Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/ISDN Primary Multiplex Connection"

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$\text{Vorbemerkung:}$  Auch hier weisen wir darauf hin, dass der Inhalt dieses Kapitels nicht mehr ganz dem heutigen Stand der Technik (2018) entspricht. Betrachten Sie den folgenden Text deshalb als historische Abhandlung, auch wenn Teile davon auch heute noch praxisrelevant sind. }}   
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$\text{Preliminary remark:}$  Again,  we would like to point out that the content of this chapter no longer fully reflects the current state of the art  $($2018$)$.  Therefore,  consider the following text as a historical treatise,  even if parts of it are still relevant in practice today.}}   
  
  
  
==Allgemeine Beschreibung  ==
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== General description ==
 
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Zunächst soll erklärt werden, wozu ein ISDN–Primärmultiplexanschluss gebraucht wird (besser gesagt: &nbsp;wurde). Dieser wurde nur als &nbsp;'''Anlagenanschluss'''&nbsp; (Punkt–zu–Punkt) angeboten. Dies besagt, dass man nur ein Gerät an den Netzabschluss anschließen konnte, nämlich eine ''Telekommunikationsanlage'', im Folgenden mit&nbsp; '''TK–Anlage'''&nbsp; abgekürzt.
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First of all,&nbsp; it should be explained why an ISDN rate interface is&nbsp; $($or rather was$)$&nbsp; needed.&nbsp; This was only offered as a &nbsp; '''system connection''' &nbsp; $($"point-to-point"$)$. This means that only one device could be connected to the network termination:&nbsp; One speaks of a&nbsp; "telecommunications system",&nbsp; abbreviated to&nbsp; "'''TC system'''"&nbsp; in the following.
  
Die Gründe für die Verwendung eines Anlagenanschlusses waren vielfältig:
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There were many reasons for using a system connection:
*Firmen, Behörden oder Krankenhäuser brauchen häufig eine Zentralrufnummer und einen Block von Durchwahlnummern. Meistens ist die Durchwahlnummer der Zentrale die „0”.
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# Companies,&nbsp; government agencies or hospitals often need a central number and a block of extension numbers.&nbsp;
*Die Zentralrufnummer ist 3– bis 5–stellig, eine Durchwahlnummer danach ist 2– bis 5–stellig. Dies erlaubt die direkte Anwahlmöglichkeit eines Gesprächspartners von außen.
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# Most often,&nbsp; the extension number of the central office is&nbsp; "0".
*Das Telefonieren zwischen Mitarbeitern – also eine interne Verbindung – sollte kostenlos sein.
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# The central call number has&nbsp; $3$&nbsp; to&nbsp; $5$&nbsp; digits,&nbsp; an extension number thereafter has&nbsp; "2"&nbsp; to&nbsp; "5"&nbsp; digits.&nbsp; This allows direct dialing of a call partner from the outside.
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# Telephone calls between employees&nbsp; &ndash; i.e.,&nbsp; an internal connection &ndash;&nbsp; should be free of charge.
  
  
 
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{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
Betrachten wir einen Betrieb in München, dessen Zentrale von außen über „089/4711 – 0” und intern mit „0” zu erreichen ist. Der Mitarbeiter&nbsp; $X$&nbsp; ist von außerhalb kostenpflichtig unter der Durchwahl „089/4711 – 432” zu erreichen und intern ohne Gebühren unter „432”.}}
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Let's consider a company in Munich whose head office can be reached from outside via&nbsp; "089/4711 - 0"&nbsp; and internally with&nbsp; "0".&nbsp; Employee&nbsp; $X$&nbsp; can be reached from outside at a charge by dialing extension&nbsp; "089/4711 - 432"&nbsp; and internally without charge by dialing&nbsp; "432".}}
  
  
[[File:P_ID1566__Bei_T_1_3_S1_v1.png|right|frame|ISDN–Primärmultiplexanschluss]]
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Larger companies usually work with a &nbsp; '''primary rate interface''' &nbsp; $\rm (PRI)$,&nbsp; to which the telecommunications or data processing equipment is connected by a four-wire line.&nbsp; The primary rate interface according to the adjacent diagram offers:
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[[File:EN_Bei_T_1_3_S1.png|right|frame|ISDN primary rate interface]]
  
