<!-- body background="puhelin.gif">
<!-- div align="center">
Automaattisten puhelinkeskusten historiaTommi Kaituri, 2000Tietojenkäsittelytieteen historia-seminaari
Helsingin yliopisto Tietojenkäsittelytieteen laitos Sisällys
JohdantoTietojenkäsittelyn osuus puhelinkeskusten historiasta alkaa vasta melko myöhään, mutta sitäkin tehokkaammin se on vallannut puhelinkeskusteknologian. 1950-luvulla puhelinkeskusten ohjauslogiikka rakennettiin vielä releillä ja sähkömagneeteilla tehtaan lattialla. Yhden tilaajan numeron asentaminen koordinaattikeskukseen vei yli kymmenen työtuntia. 1970-luvulla arvioitiin, että digitaalisessa puhelinkeskuksessa saatettaisiin tarvita useita kymmeniä tuhansia koodirivejä. Nykyisten matkapuhelinkeskusten koodikirjastot ovat jo mijoonien rivien kokoisia ja kuitenkin puhelinkeskukset tekevät yhä sitä samaa työtä kuin 120 vuotta sitten: Kytkevät A- ja B-tilaajan toisiinsa. 1. EsihistoriaAmerikkalaisen Alexander Graham Bellin patenttihakemus keksimästään "haastelewasta sähkölennättimestä" hyväksyttiin 3.3.1876. Jo tätä ennen saksalainen Philip Reis oli esittänyt puhelinkoneen perustoimintaperiaatteen. Toimivaa puhelinkonetta kehitteli yhtä aikaa Bellin kanssa myös englantilainen Elisha Gray, mutta koska Bell patentoi keksinnön ensimmäisenä, pidetään häntä yleisesti puhelimen keksijänä. Ensimmäinen ymmärrettävää puhetta sisältänyt puhelu tehtiin Bellin työ- ja makuuhuoneen välillä 10.3.1876, kun Bell sanoi apulaiselleen Thomas Watsonille: "Watson, come here, I want you". Puhelin esiteltiin yleisölle vielä samana vuonna Philadelphian maailmannäyttelyssä ja uutuudesta tuli välitön menestys. Jo vuoden 1877 lopussa Pohjois-Amerikassa oli 150 000 puhelinta. Aluksi puhelimen omistajat joutuivat itse vetämään puhelinlinjat erikseen kaikkiin niihin puhelinkoneisiin, joihin halusivat voida soittaa. Tämä kävi kuitenkin hyvin nopeasti sekä taloudellisesti mahdottomaksi, että aiheutti kaupunkeihin valtavan kaapeliviidakon. Bell ratkaisi ongelman perustamalla puhelunvälitysyhtiö Bell Telephone Companyn. Monimutkaisten vaiheiden jälkeen Bellin yhtiöstä tuli Yhdysvalloissa käytännössä puhelunvälitysmonopoli nimellä American Telephone & Telegraph (AT&T). Maailman ensimmäinen puhelinkeskus aloitti toimintansa 1878 New Havenissa. Nyt jokaisesta puhelimesta tarvitsi vetää vain yksi kaapeli paikalliseen puhelinkeskukseen, jossa puhelunvälittäjä yhdisti A-tilaajan kaapelin B-tilaajan kaapeliin yksinkertaisella jumpperijohdolla. Kun puhelimen omistaja halusi soittaa, hän veivasi puhelimen kampea, mikä indusoi kaapeliin virtaa ja sai kellon soimaan keskusneidin työpöydällä. Bellin puhelinkeskuksia rakennettiin nopeasti lisää, ja jotta tilaajat voisivat soittaa myös muiden keskusten alueelle, kaupunkien puhelinkeskukset yhditettiin toisiinsa. Pian myös tämä käytäntö osoittautui liian sotkuisaksi ja alettiin perustaa toisen tason puhelinkeskuksia. Nykyään Pohjois-Amerikan puhelinkeskukset on jaettu yhteensä viiteen eri tasoon. Kuva 1. Bostonin puhelinkeskus vuoden 1881 lumimyrskyn jälkeen.
