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Conmutación telefónica
Conmutación
Conmutación Justificación y definición Conmutación de circuitos Conmutación de mensajes Conmutación de paquetes Comparación de las técnicas de conmutación
Justificación y definición.
Si se atiende a las arquitecturas y técnicas utilizadas en la conexión entre terminales telefónicos, la red telefónica se encontraría entre las denominadas redes de telecomunicación conmutadas, formada por un conjunto de nodos interconectados, de forma que la información se transmite de un origen a un destino mediante su encaminamiento a través de distintos nodos que se encuentran conectados mediante rutas de transmisión. La información que accede a la red desde un terminal se encamina a su destino, siendo conmutada de un nodo a otro.
Aparece así la conmutación como uno de los primeros conceptos que se necesitó desarrollar para conseguir interconectar entre sí a los usuarios de los diferentes sistemas de telecomunicación a un coste razonable, pudiendo ser definida la conmutación como la parte de la telecomunicación que estudia los sistemas que permiten establecer conexiones semipermanentes entre dos terminales cualesquiera enlazados al sistema.
Las redes conmutadas se pueden clasificar en base a los procedimientos que se utilizan en la conmutación de la información de un enlace a otro, dando lugar a las redes conmutadas encircuitos,mensajes ypaquetes.
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2 Conmutación
Conmutación de circuitos.
La telecomunicación por conmutación de circuitos implica que en un momento dado hay una ruta dedicada entre dos terminales. Esta ruta se compone de una secuencia de enlaces entre nodos, dedicándose en cada enlace físico un canal a la conexión.
Para llevar a cabo la comunicación por conmutación de circuitos se necesita seguir las tres fases siguientes: establecimiento del circuito, transmisión de la información y desconexión del circuito.
Puesto que la ruta de conexión se establece antes del comienzo de la transmisión de la información, habrá de reservarse la capacidad de un canal entre cada par de nodos de la ruta y cada nodo habrá de disponer de la necesaria capacidad interna de conmutación para manejar la conexión requerida. Así pues, la capacidad del canal está totalmente asignada aun cuando no haya transferencia de datos.
En las comunicaciones telefónicas la utilización del canal puede ser alta. Sin embargo, en una conexión de transmisión de datos el canal puede no estar utilizado durante la mayor parte del tiempo.
En este tipo de conmutación, desde el punto de vista del rendimiento, va a existir una demora previa a la transferencia de información debida al establecimiento de la llamada. Una vez que el circuito se ha establecido la red es transparente a los usuarios, transmitiéndose la información a una velocidad determinada sin otro retardo que el de propagación a través de los enlaces, considerándose que el retardo en cada nodo es despreciable.
Cada nodo en una red de conmutación de circuitos es una central de conmutación.
Conmutación de mensajes.
En este tipo de comunicación conmutada, cuando un terminal requiere enviar un mensaje incorpora a éste una dirección de destino. El mensaje pasa a través de la red de un nodo a otro, recibiéndose en cada uno de ellos el mensaje completo que es almacenado y retransmitido al nodo siguiente. De esta forma no se necesita establecer una ruta dedicada entre dos terminales.
Un nodo de conmutación de mensajes es típicamente un miniordenador con algunas características de entrada/salida que lo hacen particularmente adecuado para el tratamiento de los mensajes entrantes y salientes.
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f Método de circuitos virtuales. En este caso se establece una conexión lógica antes de proceder a la transmisión de la información, pudiendo ser esta conexión permanente o transitoria, denominándose respectivamente circuito virtualpermanente oconmutado. En el caso del circuito virtual permanente la ruta está predeterminada para un par de terminales, lo que implica que está dedicada. En el caso del circuito virtual conmutado la ruta se establece en la fase de establecimiento de la llamada, siendo necesario en cualquiera de los dos casos que cada paquete contenga un identificador de circuito virtual además de la información.
Supongamos nuevamente que el terminal A de la red de la figura siguiente tiene información que enviar a D.
