxial cable requires signal amplification approximately every 2000
  1907. meters.
  1908.  
  1909.  
  1910. Advantages of Coaxial Cable
  1911.  
  1912. Coaxial cable has higher bandwidth and greater channel capacity than 
  1913. copper wire.  It can transmit more information over more channels than 
  1914. copper can.
  1915.  
  1916. Coaxial cable has lower error rates.  Because of its greater insulation, 
  1917. coaxial is less affected by distortion, noise, crosstalk (conversations 
  1918. from adjacent lines), and other signal impairments.
  1919.  
  1920. Coaxial cable has larger spacing between amplifiers.
  1921.  
  1922. Disadvantages of Coaxial Cable
  1923.  
  1924. Coaxial cable has high installation costs.  It is thicker and 
  1925. less flexible and is more difficult to work with than copper wire.
  1926.  
  1927. Coaxial cable is more expensive per foot than copper cable.
  1928.  
  1929.  
  1930. Typical Applications
  1931.  
  1932.       - Data networks
  1933.  
  1934.       - Long distance networks
  1935.  
  1936.       - CO-to-CO connections
  1937.  
  1938. Microwave
  1939.  
  1940. For transmission by microwave, electrical or light signals must be
  1941. transformed into high-frequency radio waves.  Microwave radio transmits
  1942. at the high end of the frequency spectrum --between one gigahertz (one
  1943. billion Hz) and 30 GHz.
  1944.  
  1945. Signals are transmitted through the atmosphere by directly aiming one
  1946. dish at another.  A clear line-of-sight must exist between the
  1947. transmitting and receiving dishes because microwave travels in a
  1948. straight line.  Due to the curvature of the earth, microwave stations
  1949. are spaced between 30 and 60 kilometers apart.
  1950.  
  1951. To compensate for attenuation, each tower is equipped with amplifiers
  1952. (for analog transmission) or repeaters (for digital transmission) to
  1953. boost the signal.
  1954.  
  1955. Before the introduction of fiber optic cable in 1984, microwave served
  1956. as the primary alternative to coaxial cable for the public telephone
  1957. companies.
  1958.  
  1959.  
  1960. Advantages of Microwave
  1961.  
  1962.  
  1963. Microwave has high capacity.  Microwave transmission offers greater
  1964. bandwidth than copper or coaxial cable resulting in higher transmission
  1965. rates and more voice channels.
  1966.  
  1967. Microwave has low error rates.
  1968.  
  1969. Microwave systems can be installed and taken down quickly and inexpensively. 
  1970. They can be efficiently allocated to the point of greatest need in a
  1971. network. Microwave is often used in rural areas because the microwave
  1972. dishes can be loaded on trucks, moved to the desired location, and
  1973. installed quickly.
  1974.  
  1975. Microwave requires very little power to send signals from dish to dish
  1976. because transmission does not spread out into the atmosphere.  Instead
  1977. it travels along a straight path toward the next tower.
  1978.  
  1979. Microwave has a low Mean Time Between Failures (MTBF) of 100,000
  1980. hours-- or only six minutes of down time per year.
  1981.  
  1982. Microwave is good for bypassing inconvenient terrain such as mountains
  1983. and bodies of water.
  1984.  
  1985. Disadvantages of Microwave
  1986.  
  1987.  
  1988. Microwave is susceptible to environmental distortions.  Factors such as
  1989. rain, snow, and heat can cause the microwave beam to bend and vary.
  1990. This affects signal quality.
  1991.  
  1992. Microwave dishes must be focused in a straight line-of-sight.  This can
  1993. present a problem over certain terrain or in congested cities.
  1994. Temporary physical line-of-sight interruptions, such as a bird or plane
  1995. flying through the signal pathway, can result in a disruption of
  1996. signals.
  1997.  
  1998. Microwave usage must be registered with appropriate regulatory agencies.
  1999. These agencies monitor and allocate frequency assignments to prevent
  2000. systems from interfering with each other.
  2001.  