Käytännössä yksi manuaalinen puhelinkeskus (puhelunvälittäjä) pystyi palvelemaan korkeintaan 50 tilaajaa. Kun kaupungin puhelinten määrää kasvoi yli viidenkymmenen, asennettiin samaan huoneeseen useampia 50:n tilaajan keskuksia, joita jokaista hoiti eri keskusneiti. Keskusten välisissä puheluissa puhelun vastaanottanut puhelunvälittäjä kytki A-tilaajan B-tilaajan keskukseen ja huusi toimintaohjeet B-tilaajan keskuksen hoitajalle. Suomeen ensimmäisen puhelimen toi Henrik Tikkanen vuonna 1876 suoraan maailmannäyttelystä. Valitettavasti Suomessa ei tuolloin ollut muita puhelimia, joihin Tikkanen olisi voinut puhelimellaan soittaa. Ensimmäisen puhelinyhteyden Suomeen rakensi metallitehtailija Johan Nissinen Annan- ja Erikinkadun kulmassa sijainneiden myynti- ja konttorihuoneistojensa välille. Suomen ensimmäisessä puhelussa 1877 Johan Nissisen vaimo kutsui miestään syömään. Suomen ensimmäinen käsivälitteinen puhelinkeskus perustettiin Turkuun vuonna 1881. Vuonna 1884 avattiin ensimmäiset kaukopuhelinyhteydet Helsingin ja Porvoon, sekä Turun ja Naantalin välillä. Ensimmäinen ulkomaanpuheluyhteys avattiin 1900-luvun puolella Tornion ja Haaparannan välillä. Automaattisten puhelinkeskusten keksiminenkään ei hävittänyt käsivälitteisiä keskuksia kovin nopeasti. Vaikka lähipuhelut yhdistettiinkin pian automaattisesti, tilattiin kaukopuhelut vielä pitkään puhelunvälittäjältä. Suomen yleisestä puhelinverkosta käsivälitteiset keskukset katosivat vuonna 1980 Pellon puhelinkeskuksen muuttuessa automaattiseksi. 2. Sähkömekaaniset puhelinkeskuksetAutomaattisen puhelinkeskuksen keksi amerikkalainen hautaurakoitsija Almon B. Strowger vuonna 1891. Hänen kotipaikkakunnallaan oli tarinan mukaan kaksi hautaustoimistoa, ja hänen kilpailijansa vaimo oli kaupungin puhelunvälittäjä. Strowger huomasi pian olevansa tilanteessa, jossa hänen piti joko vaihtaa alaa tai keksiä automaattinen puhelinkeskus. Strowgerin keskus toimi sähkömekaanisilla valitsimilla, jotka A-tilaaja asetti yksi kerrallaan oikeaan asentoon puhelimessaan olevalla valitsinlevyllä. Strowgerin keskuksessa soittaja siis itse ohjasi keskuksen valitsimet oikeaan kohtaan suoraan omalta puhelimeltaan. Valitsimien ollessa oikeassa asennossa yhteys A-tilaajalta B-tilaajalle keskuksen läpi muodostui. Vuonna 1908 Western Electric yhtiön työntekijä McBerty keksi ratkaisun, jossa soittaja ei enää ohjannut puhelinkeskusta suoraan, vaan puhelinnumerot talletettiin rekisteriin. A-tilaajan valitessa numeroa puhelinkeskus talletti sen, vertasi numeroa rekisterin