El nodo 1 decide encaminar, en base a un paquete de petición de llamada emitido por A, todos los paquetes enviados en la conexión al nodo 5, y éste, al nodo 4. Si D está preparado para aceptar la llamada envía un paquete de llamada aceptada al terminal A, a través de la ruta establecida (nodos 4-5-1). Los terminales A y D pueden ahora intercambiar datos sobre la conexión lógica o circuito virtual establecido.
La principal característica del método de circuito virtual es que la ruta entre terminales se establece con anterioridad a la transferencia de información, lo que no significa que haya una ruta dedicada. Los paquetes se almacenan en cada nodo y se aseguran a la línea de la cola de salida. La diferencia con el método datagrama estriba en que cada nodo no necesita realizar una decisión de encaminamiento para cada paquete, sino que se realiza una sola vez la decisión por cada conexión.
Comparación de las técnicas de conmutación.
En la figura 1 se realiza una comparación gráfica de las técnicas de conmutación de circuitos, mensajes y paquetes (método de circuito virtual conmu- tado), desde un punto de vista cualitativo. En dicha figura se representa la transmisión de un mensaje a través de cuatro nodos.
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Figura 1. Comparativa de diferentes tipos de conmutación.
En la gráfica comparativa se aprecian tres tipos de demoras, a saber:retardo de propagación (RP), que es el tiempo que requiere una señal para propagarse de un nodo a otro,tiempo de transmisión, que es el tiempo que precisa un terminal emisor para enviar un bloque de información, y retardo nodal (RN), que es el tiempo requerido en un nodo para conmutar la información.
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Conmutación telefónica Introducción Abonados y enlaces Red de conexión y unidad de control Diferencias entre red de conexión y unidad de control Red de conexión Etapas T Etapa S Unidad de control Funciones básicas de los equipos de conmutación
Introducción.
De las distintas técnicas de conmutación que se han analizado de una manera concisa en los apartados anteriores, es la de conmutación de circuitos la que vamos a estudiar más en profundidad y, dentro de ella, la conmutación realizada en los sistemas telefónicos, por ser estos los de mayor implantación.
Avanzábamos al hablar de la conmutación de circuitos que los nodos de la red correspondiente se denominaban centrales de conmutación. Pues bien, todos los tipos de centrales de conmutación que se utilicen en la red telefónica, indepen- dientemente del sistema de que se trate, han de poder cursar diferentes clases de llamadas y proporcionar una serie de funciones básicas elementales. Así mismo, en todas ellas puede hacerse una división clásica entre la red de conexión y la unidad de control.
En este punto, y entendiendo que los enlaces punto a punto pueden no ser los más adecuados en determinadas condiciones (largas distancias entre terminales, gran número de usuarios del sistema,...) podríamos hacernos una serie de preguntas: ¿cuál es el motivo de la utilización de las centrales de conmutación?, ¿existe más de un motivo que justifique su existencia?, ¿qué implicaciones tiene la utilización de las centrales sobre la red?,...
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Uno de los motivos de la existencia de las centrales de conmutación en telefonía es el ahorro del número de conexiones, consecuencia lógica de la propia concepción de la conmutación, basada en la interconexión de los diferentes usuarios a un coste razonable. Sin embargo, no es este el único motivo. Pensemos en lo que ocurre cuando un usuario o abonado efectúa una llamada telefónica.
El usuario descuelga su teléfono e, inmediatamente, escucha una señal ininterrumpida que le indica que puede proceder a marcar cifras. Cuando termina la operación de marcar cifras el abonado ha de ser conectado con el colateral (abonado llamado), a través de la central o centrales implicadas y, en su caso, de las uniones entre centrales.
Una vez efectuada la conmutación entre abonados, estos quedan conectados y la central ha de enviar al abonado llamante la señal correspondiente que le indique si el colateral está libre u ocupado, o bien si la llamada no ha tenido éxito por cualquier motivo. Simultáneamente, la central ha de enviar otra señal al terminal telefónico del colateral si es que este se encuentra libre.
Por fin, han de mantenerse conectados los dos abonados mientras están en conversación y al término de la misma hay que desconectarlos.