Größere Firmen arbeiten meist mit einem&nbsp; '''Primärmultiplexanschluss'''&nbsp; (PMxAs), an dem die Telekommunikations– bzw. Datenverarbeitungsanlage durch eine Vierdrahtleitung angeschlossen wird. Die englische Bezeichnung für einen solchen Anschluss ist ''Primary Rate Interface''&nbsp; (PRI).
+
*$30$&nbsp; full-duplex basic channels with&nbsp; $\text{64 kbit/s}$&nbsp; each,
  
Der Primärmultiplexanschluss gemäß nebenstehender Grafik bietet:
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*one signaling channel&nbsp; $($"data channel"$)$&nbsp; with&nbsp; $\text{64 kbit/s}$,
*30 vollduplexfähige Basiskanäle mit jeweils 64 kbit/s,
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*einen Signalisierungskanal (D) mit 64 kbit/s,  
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*one synchronization channel&nbsp;  (also with&nbsp; $\text{64 kbit/s})$,&nbsp; and accordingly
*einen Synchronisationskanal (ebenfalls mit 64 kbit/s), und dementsprechend
+
 
*eine&nbsp; '''Brutto–Datenrate'''&nbsp; von&nbsp; $32 · 64 \hspace{0.15cm}\underline{ = 2048 \ \rm kbit/s}$.
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*a&nbsp; '''gross data rate'''&nbsp; of&nbsp; $32 · 64 \hspace{0.15cm}\underline{ = 2048 \ \rm kbit/s}$.
 
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<br clear=all>
Es folgen noch einige allgemeine Angaben zum Primärmultiplexanschluss:
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It follows some general information about the primary rate interface:
*Die Realisierung der 30 Nutzkanäle erfolgt mit dem Multiplexsystem „PCM–30”. Im Gegensatz zum Basisanschluss ist hier nur eine Punkt–zu–Punkt–Verbindung möglich. Das heißt, dass eine zweite Anlage nicht an die gleiche Leitung angeschlossen werden kann wie bei einem Bus.
+
# The&nbsp; $30$&nbsp; user channels are implemented with the&nbsp; "PCM-30"&nbsp; multiplex system.&nbsp;  In contrast to the basic rate interface,&nbsp; only a point-to-point connection is possible here.&nbsp;  This means that a second system cannot be connected to the same line as with a bus.
*Die Telefonanlage wird über das Netzabschlussgerät NTPM ('''''N'''etwork '''T'''ermination for '''P'''rimary Rate '''M'''ultiplex '''A'''ccess'') an die örtliche Vermittlungsstelle angeschlossen.
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# The telecommunications system is connected to the local exchange via the network termination equipment&nbsp; $($"'''N'''etwork '''T'''ermination for '''P'''rimary Rate '''M'''ultiplex '''A'''ccess" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm NTPM$"$)$.&nbsp; This connection is four-wire &nbsp; &rArr; &nbsp; both transmission directions are separated.&nbsp; Thus,&nbsp; no direction separation procedures&nbsp; $($fork circuit,&nbsp; echo cancellation,&nbsp; etc.$)$&nbsp; are required in the NTPM and in the local exchange.
*Dieser Anschluss ist vierdrahtig &nbsp; &rArr; &nbsp; beide Übertragungsrichtungen sind getrennt. Somit sind im NTPM und in der Ortsvermittlung keine Richtungstrennungsverfahren (Gabelschaltung, Echo–Kompensation, usw.) erforderlich.
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# The&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Basic_Access#Some_explanations_of_terms|"reference point"]]&nbsp; $\rm U$&nbsp; between the network termination and the local exchange is designated&nbsp; $\rm U_{K2}$ in the case of a primary multiplex connection if a copper cable&nbsp; $\rm (K)$&nbsp; is used; the&nbsp; $\rm (2)$&nbsp; stands for the transmission rate of&nbsp; $\text{2 Mbit/s}$.&nbsp; In the case of a fiber optic connection,&nbsp; this point is called&nbsp; $\rm U_{G2}$.
*Man bezeichnet den&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN-Basisanschluss#Einige_Begriffserkl.C3.A4rungen|Referenzpunkt]]&nbsp; $\rm U$&nbsp; zwischen Netzabschluss und Ortsvermittlungsstelle beim Primärmultiplexanschluss mit&nbsp; $\rm U_{K2}$, wenn ein Kupferkabel&nbsp; $\rm (K)$&nbsp; verwendet wird; die&nbsp; $\rm (2)$&nbsp; steht für die Übertragungsrate 2 Mbit/s. Bei einem Glasfaseranschluss nennt man diesen Punkt&nbsp; $\rm U_{G2}$.
+
# Accordingly,&nbsp; the connection between the network termination and the TC system is generally referred to as the&nbsp; "$\rm S_{2M}$"&nbsp; interface.&nbsp; Technically, however,&nbsp; there is not much difference between the&nbsp; "$\rm U_{K2}$"&nbsp; and the&nbsp; "$\rm S_{2M}$"&nbsp; interfaces.
*Entsprechend wird die Verbindung zwischen dem Netzabschluss und der TK–Anlage allgemein als die&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle bezeichnet. Technisch besteht allerdings kein großer Unterschied zwischen der&nbsp; $\rm U_{K2}$– und der&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle.
 