tietoihin ja asensi yhteyden rekisterin tietojen mukaan. Tämän periaatteen mukaan rakennettiin sitten sekä Western Electricin, että LM Ericssonin keskukset. Hienomekaanisilta ratkaisuiltaan keskukset kuitenkin poikkesivat toisistaan. Näissä keskuksissa tarvittiin jo alkeellista tietojenkäsittelyäkin puhelinnumerojen muuttamiseksi valitsimien fyysisiksi liikkeiksi. "Ohjelmakoodi" ja puhelinnumerot kovakoodattiin kuitenkin vielä pitkään erilaisten vipujen ja sähkömagneettien avulla kirjaimellisesti rautatasolle. Kaksi ruotsalaista insinööriä, Gothillf Betulander ja Nils Palmgren, keksivät vuonna 1912 puhelunyhdistämisstekniikan, joka on yleisesti käytössä vielä tänäkin päivänä. Ruotsalaisten koordinaattikeskuksessa kaikki sisääntulevat linjat kulkivat ristiin kaikkien ulos menevien linjojen kanssa muodostaen neliönmuotoisen matriisin. (Kts. kuva 2.) Jokaiseen risteyskohtaan asennettiin rele, jonka tilaa muuttamalla yhteys kahden linjan välillä voittiin muodostaa tai purkaa. Keksinnön ansiosta ei enää tarvittu useita peräkkäisiä valitsimia vaan yhteys muodostui yhden ainoan releen napsahduksella. Releitä ohjattiin matriisin päällä kiskoilla kulkevilla valitsimilla. Kuva 2. Koordinaattikeskuksen toimintaperiaate
Ruotsin Televerket rakensi muutaman koordinaattitekniikalla toteutetun koekeskuksen, jotka toimivat muuten hyvin, mutta releet olivat toisinaan epäluotettavia. Kaupallinen menestys jäi tässä vaiheessa puuttumaan lähinnä siksi, etteivät asiakkaat halunneet ostaa laitetta, jonka toimintaa heidän oli vaikea ymmärtää. Vuonna 1930 Ruotsissa vierailulla olleet Bellin insinöörit näkivät laitteen ja patentoivat sen seuraavana vuonna Yhdysvalloissa. AT&T:n; keskus No. 1 oli ensimmäinen kaupalliseen käyttöön rakennettu koordinaattikeskus ja ensimmäinen sellainen otettiin käyttöön vuonna 1938 Brooklynissa. Lopullisesti koordinaattikeskus löi itsensä läpi maailmanmarkkinoilla kuitenkin vasta 1950-luvulla. Suomen ensimmäinen koordinaattikeskus otettiin käyttöön vuonna 1950 Helsingissä. 3. SPC-keskuksetKoordinaattikeskuksen suurin ongelma on sen koko, joka kasvaa sisääntulevien linjojen neliönä. Ongelman ratkaisuksi kehitettiin tilajakoinen keskus. Tilajakoisiksi keskuksiksi sanotaan joskus myös kaikkia keskuksia, jotka muodostavat A- ja B-tilaajan välille kiinteän yhteyden puhelun ajaksi. Tässä yhteydessä tilajakoisella keskuksella tarkoitetaan kuitenkin keskusta, joka muodostuu useista toisiinsa ristiinkytketyistä koordinaattikeskuksista. (Kuva 3) Kuva 3. Tilajakoisen keskuksen toimintaperiaate.