Se produce un "diálogo" entre una central y el terminal telefónico del abonado llamante. Pero también entre las centrales implicadas en la comunicación; y entre una central y el terminal del abonado llamado (colateral). Estos diálogos, necesarios en el establecimiento de una comunicación, y agrupados bajo la denominación genérica deseñalización, justifican la existencia de las centrales de conmutación.
Además de las citadas, en el proceso de la comunicación entre abonados hay que realizar una serie de funciones auxiliares, pero no por ello menos importantes, como latarificación de la llamada al abonado llamante,....
Es evidente que la realización de las funciones citadas (conexión, señalización, tarificación,...) requiere un cierto grado de "inteligencia" de la red telefónica. Dicha inteligencia, por razones de complejidad y de tamaño, no está distribuida en los aparatos telefónicos, sino que está concentrada en las centrales, de manera que son las centrales telefónicas o centrales de conmutación las que deben proporcionar tales funciones, de las cuales la más importante es la de conexión o conmutación de los abonados llamante y llamado, de la que reciben el nombre.
El componente fundamental de una central de conmutación es el denominado equipo de conmutación , compuesto por una serie de órganos automáticos y de circuitos, de naturaleza más o menos compleja, que pueden estar realizados con tecnología electromecánica o electrónica, y dentro de la tecnología con la que estén realizados pueden responder a distintas y variadas concepciones de la conmutación. En otras palabras, la solución que se dé a la realización del equipo de conmutación no es única, pudiendo existir distintas soluciones que cumplan con las funciones básicas que son requisito indispensable de cualquier sistema de conmutación. Cada solución distinta, suficientemente diferenciada de las demás, se conoce como un sistema de conmutación.
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cursar los cuatro tipos de llamadas diferentes, siendo realmente muy pocas las que lo hacen.
Red de conexión y unidad de control.
El conjunto de órganos y circuitos que forman el equipo de conmutación se divide en dos partes bien diferenciadas, denominadasred de conexión yunidad de control. Cada una de ellas está formada a su vez por un cierto número de órganos y circuitos que pueden ser de tecnología electromecánica o electrónica.
La red de conexión comprende el conjunto de órganos y circuitos que constituyen el soporte físico de la comunicación. Por tanto, los abonados se conectan entre sí a través de las redes de conexión de las centrales. La comunicación o conversación es soportada físicamente por los órganos y circuitos de la red de conexión, siendo por tanto a ésta a la que se conectan las líneas de abonado y los enlaces (conexiones de entrada o de salida con otras centrales), tal y como se ilustra en la figura 1.
Figura 1. Arquitectura básica de una central de conmutación.
Los abonados se conectan a la red de conexión a través de sus correspon- dientesequipos de línea (EL), de los que existe uno individual para cada abonado y cuya misión principal es la de detectar el descuelgue del terminal de abonado.
Cuando a través del equipo de conmutación se establece una llamada de cual- quier tipo se efectúa la conexión oportuna que es físicamente soportada por la red de conexión.
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Si en la figura 1 el abonado 1 marca las cifras correspondientes a un abonado de otra central, a través de la red de conexión se establecerá un camino que unirá al abonado 1 con un enlace de salida libre que encamine la llamada en la dirección deseada.
El camino formado una vez que se han realizado todas las conexiones necesarias se denominacamino de conversación, puesto que por el mismo fluirá la conversación entre los abonados, y está definido por un cierto número de los denominadospuntos de cruce (X) de la red de conexión, siendo cada punto de cruce una conexión individual. El camino de conversación no es único, en el sentido de que entre dos terminales de la red de conexión existen multitud de caminos distintos, definidos por puntos de cruce diferentes que pueden conectarlos. Según cuales sean los puntos de cruce elegidos, los caminos de conversación serán diferentes.
En la figura 1 se han señalado otros caminos de conversación, correspondientes a otras llamadas, como una llamada entrante, a través de uno de los enlaces de entrada a la central, al abonado 2, o una llamada local entre el abonado 3 y el abonado 4.
Ahora bien, aunque la comunicación se establece físicamente a través de la red de conexión, las funciones de mayor inteligencia las realiza launidad de control.