  2002. Extensive use of microwave in many busy metropolitan areas has filled up
  2003. the airwaves, limiting the availability of frequencies.
  2004.  
  2005.  
  2006. Typical Applications
  2007.  
  2008.       - Private networks
  2009.  
  2010.       - Long distance networks
  2011.  
  2012.  
  2013. Satellite
  2014.  
  2015.  
  2016. Satellite communication is a fast growing segment of the
  2017. telecommunications market because it provides reliable, high capacity
  2018. circuits.
  2019.  
  2020. In most respects, satellite communication is similar to microwave
  2021. communication.  Both use the same very high frequency (VHF) radio waves
  2022. and both require line-of-sight transmission.  A satellite performs
  2023. essentially the same function as a microwave tower.
  2024.  
  2025. However, satellites are positioned 36,000 kilometers above the earth in
  2026. a geosynchronous orbit,  This means they remain stationary relative to a
  2027. given position on the surface of earth.
  2028.  
  2029. Another difference between microwave and satellite communications is
  2030. their transmission signal methods.  Microwave uses only one frequency to
  2031. send and receive messages.  Satellites use two different
  2032. frequencies--one for the uplink and one for the downlink.
  2033.  
  2034. A device called a transponder is carried onboard the satellite.  It
  2035. receives an uplink signal beam from a terrestrial microwave dish,
  2036. amplifies (analog) or regenerates (digital) the signal, then retransmits
  2037. a downlink signal beam to the destination microwave dish on the earth.
  2038. Today's satellites have up to 48 transponders, each with a capacity
  2039. greater than 100 Mbps.
  2040.  
  2041. Because of the long distance traveled, there is a propagation delay of
  2042. 1/2 second inherent in satellite communication.  Propagation delay is
  2043. noticeable in phone conversations and can be disastrous to data
  2044. communication.
  2045.  
  2046. A unique advantage of satellite communication is that transmission cost
  2047. is not distance sensitive.  It costs the same to send a message across
  2048. the street as around the world.
  2049.  
  2050. Another unique characteristic is the ability to provide
  2051. point-to-multipoint transmission.  The area of the surface of the earth
  2052. where the downlinked satellite signals can be received is called its
  2053. footprint.  Information uplinked from the earth can be broadcast and
  2054. retransmitted to any number of receiving dishes within the satellite's
  2055. footprint.  Television broadcast is a common application of
  2056. point-to-multipoint transmission.
  2057.  
  2058.  
  2059. Advantages of Satellite Transmission
  2060.  
  2061.  
  2062. Satellite transmission provides access to wide geographical areas (up to the 
  2063. size of the satellite's footprint), point-to-multipoint broadcasting, a large 
  2064. bandwidth, and is very reliable.
  2065.  
  2066.  
  2067. Disadvantages of Satellite Transmission
  2068.  
  2069.  
  2070. Problems associated with satellite transmission include: propagation delay, 
  2071. licensing requirement by regulatory agencies security issue concerning the 
  2072. broadcast nature of satellite transmission.  Undesired parties within a 
  2073. satellites footprint may illicitly receive downlink transmission.
  2074.  
  2075. Installation requires a satellite in orbit.
  2076.  
  2077.  
  2078. Fiber Optics
  2079.  
  2080.  
  2081. Fiber optics is the most recently developed transmission medium.  It
  2082. represents an enormous step forward in transmission capacity.  A recent
  2083. test reported transmission rates of 350 Gbps (350 billion bits), enough
  2084. bandwidth to support millions of voice calls.  Furthermore, a recently
  2085. performed record- setting experiment transmitted signals 10,000 Km
  2086. without the use of repeaters, although in practice 80 to 300 Km is the
  2087. norm.  Recall the need for repeaters every kilometer or so with copper
  2088. wire and coaxial.
  2089.  