Tilajakoisessa keskuksessa on aina useita reittivaihtoehtoja keskuksen läpi. Niinpä tilajakoisessa keskuksessa tarvittiinkin paljon koordinaattikeskusta enemmän laskentaa. Keskus joutui päättämään valittavan reitin aina keskuksen kulloisenkin kuormitustilanteen mukaan. Tilajakoisen keskuksen rakentamiseksi tarvittiin siis jo jonkinlainen tietokone. Tilajakoinen keskus säästää tilaa koordinaattikeskukseen verrattuna, mutta ei pysty palvelemaan kaikkia tilaajia yhtä aikaa. Tilajakoinen keskus voi näin ollen ruuhkautua, kun taas koordinaattikeskus ei periaatteessa voi. Optimoimalla järkevästi tilajakoiset keskukset ovat kuitenkin useimmissa tilanteissa koordinaattikeskusta järkevämpi vaihtoehto. Puhtaita koordinaattikeskuksia esiintyy nykyään lähinnä pienissä paikalliskeskuksissa. Vuonna 1906 keksitty elektroniputki vaikutti nopeasti myös puhelintekniikkaan. Elektroniputkien avulla voitiin rakentaa vahvistimia, jotka mahdollistivat myös pitkän matkan puhelut. Vuonna 1915 pystyttiin avaamaan puhelinlinja Yhdysvaltain rannikolta toiselle. Myöhemmin elektroniputki mahdollisti myös tietokoneen ja siten digitaalisen puhelinkeskuksen rakentamisen. Ensimmäiset digitaalisesti ohjatut puhelinkeskukset välittivät kuitenkin yhä perinteistä analogista signaalia. Tällaisia keskuksia kutsuttiin SPC-keskuksiksi (Stored Program Control). 1960-luvulla oltiin yleisesti sitä mieltä, että tulevaisuudessa kannatti panostaa juuri SPC-keskuksiin. Täysdigitaalisille keskuksille arveltiin syntyvän kysyntää vasta joskus 2000-luvulla. Nopeimmin SPC-tekniikassa eteni AT&T, jolla oli testikappaleita sähköisestä tietokoneohjatusta puhelinkeskuksestaan ESS (Electronic Switching System) jo 1960-luvun alussa. AT&T:n prototyypissä oli useita aivan uusia innovaatioita. Releiden siasta koordinaattikeskuksessa käytettiin yhteyden muodostamiseen kaasuputkea, joka kytkettiin päälle ionisoimalla putken kaasu korkealla jännitteellä. ESS-keskuksessa käytettiin myös elektroniputkilla toteutettua tietokonetta, joka suoritti puhelunyhdistämisessä tarvittavan laskennan. Keskuksessa oli katodisädeputkilla toteuttettu lukumuisti ohjelmakoodia varten ja kirjoitettava muisti, johon talletettiin liikennetietoja ja A-tilaajan valitsema numero. Kun releitä ei enää tarvinnut painaa fyysisillä vivuilla ja myös laskenta tapahtui sähköisesti, lisääntyi puhelinkeskuksen suorituskyky huomattavasti. Linjojen yhdistämistä kaasuputkella ei lopulta toteutettu kaupalliseen versioon, vaan se korvattiin sähköisellä kytkimellä. Ensimmäinen No. 1 ESS otettiin käyttöön vuonna 1965 ja se pystyi palvelemaan 65 000 kaksisuuntaista linjaa. Myös muilla valmistajilla oli viimeistään 1970-luvulle tultaessa vastaavat projektit, joista Siemensin projekti ja Ericssonin AKE-keskus näyttivät erityisen lupaavilta. Myös Suomen valtion omistama Televa suunnitteli omaa SPC-keskusta nimeltään KKY. SPC-tekniikka osoittautui teknisesti hyväksi ratkaisuksi, mutta aika ajoi sen ohi paljon nopeammin kuin useimmat olivat kuvitelleet. Esimerkiksi Ericsson ja Televa eivät koskaan ehtineet saada tuotekihtyskustannuksiaan takaisin SPC-keskuksilla. 