מרכזייה

מרכזיה היא מערכת טלקומוניקציה המקשרת בין משתמשי טלפון ויוצרת ביניהם חיבור כך שיוכלו לשוחח. כאשר מרכזייה יכולה להיות מרכזייה ציבורית המקשרת בן מנויי טלפון ברשת הציבורית (PSTN) כגון רשת בזק, או מרכזיה פרטית (Private Branch Exchange - PBX) המקשרת משתמשי טלפון בתוך ארגון מסוים וגם מאפשרת להם להקים שיחות חוץ לרשת הציבורית. בימנו מרכזיות הן מערכות אלקטרוניות המנוהלות באופן ממוחשב. מהבחינה הטכנית המרכזייה אחראית על:
 זיהוי יוזם השיחה
 איתור יעד השיחה
 קישור בין היוזם אל היעד
 קיום השיחה, מבחינת העברת האותות (לרוב דיבור) בין הצדדים
 מתן שירותי מערכת שונים (כגון צלילי חיוג, צליל תפוס, מענה קולי, שיחה ממתינה, שיחה חונה ועוד)
 חיוב עלות השיחה – בעיקר במרכזיה ציבורית
 הרשאות ועדיפויות בין קווים שונים

המרכזיות הראשונות הופעלו באופן ידני על ידי מרכזניות, שביצעו באופן פיזי את החיבור בין יוזם השיחה לבין מקבל השיחה. עם הזמן התפתחו המרכזיות האוטומטיות, אשר איפשרו קישור אל היעד באמצעות חיוג ישיר. באופן קלאסי מרכזיות שייכות לשכבת השיחה של מודל ה-OSI, שכן הן אחראיות על קישור הצדדים של השיחה, והן מבצעות זאת באמצעות שיטת מיתוג המעגלים. כיום ישנן מרכזיות מבוססות תוכנה (Softswitch), אשר פועלות ברשתות מחשבים ומבצעות תיווך בין יוזם השיחה אל היעד, כדוגמת המתרחש בטלפוניית IP, הפועלת בשיטת מיתוג מנות.

התפתחות המרכזיות 

עם המצאת הטלפון, הוא נחשב לאמצעי ליצירת קשר בין שתי נקודות ידועות מראש בדומה לאופן שעבד הטלגרף בשנים ההם. הראשון שהגה את רעיון מרכזית הטלפונים, שהביאה להתפתחות רשת הטלפונים, היה הממציא ההונגרי טיבדר פושקאש ( Tivadar Puskás), בתקופה שעבד עם תומאס אלווה אדיסון.על פי הרעיון של פושקאש בנתה חברת הטלפון בל את המרכזייה הראשונה ב-1877 בעיר בוסטון. המרכזייה המסחרית הראשונה נבנתה כשנה מאוחר יותר על ידי ג'ורג' וו. קויי, (George W. Coy) והיא הורכבה מברגים ומוליכים פשוטים ויכלה להעביר שתי שיחות במקביל. פושקאש עצמו בנה מספר מרכזיות טלפון באירופה.

לאחר מכן, התפתחו המרכזיות כך שיוכלו להכיל מאות קווים, והקישור ביניהם בוצע על ידי מרכזנים. מול המרכזן היה לוח ובו הקצוות של הקווים של הלקוחות השונים. הקצוות הכילו נוריות, אשר נדלקו כאשר המנוי הרים את השפופרת על-מנת לבצע שיחה. בהידלק המנורה, המרכזן היה מתחבר אל הקו והמנוי היה מוסר למרכזן את מס' הקו אליו הוא רצה להיות מקושר, והמרכזן היה מחבר מוליכים פיזיים בין קצה הקו של יוזם השיחה, אל קצה הקו של יעד השיחה. במקרה של שיחה בין קווים במרכזיות שונות, המרכזן היה מקשר את המנוי היוזם אל קו חוץ אשר מגיע אל מרכזייה אחרת. במרכזייה האחרת מרכזן אחר היה עונה ליוזם השיחה ושוב מקבל ממנו את המספר של יעד השיחה, וזה היה מקשר את המנוי אל היעד, או אל מרכזייה נוספת בדרך ליעד, וחוזר חלילה. שיטה זו אפשרה ליצור שיחה בין הצדדים רק אם היו קווי חוץ פנויים בין כל המרכזיות שהשתתפו בתהליך, ממרכזיית המקור, דרך מרכזיות הביניים, עד מרכזיית היעד - בו זמנית. בשנת 1918 הזמן הממוצע לקישור שיחת חוץ אל היעד שלה היה 15 דקות. בשנת 1943, כאשר לשיחות של הכוחות המזוינים של ארצות הברית הייתה עדיפות על-פני שיחה רגילה, שיטה זו של קישורים גרמה להתארכות זמן הקישור לשיחת חוץ ברחבי ארצות הברית עד לשעתיים במרכזיות הידניות.