  2090. Fiber optics communication uses the frequencies of light to send
  2091. signals.  A device called a modulator converts electrical analog or
  2092. digital signals into light pulses.  A light source pulses light on and
  2093. off billions and even trillions of times per second (similar to a
  2094. flashlight turned on and off-- only faster). These pulses of light are
  2095. translated into binary code.  The positive light pulse represents 1; a
  2096. negative light pulse (no light) represents 0.  Fiber optics is digital
  2097. in nature.
  2098.  
  2099. The light is then transmitted along a glass or plastic fiber about the
  2100. size of a human hair.  At the receiving end, the light pulses are
  2101. detected and converted back to electrical signals by photoelectric
  2102. diodes.
  2103.  
  2104. Advantages of Fiber Optics
  2105.  
  2106. Fiber optics has an extremely high bandwidth.  In fact, fiber optic
  2107. bandwidth is almost infinite, limited only by the ability of engineers
  2108. to increase the frequency of the pulses of light.  Current technology
  2109. achieves a frequency of 100 terahertz (one million billion).
  2110.  
  2111. Fiber optics is not subject to interference or electromagnetic
  2112. impairments as are the other media.
  2113.  
  2114. Fiber optics has an extremely low error rate-- approximately one error
  2115. per 1,000,000,000,000.
  2116.  
  2117. Fiber optics has a low energy loss translating into fewer
  2118. repeaters/regenerators per long distance transmission.
  2119.  
  2120. Fiber is a glass and glass is made of sand.  There will never by a
  2121. shortage of raw material for fiber.
  2122.  
  2123.  
  2124. Disadvantages of Fiber Optics
  2125.  
  2126.  
  2127. Installation costs are high for a fiber optic system.  Currently it
  2128. costs approximately $41,000 per km to install a fiber optic system.  The
  2129. expense of laying fiber is primarily due to the high cost of splicing
  2130. and joining fiber.  The cost will almost certainly decrease dramatically
  2131. as less expensive methods of splicing and joining fiber are introduced.
  2132.  
  2133. A potential disadvantage of fiber optics results from its enormous
  2134. carrying capacity.  Occasionally a farmer or construction worker will
  2135. dig into the earth and unintentionally split a fiber optic cable.
  2136. Because the cable can carry so much information, an entire city could
  2137. lose its telephone communication from just one minor mishap.
  2138.  
  2139.  
  2140.     .-----------.
  2141. 8    | Signaling |
  2142.     `-----------'
  2143.  
  2144. Types of Signals
  2145.  
  2146. When a subscriber picks up the phone to place a call, he dials digits to
  2147. signal the network.  The dialed digits request a circuit and tell the
  2148. network where to route the call--a simple enough procedure for the
  2149. caller.  But in fact, it involves a highly sophisticated maze of
  2150. signaling to and from switches and phones to route and monitor the call.
  2151. Signaling functions can be divided into three main categories.
  2152.  
  2153.  
  2154. Supervisory
  2155.  
  2156.       Supervisory signals indicate to the party being called and the CO
  2157.       the status of lines and trunks--whether they are idle, busy, or
  2158.       requesting service.  The signals detect and initiate service on
  2159.       requesting lines and trunks.  Signals are activated by changes in
  2160.       electrical state and are caused by events such as a telephone
  2161.       going on-hook or off-hook. Their second function is to process
  2162.       requests for telephone features such as call waiting.
  2163.  
  2164.  
  2165. Addressing
  2166.  
  2167.       Addressing signals determine the destination of a call.  They
  2168.       transmit routing information throughout the network.  Two of the
  2169.       most important are
  2170.  
  2171.       Dial Pulse:     These address signals are generated by alternately
  2172.                       opening and closing a contact in a rotary phone
  2173.                       through which direct current flows.  The number of
  2174.                       pulses corresponds to the number of the dialed
  2175.                       digit.
  2176.  
  2177.       Tone:           These address signals send a unique tone or
  2178.                       combination of tones which correspond to the
  2179.                       dialed digit.
  2180.  
  2181.  
  2182. Alerting
  2183.  
  2184.       Alerting signals inform the subscriber of call processing
  2185.       conditions.. These signals include:
  2186.  