4. Täysdigitaaliset keskuksetTilajakoisen keskuksen kilpailijaksi mudostui aikajakoinen tekniikka. Aikajakoisessa keskuksessa ei muodosteta A- ja B-tilaajan välille fyysistä yhteyttä, vaan signaali pakataan pieniin pakkauksiin, jotka keskus ottaa vastaan ja työntää ulos oikeata kaapelia pitkin. Tätä varten signaali on muutettava digitaalisen muotoon. Myös aikajakoiset keskukset kuitenkin varaavat puhelulle tarvittavat resurssit ennen puhelun yhdistämistä joten puhelu ei voi joutua ruuhkaan enää yhdistymisensä jälkeen. Sen sijaan aivan kuten tilajakoisessa järjestelmässäkin keskus voi olla niin ruuhkautunut, ettei se pysty ottamaan vastaan uusia puheluita. Ericssonilla kehitettiin toimiva aikajakoisen keskuksen prototyyppi EMAX (Electronic Multiplex Automatic Exchange) jo vuonna 1954 diodien ja katodiputkien avulla. Keskuksen kapasiteetti oli pieni ja se oli käytössä niin epäluotettava, ettei siitä edes harkittu myyntiversion tekemistä. Kokeilu kuitenkin osoitti, että aikajakoinen tekniikka toimi, mikäli siitä vain voisi tehdä tehokkaamman version. Vuonna 1947 keksitty transistori ja vuonna 1959 keksitty integroitu mikropiiri mahdollistivat tehokkaamman aikajakoisen tekniikan. Vuonna 1969 alettiin puhua ISDN:stä ja yhtäkkiä kaikilla oli kiire valmistaa aikajakoisia keskuksia. Useimmat yritykset kehittivät aikajakoisen keskuksen edellisistä malleistaan. Kuva 4. Aikajakoisen keskuksen toimintaperiaate
Aikajakoinen puhelinkeskus toimii siten, että jokainen sisäätuleva linja syöttää dataa vaihteeseen vain omalla aikajaksollaan (time slot). Keskuksessa kaikki datapaketit söäilytetään puskurissa, kunnes on aika lähettää ne ulos menevään linjaan. Ulosmenevät linjat ottavat tietovirrasta paketin aina omalla vuorollaan. Keskuksessa pidetään yllä taulua, josta selviää mihin linjaan (eli missä aikalohkossa) minkäkin sisääntulevan linjan paketit on lähetettävä. Ensimmäinen aikajakoinen keskus oli AT&T:n No. 4 ESS, joka otettiin käyttöön 1976. Ericsson kehitti AKE:sta digitaalisen version AXE ja myös Siemensillä oli oma projektinsa ESWD. Ranskassa oli suojatuilla markkinoilla kasvanut uusi valmistaja Alcatel, jolla myös oli oma aikajakoinen täysdigitaalinen keskus E-10. Kaikkia näitä projekteja yhdisti se, että ne rakennettiin keskustietokoneen (main frame) varaan. 1970-luvulla näytti ilmeiseltä, että se oli ainoa tapa saada puhelinkeskukseen tarpeeksi tehoa. Jokainen valmistaja valmisti itse käyttämänsä tietokoneen, käyttöjärjestelmän ja ohjelmointikielen. Työtä helpotti kuitenkin se, että uusi järjestelmä rakennettiin SPC-keskuksen pohjalta. Televalla oli aloitettu oma täysdigitaalinen puhelinkeskusprojekti 1970-luvun alussa, jota johti nuori Keijo Olkkola. Uudelle keskukselle oli annettu työnimeksi ADS. Televalla panostettiin kuitenkin selvästi enemmän KKY-projektiin ja ADS uhattiin lopettaa moneen kertaan. Erityisesti ADS-projektin onglema Televan johdon mielestä oli, ettei Olkkola halunnut rakentaa uutta keskusta KKY:hyn perustuvalla tekniikalla. ADS päätettiin toteuttaa uusilla mikroprosesoreilla, jonka takia koko puhelinkeskuksen suunnittelu jouduttiin aloittamaan tyhjältä pöydältä. ADS-keskuksen etuja kaikkiin kilpailijoihin nähden kuitenkin oli, että suuri osa komponenteista voitiin ostaa valmiina, eikä niitä tarvinnut valmistaa itse. Mikroprosessoreiden tehot olivat kuitenkin vielä 1970-luvulla niin heikkoja, ettei ADS pystynyt