מרכזיות ידניות 
עד סוף המאה ה-19 מרכזיות לא סיפקו זרם חשמלי לקו הטלפון, הזרם לקו סופק על ידי סוללה במכשיר הטלפון (Local-Battery) והפנייה למרכזנית נעשתה בעזרת יצירת זרם חילופים באמצעות מחולל זרם ידני (מגנטו). הדבר חייב את חברת הטלפון לשלוח טכנאי, מדי פעם, כדי להחליף סוללה. במרכזיות גדולות מרובות מנויים הדבר היה מורכב ויקר. בראשית המאה העשרים, כמו במרכזיות בנות זמננו, רוב המרכזיות הידניות הגדולות בערים החלו לפעול בשיטת CB (ראשי תיבות של Common-Battery) בה המרכזייה סיפקה מתח קבוע על גבי הקו. הזוג השזור שממנו הורכב הקו נשא זרם ישר במתח של 48V- מהמרכזייה ועד למכשיר של הלקוח, בקצה הקו. ברגע שהלקוח הרים את השפופרת מהמכשיר, נסגר מעגל חשמלי בתוך המכשיר, והתאפשרה זרימה של זרם עד המרכזייה. במרכזייה, קצות הקווים היו מחוברים לאמצעים למשוך את תשומת לב המרכזן להרמת שפופרת - בעיקר נוריות שסימנו את הקו וזמזמים. כאשר אלו פעלו, ידע המרכזן להתחבר אל קו הטלפון ולשאול את הלקוח לאן ברצונו להתקשר. בסיום השיחה, כאשר הלקוח הניח את השפופרת על המכשיר, נותק המעגל החשמלי שנוצר בהרמת השפופרת, ובצד המרכזייה נכבתה המנורה שסימנה את היותו של הקו בשימוש - סימן עבור המרכזן לנתק את הקישור בין המנויים שהשתתפו בשיחה שנגמרה.

מערכות ה-CB שתוארו לעיל, לא סיפקו את הזרם הנדרש לקווים ארוכים ולכן מרכזיות באזורים כפריים, בהם קו הטלפון היה בדרך כלל ארוך, המשיך השימוש גם בשיטת LB (ראשי תיבות של Local-Battery) או "מגנטו". ב. מערכות שכאלו פעלו בצורה מסחרית בערים קטנות בארצות הברית לפחות עד שנת 1983, אך איכות השמע בהן הייתה נמוכה יותר.

מערכות מגנטו רבות התבססו על שיתוף קווים, כך ששני מנויים או יותר היו מחוברים לאותו הקו. כאשר המרכזן רצה להפנות שיחה אל מנוי מסוים אשר השתתף בקו, הוא הפעיל צלצול על-פי רצף מוסכם מראש, כך שהמנוי הרצוי ידע שהצלצול מופנה אליו, ושאר המנויים של הקו ידעו שהשיחה לא מיועדת עבורם. החסרון של שיטה זו היא התלות בין המנויים - אם מנוי מסוים תפס את הקו, מנוי אחר לא יכול לבצע שיחה אחרת באותו הזמן, וכמו כן, מנויים יכולו להאזין לשיחות של מנויים אחרים. באזורים מרוחקים, בהם לא היה קישור בין המרכזייה המקומית למערכת הטלפוניה הארצית, שיטה זו שימשה אף לקישור סטטי בין הקווים המקומיים לבין עצמם.

מרכזיות אוטומטיות 
מרכזיות אוטומטיות נוצרו על מנת לבטל את הצורך במרכזן אנושי המבצע קישורים ידניים, וכתוצאה מכך להתגבר על חסרונות שיטה זו.