Entre las funciones realizadas por esta unidad se encuentra la de determinar qué puntos de cruce se efectuarán para una determinada llamada, de acuerdo con una información externa a la central formada por las cifras marcadas por el abonado llamante y una información interna a la central, siendo fundamental la información relativa a la ocupación de los puntos de cruce.
En virtud de tales informaciones la unidad de control elabora órdenes hacia los órganos y circuitos de la red de conexión, efectuando y/o deshaciendo puntos de cruce, lo que determina los caminos de conversación para cada llamada.
Haciendo un símil con la telefonía manual, podemos decir que la unidad de control equivale a la operadora, mientras que la red de conexión equivale a los circuitos y clavijas que la operadora maneja.
Además del establecimiento de los puntos de cruce, la unidad de control realiza otras muchas funciones adicionales que se estudiarán oportunamente.
D IFERENCIAS ENTRE LA RED DE CONEXIÓN Y LA UNIDAD DE CONTROL.
Los órganos y circuitos de la red de conexión y la unidad de control se diferencian fundamentalmente en cuanto a su complejidad y en cuanto a su número.
En efecto, puesto que los órganos de la unidad de control son los que deben tomar decisiones inteligentes, habrán de ser más complejos y sofisticados que los órganos de la red de conexión. Tanto es así que en los sistemas de conmutación modernos la unidad de control está constituida por un ordenador o un conjunto de ordenadores.
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circuitos y de órganos de conmutación igual al número de abonados, ya que estos no tienen su aparato telefónico descolgado durante la mayor parte del tiempo.
El equipo de conmutación se diseña de modo cada abonado dispone de un equipo de línea (EL), encargado de detectar el descolgado del abonado, que se conecta a la entrada de la etapa de concentración, teniendo acceso el conjunto de los equipos de línea a un número inferior de órganos y circuitos situados al final de la etapa de concentración.
Se define como índice de concentración o severidad de la concentración al cociente entre el número de entradas y el número de salidas de la etapa de concentración.
Si a la entrada de una etapa de concentración se conectan 10000 abonados y a su salida se disponen 500 circuitos, el índice de concentración será de 10000/500 ó de 20:1.
La etapa de concentración permite economizar el número de circuitos, no permitiendo que todos los abonados puedan comunicar simultáneamente, ni estando obligada a la existencia de accesibilidad total entre las entradas y las salidas. El número de circuitos que se van a disponer a su salida se va a determinar mediante procedimientos estadísticos de tráfico.
Los circuitos que constituyen la salida de la etapa de concentración acceden a la unidad de control, formada por un número inferior de órganos, y constituyen, a su vez, la entrada de la etapa de distribución, también conocida como etapa de grupo.
La etapa de distribución tiene el mismo número de entradas que de salidas, justificándose su existencia por razones de mejora de la accesibilidad entre los órganos y los circuitos de la red de conexión.
La etapa de expansión tiene menor número de entradas que de salidas. Las entradas de la etapa de expansión son los circuitos de salida de la etapa de distribución, siendo las salidas de la etapa de expansión los mismos abonados que constituyen la entrada de la etapa de concentración.
La razón de la existencia de la etapa de expansión es que aunque el número de circuitos de abonado se haya concentrado en un número inferior de circuitos, la comunicación ha de poder finalizar en todos y cada uno de ellos. Para esta etapa se define el índice de expansión como el cociente entre el número de entradas y el número de salidas de la etapa de expansión.
Si el número de circuitos de salida de la etapa de distribución es de 500 y el número de abonados de 10000, el índice de expansión será de 500/10000 ó de 1:20.
Los enlaces de salida y llegada se conectan en la etapa de distribución de la central y para representarlos simplificadamente se divide la etapa de distribución en dos partes, tal y como se puede ver en la figura 3.
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Figura 3. División de la etapa de distribución para favorecer la conexión de los enlaces de salida (ES) y llegada (ELl).
Como se puede apreciar, en este caso una llamada local iría por las etapas de concentración, distribución 1, distribución 2 y expansión; una llamada saliente iría por las etapas de concentración, distribución 1 y enlaces de salida; y una llamada entrante por los enlaces de llegada, etapa de distribución 2 y etapa de expansión.