suorituskyvyssä kilpailemaan muiden keskusten kanssa. ADS:n ajateltiin kuitenkin olevan käyttökelpoinen pienissä solmukeskuksissa. Keskustietokoneen sijasta ADS:n suunniteltiin perustuvan useisiin rinnakkain toimiviin tietokoneyksiköihin. Mikroprosessoriksi valittiin Intelin 8088. Vielä 1980-luvulle tultaessa ADS-projektia oltiin lopettamassa määrärahojen puutteessa, mutta lopulta se saatiin kaupattua Suomen posti- ja lennätinlaitokselle Korppoon verkkoryhmän Houtskärin ulkosaaren solmukeskukseksi ja projekti saatiin viedä loppuun. Televa ja Nokia perustivat puhelinkeskusten valmistusta ja myyntiä varten yhteisen Telefenno yrityksen 1970-luvun lopulla. Nokia oli ostanut lisenssin suosituksi tulleen Alcatelin E-10 keskuksen valmistamiseksi ja ADS:ää ajateltiin voitavan myydä rinnalla pieniin solmukeskuksiin. E-10:ä alettiin markkinoida nimellä DX 100 ja ADS:ää nimellä DX 200. Kun DX 200 lopulta valmistui, sen teho oli mikroprosessorien kehityksen ansiosta kasvanut ja se päätettiin ottaa käyttään koko Korppoon verkkoryhmän pääkeskuksena. Euroopan ensimmäinen täysdigitaalinen puhelinkeskus oli Telefennon DX 200 ja se otettiin käyttöön Korppoossa vuonna 1982. Vain kaksi vuotta aikaisemmin Suomen viimeinen käsivälitteinen keskus oli poistettu valtakunnan verkosta. Alussa myös DX200:ssa käytettiin Televan omaa ohjelmointikieltä, mutta C-kielen tultua markkinoille siihen siirryttiin nopeasti. Myös tämän mahdollisti pitäytyminen Intelin mikroprosessoreissa. Myöhemmin Telenokialla kehitettiin oma tilakoneiden kuvauskieli TNSDL, jolla kirjoitetaan nykyisin suurin osa DX 200-koodista. TNSDL:kin käännetään kuitenkin esikääntäjällä C:ksi ennen varsinaista käännöstä. Kuva 5. Nokian DX 200 keskus kokoonpanovaiheessa
DX 200-arkkitehtuuri osoittautui erittäin kilpailukykyiseksi juuri muista poikkeavan arkkitehtuurinsa ansiosta. Mikrotietokoneista koottu keskus on osoittautunut erittäin muuntelukykyiseksi. Keskuksen kapasiteettia voidaan muuttaa helposti lisäämällä tai poistamalla tietokoneyksiköitä. Lisäksi mikroprosessorien teho on kasvanut niin nopeasti, että keskustietokoneiden etumatka on saavutettu. 5. Markkinoiden kehitys1900-luvun alkupuolella puhelintekniikka muuttui niin monimutkaiseksi, että pienet puhelinkeskuksia rakentaneet pajat putosivat pois pelistä ja markkinat jakaantuivat muutaman yrityksen kesken. Ensimmäinen keskuksia rakentanut yritys oli Strowgerin oma Autelco. Siemensin ostettua Autelcolta lisenssin, nousi Siemens myynnissä pian Autelcon ohi. Amerikan mantereella Autelco sai kilpailijan Western Electricista, sen jälkeen kun Western Elecricissa oli keksitty keino kiertää Strowbergia suojaavat patentit. Ericsson oli ollut alusta saakka Euroopan johtava käsivälitteisten keskusten valmistaja ja 1920-luvulla se sai hyvän aseman maailmanmarkkinoilla myös automaattisella keskuksellaan. Koska kaikilla valmistajilla oli melko suojatut kotimarkkinat, oli uusien yrittäjien melkein mahdotonta päästä markkinoille. Puhelinoperaattoribisnes oli melkein kaikissa länsimaissa monopolisoitu valtion hallintaan aina 1980-luvulle ja on vapautunut monissa maissa vasta aivan viime vuosina. Nokian nousu merkittäväksi puhelinkeskusjärjestelmien valmistajaksi on ollut harvinainen poikkeus säänöstä. Lähteet:
|