בשנת 1891 הגיש אלמון סטראוג'ר, קברן מקנזס סיטי, פטנט על המתג האלקטרו-מכני הראשון, אשר פיתוחים נוספים שלו הביאו בסופו של דבר לאוטומציה במערכות הטלפוניה. הגרסה המשופרת של המתג כוללת 10 קבוצות של 10 מוליכים, המסודרים בצורה חצי מעגלית. כאשר מחייגים אל מרכזייה עם מתגים אלו בחיוג מתקפים (pulse dialing) נוצרות הפרעות או ניתוקים רגעיים בקו שבין המחייג למרכזיה (local loop). כתוצאה מכך נעים מוליכים בתוך המתג, ויוצרים מעגל חשמלי בין המחייג לבין הקו המבוקש. המרכזייה האוטומטית הראשונה החלה לפעול ב-1892 באינדיאנה. היא נבנתה על ידי חברה שהקים סטראוג'ר על פי טכנולוגית המתג שהמציא. כדי לאפשר למנויי הטלפון המחוברים למרכזיית סטראוג'ר לחייג באופן נוח פותח טלפון חוגה. בהמשך מרכזיות אוטומטיות מסוג סטראוג'ר ניבנו גם על ידי חברות אחרות, דגם זה של מרכזיות היה לדגם המרכזי של המרכזיות האוטומטיות בכל המחצית הראשונה של המאה ה-20. מרכזיות סטראוג'ר נקרא גם מרכזיות "צעד-אחר-צעד" (Step-By-Step) בשל אופן פעולתם.

בערים גדולות בארצות הברית, תהליך המעבר ממרכזיות ידניות אלו למרכזיות אוטומטיות ארך שנים רבות, ובתקופה זו חברת Bell  דגלה בגישה שהלקוח לא צריך לעסוק במבנה הרשת ולא צריך לדעת אם המרכזייה של היעד שלו כבר הוסבה לאוטומטית או שהיא עדיין ידנית. לפיכך במרכזיות ידניות הוצבו צגים שהראו למרכזן מהו המספר שחוייג, והמרכזן ביצע את הקישור הידני אל היעד הרצוי.

בעשור השני של המאה העשרים פותחו מרכזיות הקרוסבר (Crossbar)הראשונות. מרכזיות אלו היו מרכזיות אלקטרו-מכניות בהן, שלא כמו במרכזיות סטרואג'ר, הייתה הפרדה בין יחידות המיתוג שחיברו את מסלול השיחה לבין מערכת הבקרה שניהלה את תהליך הקמת השיחה. מערכת הבקרה הייתה מערכת מרכזית שאגרה את הספרות המחויגות ובהתאם החליטה איך למתג את מסלול השיחה. מיתוג השיחה נעשה ביחידת הקרוסבר שהייתה מורכבת מאוסף של מולכים אנכיים ואופקיים. בנקודות הצומת בין המוליכים היו מפסקים שהיו מחוברים למוטות אנכיים ואופקיים. מוטות אלו שנשלטו על ידי אלקטרומגנט (סונולואיד) כאשר סיבוב קל של זוג מוטות יכול היה ליסגור אחד מין המפסקים וליצור מגע בין מוליך אופקי למוליך אנכי באחת מנקודות הצומת. במשך תקופה ארוכה השימוש במרכזיות אלו ברשת הציבורית לא היה נפוץ. בשנות השישים של המאה העשרים, בעקבות שיפורים בעיצוב מרכזיות קרוסבר השימוש בהם הפך נפוץ מאוד וחברות טלפון רבו חדלו להתקין מרכזיות מסוג סטראוג'ר והעדיפו את הקרוסבר על פניהם. הסיבה לכך הייתה שתחזוקת מרכזיות הקרוסבר היה פשוטה וזולה יותר וכן שכלולים שהוכנסו במערכת הבקרה המרכזית. למשל הוספת התקן לקליטת ספרות החיוג באמצעות חיוג צלילי (DTMF). חיוג הצלילים מאפשר למנוי לאותת לא רק למרכזיה אליה הוא מחובר ישירות אלא גם למרכזיות בהמשך.

תהליך השיחה במרכזיה אוטומטית הוא כדלקמן: יוזם השיחה מרים את השפופרת וכתוצאה מכך מכשיר הטלפון שלו סוגר מעגל חשמלי מול המרכזייה. פעולה זו נקלטת במרכזייה, ואם למרכזייה יש משאבים פנויים כדי לקשר שיחה נוספת, היא תשמיע ליוזם השיחה צליל חיוג. החיוג יתבצע על ידי העברת מתקפים או חיוג צלילי אל המרכזייה, אשר תפענח את המספר המבוקש ותקשר אוטומטית את הלקוח אל אחד מצלילי החיווי (תפוס, מצלצל וכו') ואל היעד במידת האפשר, ובעת הצורך דרך מרכזיות נוספות (במקרה של חיוג חוץ). המרכזייה האוטומטית "תשגיח" על הקווים של המנויים שמשתתפים בשיחה, וכל עוד שני המנויים לא ניתקו - היא תשמור על הקישור ביניהם. יכולות נוספות, כגון רישום שיחות לגבייה, ושירותים נוספים יכולים להשתלב גם הם במרכזייה האוטומטית, למשל זיהוי שיחות חירום או שיחות חינם.