  2187.            Dial tone
  2188.            The phone ringing
  2189.            Flashing lights that substitute for phone ringing
  2190.            Busy signal
  2191.  
  2192. Let's take a look at how signaling is used to set up a typical call over
  2193. the public network.
  2194.  
  2195. Step 1 -   Caller A goes off-hook
  2196.  
  2197. Step 2 -   The CO detects a change in state in the subscriber's line.
  2198.            The CO responds by sending an alerting signal (dial tone) to
  2199.            caller A to announce that dialing may begin.  The CO marks
  2200.            the calling line busy so that other subscribers can not call
  2201.            into it.  If another subscriber attempts to phone caller A,
  2202.            he will get the alerting busy signal.  Caller A dials the
  2203.            digits using tones from the keypad or dial pulses from a
  2204.            rotary phone.
  2205.  
  2206. Step 3 -   The dialed digits are sent as addressing signals from caller
  2207.            A to CO A
  2208.  
  2209. Step 4 -   CO A routes the addressing signals to CO B.
  2210.  
  2211. Step 5 -   Supervisory signals in CO B test caller B to determine if the
  2212.            line is free.  The line is determined to be free.
  2213.  
  2214. Step 6 -   CO B sends alerting signals to caller B, which causes caller
  2215.            B's telephone to ring.
  2216.  
  2217.  
  2218. This is an example of a local call which was not billed to the customer.
  2219. If the call had been a billable, long distance call, it would have used
  2220. a supervisory signal known as answer supervision.  When the receiving
  2221. end of a long distance call picks up, it sends a signal to its local CO.
  2222. The CO then sends an answer supervision signal to the caller's CO
  2223. telling it that the phone was picked up and it is time to begin billing.
  2224.  
  2225.  
  2226. Where on the Circuit Does Signaling Occur?
  2227.  
  2228. There are only three places where signaling can occur: 
  2229.  
  2230.       In-band means on the same circuit as voice, within the voice
  2231.       frequency range (between 300 and 3400 Hz).
  2232.  
  2233.       Out-of-band means on the same circuit as voice, outside of the
  2234.       voice frequency range (3400 - 3700 Hz).
  2235.  
  2236.       Common Channel Signaling (CCS) means signaling occurs on a
  2237.       completely separate circuit.
  2238.  
  2239.  
  2240. The frequency range of human voice is approximately 0 - 4000 Hz.
  2241. However, most voice signals fall in the area between 300 and 3400 Hz.
  2242. Therefore, to save bandwidth, telephones only recognize signals between
  2243. 300 and 3400 Hz. It is conceivable that someone with an extremely high
  2244. voice would have difficulty communicating over the telephone.
  2245.  
  2246.  
  2247. In-band and Out-of-band
  2248.  
  2249.  
  2250. In-band signaling (300 to 3400 Hz) can take the form of either a single
  2251. frequency tone (SF signaling) of a combination of tones (Dual Tone
  2252. Multifrequency - DTMF).  DTMF is the familiar touch tone.
  2253.  
  2254. Out-of-band signaling (3400 to 3700 Hz)  is always single frequency
  2255. (SF).
  2256.  
  2257.  
  2258. In other words, using the frequency range from 300 to 3700 Hz, there are
  2259. three methods of signaling.
  2260.  
  2261.       Method A:       In-band (300 to 3400 Hz) by a single frequency
  2262.                       (SF)
  2263.  
  2264.       Method B:       In-band (300 to 3400 Hz) by multifrequencies
  2265.                       (DTMF)
  2266.  
  2267.       Method C:       Out-of-band (3400 to 3700 Hz) by a single
  2268.                       frequency (SF)
  2269.  
  2270.  
  2271. Single Frequency (SF) Signaling
  2272.  
  2273. Methods A and C are examples of Single Frequency (SF) signaling.  SF
  2274. signaling is used to determine if the phone line is busy (supervision)
  2275. and to convey dial pulses (addressing).
  2276.  