Existen sistemas de conmutación que tienen red de conexiónreplegada, lo que significa que las etapas de concentración y expansión están materializadas por los mismos órganos. En este caso la etapa de expansión se representa superpuesta sobre la etapa de concentración.
Por motivos económicos y de calidad de transmisión se somete frecuentemente a la señal analógica proporcionada por el abonado a un proceso de modulación, haciéndose necesario concebir una red de conexión que conmute señales moduladas de cualquier tipo. En la práctica, existen redes de conexión que conmutan señales moduladas según la técnica MIC (Modulación de Impulsos Codificados) que, al ser una técnica digital, hace que la red de conexión capaz de conmutarlas sea una red de conexión digital, que surge como una aplicación del múltiplex por división en el tiempo (MDT) a las redes de conexión.
Con independencia del sistema múltiplex MIC de que se trate, en este caso la misión fundamental de la red de conexión consiste en trasladar un conjunto de bits (normalmente 8 bits), pertenecientes a un intervalo de tiempo "i" de un múltiplex "n", a un intervalo de tiempo "j" de un múltiplex "m", siendo necesario indicar que cada múltiplex MIC es un circuito físicamente separado de los demás múltiplex MIC, y está soportado por conductores distintos a los que soportan a los demás múltiplex MIC.
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llame simplemente red temporal, por diferenciarla de la red analógica, que es espacial.
Para un mejor entendimiento de una red de conmutación espacio-temporal, con etapas separadas temporales y espaciales, se estudia a continuación el conmutador temporal (T), que puede ser controlado por la salida o controlado por la entrada, y a continuación se hará el estudio del conmutador espacial (S). Por simplicidad, supondremos que la señal múltiplex MIC a conmutar es la conocida de 2048 kb/s, con 32 intervalos de tiempo interno. Combinando los distintos tipos de conmutadores podemos encontrarnos con etapas de conmutación T-S, S-T ó T-S- T.
E TAPAS T.
La operación de conmutación temporal consiste en una retención en memoria de la muestra a conmutar, durante una fracción del tiempo de duración de la trama (125 μs) formada por los 32 canales del múltiplex MIC.
El conmutador temporal consta de una memoria tampón, una memoria de control y un circuito lógico combinacional (CLC). La memoria tampón, que se utiliza para almacenar las muestras a conmutar el tiempo necesario, constan de 32 direcciones de memoria, una para cada canal de entrada; cada dirección consta de 8 bits, correspondientes a la muestra a almacenar.
La memoria de control, que almacena direcciones de la memoria tampón, consta de 32 direcciones de memoria, una por canal saliente; cada dirección consta de 5 bits, necesarios para codificar las 32 direcciones de la memoria tampón.
El control del conmutador temporal se puede hacer por la salida o por la entrada. En el caso de un conmutador temporal controlado por la salida , en la memoria tampón la escritura es secuencial, en tanto que la lectura está controlada por la memoria de control a través del CLC, leyéndose la memoria tampón en función de lo que se haya escrito en la memoria de control. En la memoria de control la lectura (hacia la memoria tampón a través del CLC) es secuencial, en tanto que la escritura se realiza desde el procesador central, siendo controlada por éste, tal y como se muestra en la figura 4.
Si consideramos el conmutador temporal controlado por la entrada , su memoria de control es de escritura controlada por el procesador central y de lectura secuencial, al igual que en el conmutador controlado por la salida, en tanto que su memoria tampón es de escritura controlada y lectura secuencial. El control está en la entrada de la memoria tampón, en la que los sucesivos canales del múltiplex MIC de entrada se almacenan en las direcciones indicadas por la memoria de control a través del CLC. Este procedimiento se muestra en la figura 5.
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Figura 4. Etapa de conmutación T controlada por salida (lectura).
Figura 5. Etapa de conmutación T controlada por entrada (escritura).
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encaminamiento de las comunicaciones, mediante el tratamiento de la información recibida, por lo cual puede decirse que tales circuitos se caracterizan por un cierto grado de inteligencia.