בישראל הושלם המעבר למרכזיות אוטומטיות ב-21 בפברואר 1968.

מרכזיות דיגיטליות 
בשנות השבעים פותחו מרכזיות דיגיטליות, במרכזיות אלה בקרת השיחה מתבצעת באופן ממוחשב ומיתוג והעברת הקול נעשים באופן סיפרתי תוך שימוש במיתוג בחלוקת זמן. המרכזיות הדיגיטליות ממשיכות לספק את שרות של הטלפון המסורתי האנלוגי כאשר האות האנלוגי המגיע מהטלפון המסורתי נידגם עם כניסתו למרכזיה ומומר לאות סיפרתי. לשימוש במרכזיות דיגיטליות ישנם יתרונות רבים:
 תחזקה זולה ופשוטה בגלל העדר חלקים מכניים נעים.
 איכות קול גבוהה גם בשיחות למרחקים גדולים, וגם במעבר דרך מרכזיות רבות. כיוון שהמידע הספרתי לא סובל מהנחתה כמו אות אנלוגי
 ניתן לרבב מספר רב של שיחות על קו אחד
 הבקרה הממוחשבת של תהליך השיחה מאפשר לפתח תכונות ושירותים חדשים כגון עקוב אחרי, שיחה וממתינה, שיחה חונה וכו'
 יכולת לאסוף טלמטריה.
 יכולת לעבד באופן ממחושב את חיובי השיחות ללא מעורבות אנושית

מרכזיות פרטיות דיגיטליות מאפשרות חיבור לרשת דיגיטלי לרשת הציבורית בעזרת ערוץ PRI.

מרכזיות תוכנה

מרכזיות IP 
מרכזיית IP היא מרכזיה אשר מחוברת לטלפונים ולמרכזיות אחרות רק (או כמעט רק) בחיבורי VoIP (העברת קול, וידאו וכדומה דרך חיבור על רשת תקשורת רגילה, לרוב האינטרנט) ולא דרך פרוטוקולי טלפוניה מסורתיים (PSTN). באמצעות טכנולוגיית VoIP ניתן להעביר דיבור באמצעות רשתות נתונים ורשת האינטרנט על ידי קידוד תווים דיגיטלי. הקידוד נעשה או על ידי טלפוני ה- IP או על ידי מרכזיית ה- IP.

תקשורת VoIP לרוב זולה וגמישה בהרבה מתקשורת טלפוניה מסורתית, אולם מסובך יותר להבטיח את אמינותה. בשנים האחרונות הולך וגובר השימוש בחיבורי VoIP. כמו כן במקרים רבים מרכזיות לא כוללות תמיכה מובנית בחיבור לטלפוניה והחיבור לטלפוניה נעשה דרך מתאמים חיצוניים ייעודיים.

מרכזיות ה- IP מגיעות בתצורה של שילוב חומרה ותוכנה All-In-One-Box והן גם יכולות להתבסס על תוכנה המותקנת על מחשב או להיות מותקנות "בענן".

הפרוטוקולים העיקריים בשימוש הם SIP ו-H.323.

מרכזיות וירטואליות 

מרכזייה וירטואלית היא שרות של מרכזיית IP המאפשר לחבר טלפוני VOIP באמצעות רשת האינטרנט מבלי שהלקוח צריך לקנות מרכזיה או קווים - הכל בענן.
היתרונות העיקריים לשימוש בשירות מרכזייה וירטואלית הם חיסכון בעלויות הקמה ותחזוקה, גמישות ונגישות. לרב ספקיות שירות מספקות פאנל ניהול ידידותי כך שאין צורך באיש טלפוניה בארגון.
חסרונות העיקריים הם תלות ברשת האינטרנט ומגבלות ביכולת חיבור המרכזיה אל מערכות המחשב של הארגון.
בתקופה אחרונה ספקיות שירות מרכזייה וירטואלית מציעות שרות מרכזייה וירטואלית בחינם וגובות רק עבור דקות שיחה יוצאות ועבור מספר טלפון וירטואלי.

עוד לפני הופעת מרכזיות ה־IP, היה קיים שירות מקביל בשם Centrex (קיצור של CENTRal EXchange - שירות שדימה מרכזיית טלפוניה פרטית ללקוח אולם ישב אצל ספק הטלפוניה. אל הלקוח הגיעו קווי טלפון פרטיים.

קישורים חיצוניים

 מפרט צלילי החיווי ברשת הטלפוניה בישראל באתר משרד התקשורת
  שר הדואר יוסף בורג חונך מרכזיית טלפונים חדשה, 1953, באתר ארכיון הסרטים הישראלי בסינמטק ירושלים

הערות שוליים

טלפוניה