  
 
   
 
   
  
  
==Rahmenstruktur von S<sub>2M</sub>– und U<sub>K2</sub>–Schnittstelle==   
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==Frame structure of S<sub>2M</sub> and U<sub>K2</sub> interface==   
 
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Die&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle stellt die Verbindung zwischen Telekommunikationsanlage und Netzabschluss (NTPM) dar, die mit zwei Kupferdoppeladern realisiert wird. Da hier nur ein Punkt–zu–Punkt–Betrieb möglich ist, ist die&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle nicht als Bus ausgelegt wie die&nbsp; $\rm S_{0}$–Schnittstelle beim Basisanschluss, und daher ist hier auch kein Kollisionserkennungsverfahren erforderlich.
+
The&nbsp; $\rm S_{2M}$ interface represents the connection between the telecommunications system and the network termination&nbsp; $\rm (NTPM)$,&nbsp; which is implemented with two copper pairs.&nbsp; Since only point-to-point operation is possible here,&nbsp; the&nbsp; $\rm S_{2M}$ interface is not designed as a bus like the&nbsp; $\rm S_{0}$ interface in the basic connection,&nbsp; and therefore no collision detection method is required here.
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[[File:EN_Bei_T_1_3_S2.png|right|frame|Frame structure of the&nbsp; $\rm S_{2M}$ interface]]
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The graphic shows the frame structure of the&nbsp; $\rm S_{2M}$ interface. It can be seen:
  
[[File:P_ID1567__Bei_T_1_3_S2_v1.png|center|frame|Rahmenstruktur der&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle]]
+
*In time division multiplex,&nbsp; a TDMA frame is transmitted every&nbsp; $125\ \rm  µs$.&nbsp;  However,&nbsp; each of the&nbsp; $32$&nbsp; channels occupies the TDMA frame only for the duration of&nbsp; $125\ \rm  µs/32 = 3.906 \ \rm µs$.
  