  2277. Method A:  In-band SF signaling uses a 2600 Hz tone which is carried
  2278.            over the frequency bandwidth of voice (remember the frequency
  2279.            bandwidth of voice is between 300 and 3300 Hz), within the
  2280.            speech path.  So as not to interfere with speech, it is
  2281.            present before the call but is removed once the circuit is
  2282.            seized and speech begins.  After the conversation is over, it
  2283.            may resume signaling.  It does not, however, signal during
  2284.            the call because it would interfere with voice which also may
  2285.            transmit at 2600 Hz.  Special equipment prevents occasional
  2286.            2600 Hz speech frequencies from accidentally setting off
  2287.            signals.
  2288.  
  2289. Method C:  To improve signaling performance, SF out-of-band signaling
  2290.            was developed.  It uses frequencies above the voice frequency
  2291.            range (within the 3400 to 3700 Hz bandwidth) to transmit
  2292.            signals.
  2293.  
  2294.  
  2295. The problem with Methods A and C is that they are easily susceptible to
  2296. fraud. In the late 1960s, one of the most popular breakfast cereals in
  2297. America had a promotion in which they packaged millions of children's
  2298. whistles, one in each specially marked box.  Never did General Mills,
  2299. the producer of the cereal, anticipate the fraud they would be party to.
  2300. It turned out that the whistles emitted a pure 2600 Hz tone, exactly the
  2301. tone used in Method A.  It did not take long for hackers to discover
  2302. that if they blew the whistles into the phones while making a long
  2303. distance phone call, it tricked the telephone company billing equipment
  2304. and no charge was made.
  2305.  
  2306. This trick grew into its own little cottage industry, culminating in the
  2307. infamous mass produced Blue Boxes which played tones that fooled
  2308. telephone billing equipment out of millions of dollars.
  2309.  
  2310.  
  2311. Method B:  DTMF was introduced to overcome this fraud, as well as to
  2312.            provide better signaling service to the customer.  Instead of
  2313.            producing just one signaling frequency, DTMF transmits
  2314.            numerical address information from a phone by sending a
  2315.            combination of two frequencies, one high and one low, to
  2316.            represent each number/letter and * and # on the dial pad.
  2317.            The usable tones are located in the center of the voice
  2318.            communication frequencies to minimize the effects of
  2319.            distortion.
  2320.  
  2321. Drawbacks to SF and DTMF Signaling
  2322.  
  2323. There are drawbacks to both SF and DTMF signaling that are promoting
  2324. their replacement in long distance toll circuits.  The most important is
  2325. that these signals consume time on the circuit while producing no
  2326. revenues.  Every electrical impulse, be it a voice conversation or
  2327. signaling information, consumes circuit time.  Voice conversations are
  2328. billable.  Signaling is not. Therefore, it is in the best interest of
  2329. the phone carriers to minimize signaling.
  2330.  
  2331. Unfortunately, almost half of all toll calls are not completed because
  2332. the called party is busy, not available or because of CO blockage.
  2333. Nevertheless, signals must be generated to attempt to set up, then take
  2334. down the call. Signals are generated but no revenue is produced.  For
  2335. incompleted calls, these signals compete with revenue producing signals
  2336. (whose calls were completed) for scarce circuit resources.
  2337.  
  2338.  
  2339. CCS introduced several benefits to the public network:
  2340.  
  2341.       .    Signaling information was removed from the voice channel, so
  2342.            control information could travel at the same time as voice
  2343.            without taking up valuable bandwidth from the voice channel.
  2344.  
  2345.       .    CCS sets up calls faster, reducing signaling time and freeing
  2346.            up scarce resources.
  2347.  
  2348.       .    It cost less than conventional signaling.
  2349.  
  2350.       .    It improves network performance.
  2351.  
  2352.       .    It reduces fraud.
  2353.  
  2354.  
  2355. Signaling System 7  (SS7)
  2356.  