Toda línea de abonado, o enlace de llegada, por el que se recibe una llamada, proporciona una serie de informaciones, según las cuales deben realizarse las selecciones (búsquedas de caminos de conversación libres) en la red de conexión a la central.
El control recibe la información, la procesa o interpreta y ordena lo necesario para que, a través de la red de conexión, se realice la conmutación. Físicamente esto significa actuar los puntos de cruce de la red de conexión.
Siendo muy compleja la función de control, normalmente se confía por tareas a órganos muy especializados, de modo que no es un solo órgano, sino normal- mente varios, los que realizan el control. En los sistemas digitales el órgano de control es un procesador o un conjunto de procesadores.
El número y la situación de los puntos de cruce, e incluso la posición de la unidad de control, puede variar de unos sistemas a otros.
En la figura 7 se representa esquemáticamente la función de la unidad de control en el encaminamiento de una llamada saliente.
Figura 7. Representación esquemática del tratamiento de una llamada saliente.
La unidad de control recibe informaciones numéricas desde el terminal del abonado llamante, que se corresponden con las cifras marcadas por éste. Estas informaciones numéricas alcanzan la unidad de control a través de los puntos de cruce 1 y 2, en cuya elección y actuación no ha intervenido la unidad de control.
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Mediante el procesado de las informaciones numéricas recibidas, la unidad de control elabora órdenes, mediante las cuales se elige un camino de conversación que conecte al abonado llamante con uno cualquiera de los enlaces de salida libres en la ruta de la central distante que se quiere alcanzar.
Dichas órdenes implican la actuación de los puntos de cruce 3 y 4. El abonado queda conectado al enlace de salida, a través de 1, 2, 3 y 4, camino por el que posteriormente discurrirá la conversación.
En los sistemas digitales la unidad de control es electrónica, y está materializada por uno o varios procesadores, cuyas ventajas fundamentales son la mayor potencia y velocidad en el procesamiento de la información, la seguridad del servicio y la adaptabilidad a las necesidades del ambiente telefónico y a las peticiones de los clientes del servicio.
En los sistemas digitales el control utilizado es el control por programa almacenado , conocido como control SPC (SPC, Stored Program Control), en el cual el funcionamiento de la unidad de control obedece a las instrucciones de los programas almacenados en las memorias de los procesadores de la central.
Las peculiaridades más significativas de los sistemas telefónicos con control SPC derivan de la utilización de procesadores en la unidad de control y de la incorporación de software a las mismas. El diseño del software para los sistemas SPC utiliza muchas de las técnicas de la programación de tiempo real, pero ha introducido también un gran número de técnicas propias. Estas técnicas se precisan para hacer frente a las características especiales asociadas con los sistemas de conmutación SPC, entre las que cabe destacar las siguientes: especificación funcional compleja, necesidad de un interfaz hacia un conjunto de terminales periféricos enorme, con requerimiento de tiempos de respuesta inferiores a un segundo, previsión automática de servicio ininterrumpido en presencia de fallo hardware y errores software, necesidad de un gran número de variantes de aplicación, presentando cada una de ellas diferencias funcionales, y sistema de soporte completo para permitir su modificación y mejora en un ciclo de vida aproximado de veinte años.
Un sistema de conmutación telefónico ha de tratar decenas de miles de líneas de entrada y procesar varios miles de llamadas en paralelo. Una llamada típica dura entre 100 y 200 segundos, pero durante este tiempo se requiere que el control efectúe pocas operaciones de conmutación: conectar o liberar un camino de conversación. El tiempo restante se destina a la supervisión de la llamada, consistente en observar las condiciones de señalización que indican las peticiones de cambio de estado de la conexión. La supervisión está asociada a las unidades hardware por las que transcurre el tráfico telefónico y es realizada mediante la ejecución de una rutina periódica que explora el hardware en busca de tales cambios. Una vez se detecte un cambio válido, debe ser procesado para determinar su significado y se han de ejecutar las órdenes apropiadas para modifi- car el diagrama de conexión, o transferir información de señalización hacia otra central.