Die Grafik zeigt die Rahmenstruktur der&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle. Man erkennt:
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*Eight bits are transmitted per channel and TDMA frame; the bit duration is&nbsp;  
*Im Zeitmultiplex wird alle 125 Mikrosekunden ein TDMA–Rahmen übertragen. Jeder der 32 Kanäle belegt den TDMA–Rahmen aber nur für die Dauer von&nbsp; $125\ \rm  µs/32 = 3.906 \ \rm  µs$.
+
:$$T_\text{B} = 3.906  \ \rm  µs/8 = 0.488  \ \rm  µs.$$
*Pro Kanal und TDMA–Rahmen werden acht Bit übertragen; die Bitdauer ist&nbsp; $T_\text{B} = 3.906  \ \rm  µs/8 = 0.488  \ \rm  µs$. Deren Kehrwert ergibt die&nbsp; Brutto–Datenrate&nbsp; $R_\text{B} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.048  \ \rm  Mbit/s}$.
+
*The reciprocal of this is the gross data rate&nbsp;  
*Die Kanäle&nbsp; '''1'''&nbsp; bis&nbsp; '''15'''&nbsp; sowie&nbsp; '''17'''&nbsp; bis&nbsp; '''31'''&nbsp; stellen die Nutzkanäle ($\rm B$–Kanäle) dar, die alle mit $64 \ \rm  kbit/s$ unabhängig voneinander betrieben werden. Der Kanal&nbsp; '''16'''&nbsp; ($\rm D$–Kanal, in der Grafik rot markiert) sorgt für die Steuerung dieser B–Kanäle und der gesamten Telefonanlage.
+
:$$R_\text{B} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.048  \ \rm  Mbit/s}.$$
*Der Kanal&nbsp; '''0'''&nbsp; (Synchronisationskanal, blau markiert) dient bei ungeradem Rahmen&nbsp; (mit Nummer&nbsp; $1, 3, 5,$ ...)&nbsp; zur Rahmenerkennung, während die geraden Rahmen&nbsp; ($2, 4, 6,$ ...)&nbsp; für Wartungszwecke und für die Fehlerbehandlung genutzt werden. Beides geschieht mit Hilfe des&nbsp; $\rm CRC4$–Verfahrens, das auf der nächsten Seite genauer beschrieben wird.
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*The channels&nbsp; '''1'''&nbsp; to&nbsp; '''15'''&nbsp; and&nbsp; '''17'''&nbsp; to&nbsp; '''31'''&nbsp; represent the bearer&nbsp; ($\rm B)$&nbsp; channels,&nbsp; all of which are operated independently of each other at&nbsp; $64 \ \rm kbit/s$.  
  
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*The data channel&nbsp; '''16'''&nbsp; $($marked red in the graph$)$&nbsp; provides control of these user channels and the entire telephone system.
  
Die&nbsp; $\rm U_{K2}$–Schnittstelle weist genau gleiche Eigenschaften wie die&nbsp; $\rm S_{2M}$–Schnittstelle auf und besitzt damit auch die gleiche Rahmenstruktur.
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*The synchronization channel&nbsp; '''0'''&nbsp; $($marked in blue$)$&nbsp; is used for frame detection in the case of odd frames&nbsp; $($with number&nbsp; $1, 3, 5,$ ...$)$,&nbsp; while the even frames&nbsp; ($2, 4, 6,$ ...$)$&nbsp; are used for maintenance purposes and for error handling.&nbsp;  Both are done with the help of the&nbsp; $\rm CRC4$&nbsp; method,&nbsp; which is described in more detail in the next section.
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The&nbsp; $\rm U_{K2}$ interface has exactly the same properties as the&nbsp; $\rm S_{2M}$ interface and thus also has the same frame structure.
  
 
 
 
 
==Rahmensynchronisation== 
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==Frame synchronization== 
 
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Die Synchronisation ist beim Primärmultiplexanschluss jeweils im&nbsp; ''Synchronisierungskanal''&nbsp; (Kanal&nbsp; '''0''')&nbsp; eines Rahmens realisiert. Man verwendet dafür den&nbsp; '''''C'''yclic '''R'''edundancy '''C'''heck''&nbsp; $\rm (CRC4)$, der in aller Kürze wie folgt dargestellt werden kann:
+
Synchronization is implemented in the&nbsp; channel&nbsp; "'''0'''"&nbsp; of a frame in the primary rate interface. &nbsp;The table shows the respective frame assignment of this synchronization channel&nbsp; for one cycle of the CRC4 method.&nbsp; The&nbsp; "'''C'''yclic '''R'''edundancy '''C'''heck"&nbsp; $\rm (CRC4)$&nbsp; is used for this purpose,&nbsp; which can be illustrated briefly as follows:
*Der Kanal&nbsp; '''0'''&nbsp; eines jeden ungeraden Zeitrahmens&nbsp; (Nummer 1, 3, ... , 15)&nbsp; überträgt das so genannte ''Rahmenkennwort''&nbsp; (RKW), während jeder gerade Rahmen&nbsp; (Nummer 2, 4, ... , 16)&nbsp; von Kanal&nbsp; '''0'''&nbsp; das ''Meldewort''&nbsp; (MW) beinhaltet.
 