  2357. Today the major long distance carriers use a version of CCS called
  2358. Signaling System 7  (SS7).  It is a standard protocol developed by the
  2359. CCITT, a body which establishes international standards.
  2360.  
  2361.  
  2362. Common Channel Signaling (CCS)
  2363.  
  2364. Common Channel Signaling (CCS) is a radical departure from traditional
  2365. signaling methods.  It transmits signals over a completely different
  2366. circuit than the voice information.  The signals from hundreds or
  2367. thousands of voice conversations are carried over a single common
  2368. channel.
  2369.  
  2370. Introduced in the mid-1970s CCS uses a separate signaling network to
  2371. transmit call setup, billing, and supervisory information.  Instead of
  2372. sending signals over the same communication paths as voice or data, CCS
  2373. employs a full network dedicated to signaling alone.
  2374.  
  2375. Loop Start Versus Ground Start Signaling
  2376.  
  2377. Establishing an electrical current connection with a CO can be done in
  2378. several different ways.  Here are a few of the possibilities
  2379.  
  2380.  
  2381. Loop Start
  2382.  
  2383. Inside of the CO, there is a powerful, central battery that provides
  2384. current to all subscribers.  Loop start is a method of establishing the
  2385. flow of current from the CO to a subscriber's phone.
  2386.  
  2387.  
  2388. The two main components of a loop start configuration are
  2389.  
  2390.       The tip (also called the A line) is the portion of the line loop
  2391.       between the CO and the subscriber's phone that is connected to the
  2392.       positive, grounded side of the battery.
  2393.  
  2394.       The ring (also called the B line) is the portion of the line loop
  2395.       between the CO and the subscriber's phone that is connected to the
  2396.       negative, ungrounded side of the battery.
  2397.  
  2398.  
  2399. To establish a loop start connection with the CO, a subscriber goes
  2400. off-hook. This closes a direct current (DC) path between the tip and
  2401. ring and allows the current to flow in a loop from the CO battery to the
  2402. subscriber and back to the battery.  Once the current is flowing, the CO
  2403. is capable of sending alerting signals (dial tone) to the subscriber to
  2404. begin a connection.
  2405.  
  2406. The problem with loop start signaling is a phenomenon called glare that
  2407. occurs in trunks between a CO and a PBX.  When a call comes into a PBX
  2408. from CO trunk, the only way the PBX knows that the trunk circuit is busy
  2409. is the ringing signal sent from the CO.
  2410.  
  2411. Unfortunately the ringing signal is transmitted at six second intervals.
  2412. For up to six seconds at a time, the PBX does not know there is a call
  2413. on that circuit.  If an internal PBX caller wishes to make an outgoing
  2414. call, the PBX may seize the busy trunk call at the same time.  The
  2415. result is confused users on either end of the line, and the abandonment
  2416. of both calls.
  2417.  
  2418. Ground Start 
  2419.  
  2420. Ground start signaling overcomes glare by immediately engaging a circuit
  2421. seize signal on the busy trunk.  The signal alerts the PBX that the
  2422. circuit is occupied with an incoming call and cannot be used for an
  2423. outgoing call.
  2424.  
  2425. Ground start is achieved by the CO by grounding the tip side of the line
  2426. immediately upon seizure by an incoming call.  The PBX detects the
  2427. grounded tip and is alerted not to seize this circuit for an outgoing
  2428. call, even before ringing begins.
  2429.  
  2430. Because ground start is so effective at overcoming glare, it is commonly
  2431. used in trunks between the CO and a PBX.
  2432.  
  2433.  
  2434. E & M
  2435.  
  2436. E & M signaling is used in tie lines which connect two private telephone
  2437. switches.  In E & M signaling, information is transmitted from one
  2438. switch to another over two pairs of wires.  Voice information is sent
  2439. over the first pair, just as it would be in a Loop Start or Ground Start
  2440. trunk.  However, instead of sending the signaling information over the
  2441. same pair of wires, it is sent over the second pair of wires.
  2442.  
  2443.  
  2444.  
  2445.  
  2446.  
  2447.