*Anhand des Rahmenkennworts mit dem festen Bitmuster &bdquo;$\rm X001\hspace{0.08cm} 1011$&rdquo; wird die Synchronisation zwischen der Sende– und der Empfangsrichtung hergestellt. Das erste Bit&nbsp; $\rm X ∈ {0, 1}$ wird dabei durch das CRC4–Verfahren bestimmt.
 
*Das Meldewort lautet &bdquo;$\rm X1DN\hspace{0.08cm} YYYY$&rdquo;. Über das D–Bit und N–Bit werden ''Fehlermeldungen''&nbsp; signalisiert. Die vier&nbsp; $\rm Y$–Bits sind für ''Service–Funktionen''&nbsp; reserviert. Das&nbsp; $\rm X$–Bit wird wieder durch das CRC4–Verfahren gewonnen.
 
*Man benötigt für das CRC4–Verfahren 16&nbsp; $\rm X$–Bits  und damit  16 aufeinander folgende Pulsrahmen, die in zwei Mehrfachrahmen aufgeteilt werden. Die Länge eines Mehrfachrahmens ist deshalb&nbsp; $8 · 256 = 2048$&nbsp; Bit und die Zeitdauer beträgt&nbsp; $8 · 0.125  = 1$&nbsp;  Millisekunde.
 
*Die CRC4–Prüfsumme wird als Folge von vier Bit&nbsp; $(\rm C0$, ... , $\rm C3)$&nbsp; in jedem Mehrfachrahmen gebildet und liefert das jeweils erste Bit&nbsp; $\rm (X)$&nbsp; für vier aufeinander folgende Rahmenkennworte.
 
  
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[[File:EN_Bei_T_1_3_S3a.png|right|frame|Frame assignment of the synchronization channel&nbsp; "'''0'''"]]
  
Die Tabelle zeigt die jeweilige Rahmenbelegung des Synchronisierungskanals&nbsp; '''0'''&nbsp; für einen Zyklus des CRC4–Verfahrens.
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# &nbsp; Channel&nbsp; "'''0'''"&nbsp; of each odd time frame&nbsp; $($number 1, 3, ... , 15$)$&nbsp; includes the&nbsp; "frame password"&nbsp;$($German:&nbsp; "Rahmenkennwort" &nbsp; &rArr; &nbsp; "RKW"$)$,&nbsp; while each even frame&nbsp; $($number 2, 4, ... , 16$)$&nbsp; of this channel contains the&nbsp; "message word".
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# &nbsp; Based on the frame password with the fixed bit pattern&nbsp; "$\rm X001\hspace{0.08cm} 1011$",&nbsp; the synchronization between the transmission and the reception direction is established.&nbsp; The first bit&nbsp; $\rm X ∈ {0, 1}$&nbsp; is determined by the CRC4 method.
 +
# &nbsp; The message word is&nbsp; "$\rm X1DN\hspace{0.08cm} YYYY$".&nbsp; Error messages&nbsp; are signaled via the&nbsp; $\rm D$ bit and the&nbsp; $\rm N$ bit.&nbsp; The four&nbsp; $\rm Y$ bits are reserved for service functions.&nbsp; The&nbsp; $\rm X$ bit is again obtained by the CRC4 method.
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# &nbsp; The CRC4 method requires&nbsp; $16$&nbsp; $\rm X$ bits &nbsp; &rArr; &nbsp; $16$&nbsp; consecutive pulse frames,&nbsp; which are divided into two multiple frames.&nbsp; The length of a multiple frame is therefore&nbsp; $8 · 256 = 2048$&nbsp; bits and the time duration is&nbsp; $8 · 0.125  = 1$&nbsp; millisecond.
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# &nbsp; The CRC4 checksum is formed as a sequence of four bits&nbsp; $(\rm C0$, ... , $\rm C3)$&nbsp; in each multiple frame and provides the first bit&nbsp; $\rm (X)$&nbsp; for each of four consecutive frame identifiers.
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<br clear=all>
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 2:}$&nbsp; The procedure of the CRC4 method shall be explained by an example, where for the generator polynomial is assumed:
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:$$D^4 + D + 1$$
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In the binary representation this is:&nbsp; "$10011$".&nbsp; The graph shows the extraction of the CRC4 checksum&nbsp; (left)&nbsp; and its evaluation at the receiver&nbsp; (right).
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You can see:
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[[File:EN_Bei_T_1_3_S3c_v2.png|right|frame|Example for the CRC4 method]]
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*The CRC4 checksum at the transmitter-side results as the remainder of the division of a data block with a total of twelve bits&nbsp; $($eight useful bits,&nbsp; here&nbsp; "$1000\hspace{0.05cm} 1100$",&nbsp; to which&nbsp; "$0000$" is appended$)$&nbsp; by the generator polynomial&nbsp; "$10011$".
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*In polynomial notation, the remainder of the division&nbsp;
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:$$(D^{11} + D^7 + D^6 ) : ( D^4 + D + 1)$$
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:results in &nbsp;$R(D) = D^3 + 1$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; binary "$1001$".
  
[[File:P_ID1568__Bei_T_1_3_S3a_v1.png|center|frame|Rahmenbelegung des Synchronisierungskanals]]
+
* The division is realized by a&nbsp; "modulo-2 addition"&nbsp; $($bitwise XOR operation$)$.&nbsp; In the example,&nbsp; the division yields the remainder&nbsp; "$1001$".&nbsp;
  
{{GraueBox|TEXT= 
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*These bits&nbsp; $\rm C0$, ... , $\rm C3$&nbsp; of the CRC checksum are transmitted to the receiver in different frames of the synchronization channel&nbsp; $($see frame assignment in the above graphic$)$.
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Die Vorgehensweise beim CRC4–Verfahren soll an einem Beispiel erklärt werden, wobei vom Generatorpolynom&nbsp;  
 
:$$D^4 + D + 1$$
 
ausgegangen wird. In der Binärdarstellung lautet dieses:&nbsp; $10011$.  
 
  
[[File:P_ID1576__Bei_T_1_3_S3c.png|center|frame|Beispiel für das CRC4–Verfahren]]
+
*After the receiver has received these twelve bits&nbsp; $($data block and CRC4 checksum$)$,&nbsp; it also divides this 12-digit binary word by the generator polynomial.&nbsp; In the example,&nbsp; this division&nbsp; "$1000\hspace{0.05cm}  1100\hspace{0.05cm}  1001$"&nbsp; divided by&nbsp; "$10011$"&nbsp; gives the remainder zero.&nbsp; This result indicates that no transmission errors have occurred.
  
Die Grafik zeigt die Gewinnung der CRC4–Prüfsumme (links) und deren Auswertung beim Empfänger (rechts).
+
*If the division remainder is not zero,&nbsp; the result indicates a transmission error.&nbsp; In this case,&nbsp; the data must be requested again from the transmitter.}}
Man erkennt:
 
*Die CRC4–Prüfsumme am Sender ergibt sich als der Rest der Division eines Datenblocks mit insgesamt zwölf Bit&nbsp; (acht Nutzbit, im Beispiel&nbsp; $1000\hspace{0.05cm} 1100$, an die&nbsp; $0000$ angehängt wird)&nbsp; durch das Generatorpolynom in Binärdarstellung&nbsp; $(10011)$. In Polynomschreibweise ergibt sich der Rest der Division&nbsp; $(D^{11} + D^7 + D^6 ) : ( D^4 + D + 1)$&nbsp;  zu &nbsp;$R(D) = D^3 + 1$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; binär $1001$.
 
*Die Division wird durch eine&nbsp; '''Modulo–2–Addition'''&nbsp; (bitweise XOR–Verknüpfung) realisiert. Im Beispiel liefert die Division den Rest&nbsp; $1001$. Diese vier Bit&nbsp; $(\rm C0$, ... , $\rm C3)$&nbsp; der CRC–Prüfsumme werden dann in verschiedenen Rahmen des Synchronisierungskanals zum Empfänger übertragen (siehe Rahmenbelegung in obiger Grafik).
 
*Nachdem der Empfänger diese zwölf Bit&nbsp; (Datenblock und CRC4–Prüfsumme)&nbsp; empfangen hat, teilt dieser dieses 12–stellige Binärwort ebenfalls durch das Generatorpolynom. Im Beispiel ergibt diese Division&nbsp; $1000\hspace{0.05cm}  1100\hspace{0.05cm}  1001$&nbsp; geteilt durch&nbsp; $10011$&nbsp; den Rest Null. Dieses Ergebnis zeigt an, dass keine Übertragungsfehler aufgetreten sind.
 
*Ist der Divisionsrest ungleich Null, so weist das Ergebnis auf einen Übertragungsfehler hin. In diesem Fall müssen die Daten beim Sender nochmals angefordert werden.}}
 
 
   
 
   
  
==Nachrichtentechnische Aspekte ==
+
==Telecommunications aspects ==
 
<br>
 
<br>
  
Beim ISDN–Primärmultiplexanschluss wird auf der&nbsp; $\rm S_{2M}$– und auch auf der&nbsp; $\rm U_{K2}$–Schnittstelle jeweils der so genannte&nbsp; '''HDB3–Leitungscode'''&nbsp; ('''''H'''igh '''D'''ensity '''B'''ipolar '''3'''ary'') verwendet. Gegenüber dem modifizierten AMI–Code auf der&nbsp; $\rm S_{0}$–Schnittstelle des Basisanschlusses
+
With the ISDN primary rate interface,&nbsp; the so-called &nbsp; '''HDB3 line code''' &nbsp; $($'''H'''igh '''D'''ensity '''B'''ipolar '''3'''ary$)$&nbsp; is used on the&nbsp; $\rm S_{2M}$ interface and also on the&nbsp; $\rm U_{K2}$ interface.&nbsp; Compared to the modified AMI code on the&nbsp; $\rm S_{0}$ interface of the base connection
*wird das Auftreten von langen Nullfolgen vermieden und dadurch
+
[[File:EN_Bei_T_1_3_S4a.png|right|frame|AMI code and HDB3 code]]
*dem Empfänger eine sicherere Taktrückgewinnung und Synchronisation ermöglicht.
+
 
 +
*the occurrence of long zero sequences is avoided,&nbsp; and thus
  
 +
*providing the receiver a more reliable clock recovery and synchronization.
  
[[File:Bei_T_1_3_S4a_version2.png|center|frame|AMI–Code und HDB3–Code]]
 
  
Die HDB3–Leitungscodierung funktioniert wie folgt:
+
HDB3 line coding works as follows:
*Wie beim AMI–Code wird jeder binären&nbsp; '''0'''&nbsp; der Signalpegel&nbsp; $\rm 0\hspace{0.09cm} V$&nbsp; zugeordnet, während die binäre „'''1'''” alternierend durch die Werte&nbsp; $+s_0$&nbsp; und&nbsp; $–s_0$&nbsp; dargestellt wird.
+
# As in the AMI code,&nbsp; each binary&nbsp; "'''0'''"&nbsp; is assigned the signal level&nbsp; $\rm 0\hspace{0.09cm} V$,&nbsp; while the binary "'''1'''" is alternately represented by the values&nbsp; $+s_0$&nbsp; and&nbsp; $–s_0$.&nbsp;  
*Treten im AMI–codierten Signal vier aufeinander folgende&nbsp; '''0'''”–Bits auf, so werden diese durch eine Folge von vier anderen Bits ersetzt, welche die AMI–Codierregel verletzen.
+
# If four consecutive&nbsp; "'''0'''"&nbsp;  bits occur in the AMI encoded signal,&nbsp; they are replaced by a sequence of four other bits that violate the AMI coding rule.
*Ist wie in obiger Grafik die Anzahl der Einsen gerade oder Null und der letzte Puls vor diesen vier Bits negativ, so wird&nbsp; '''0 0 0 0'''&nbsp; durch die Folge&nbsp; '''+ 0 0 +'''&nbsp; ersetzt. Wäre dagegen der letzte Puls vor diesen vier Bits positiv, so würde „'''0 0 0 0'''” durch „'''– 0 0 –'''” ersetzt.
+
#  If,&nbsp; as in the above figure,&nbsp; the number of&nbsp; "ones"&nbsp; is even or zero and the last pulse before these four bits is negative,&nbsp; "'''0 0 0 0'''"&nbsp; is replaced by the sequence&nbsp; "'''+ 0 0 +'''".&nbsp; On the other hand,&nbsp; if the last pulse before these four bits were positive,&nbsp; "'''0 0 0 0'''" would be replaced by "'''– 0 0 –'''".
*Bei ungerader Anzahl von Einsen vor diesem&nbsp; '''0 0 0 0'''”–Block würden dagegen&nbsp; '''0 0 0 +'''&nbsp; (falls letzter Puls positiv) oder&nbsp; '''0 0 0 –'''&nbsp; (falls letzter Puls negativ) als Ersetzungen gewählt. Die Gleichstromfreiheit bleibt durch diese Maßnahmen erhalten.
+
# If there were an odd number of&nbsp; "ones"&nbsp; before this&nbsp; "'''0 0 0 0'''"&nbsp; block,&nbsp; on the other hand,&nbsp; "'''0 0 0 +'''"&nbsp; $($if last pulse positive$)$&nbsp; or&nbsp; "'''0 0 0 –'''"&nbsp; $($if last pulse negative$)$&nbsp; would be selected as replacements.&nbsp; The DC freedom is maintained by these measures.
*In allen vier Fällen kann der Decoder die Verletzung der AMI–Regel erkennen und diesen Block wieder durch&nbsp; '''0 0 0 0'''&nbsp; ersetzen.
+
# In all four cases,&nbsp; the decoder can detect the violation of the AMI rule and replace this block again with&nbsp; "'''0 0 0 0'''".&nbsp;
 
   
 
   
==Aufgaben zum Kapitel ==  
+
==Exercises for the chapter ==  
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_1.5:_HDB3–Codierung|Aufgabe 1.5: HDB3–Codierung]]
+
[[Aufgaben:Exercise_1.5:_HDB3_Coding|Exercise 1.5: HDB3 Coding]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_1.6:_Cyclic_Redundancy_Check_(CRC4)|Aufgabe 1.6: Cyclic Redundancy Check (CRC4)]]
+
[[Aufgaben:Exercise_1.6:_Cyclic_Redundancy_Check|Exercise 1.6: Cyclic Redundancy Check]]
  
  
 
{{Display}}
 
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Latest revision as of 16:05, 23 January 2023

$\text{Preliminary remark:}$  Again,  we would like to point out that the content of this chapter no longer fully reflects the current state of the art  $($2018$)$.  Therefore,  consider the following text as a historical treatise,  even if parts of it are still relevant in practice today.


General description


First of all,  it should be explained why an ISDN rate interface is  $($or rather was$)$  needed.  This was only offered as a   system connection   $($"point-to-point"$)$. This means that only one device could be connected to the network termination:  One speaks of a  "telecommunications system",  abbreviated to  "TC system"  in the following.

There were many reasons for using a system connection:

  1. Companies,  government agencies or hospitals often need a central number and a block of extension numbers. 
  2. Most often,  the extension number of the central office is  "0".
  3. The central call number has  $3$  to  $5$  digits,  an extension number thereafter has  "2"  to  "5"  digits.  This allows direct dialing of a call partner from the outside.
  4. Telephone calls between employees  – i.e.,  an internal connection –  should be free of charge.


$\text{Example 1:}$  Let's consider a company in Munich whose head office can be reached from outside via  "089/4711 - 0"  and internally with  "0".  Employee  $X$  can be reached from outside at a charge by dialing extension  "089/4711 - 432"  and internally without charge by dialing  "432".


Larger companies usually work with a   primary rate interface   $\rm (PRI)$,  to which the telecommunications or data processing equipment is connected by a four-wire line.  The primary rate interface according to the adjacent diagram offers:

ISDN primary rate interface
  • $30$  full-duplex basic channels with  $\text{64 kbit/s}$  each,
  • one signaling channel  $($"data channel"$)$  with  $\text{64 kbit/s}$,
  • one synchronization channel  (also with  $\text{64 kbit/s})$,  and accordingly
  • gross data rate  of  $32 · 64 \hspace{0.15cm}\underline{ = 2048 \ \rm kbit/s}$.


It follows some general information about the primary rate interface:

  1. The  $30$  user channels are implemented with the  "PCM-30"  multiplex system.  In contrast to the basic rate interface,  only a point-to-point connection is possible here.  This means that a second system cannot be connected to the same line as with a bus.
  2. The telecommunications system is connected to the local exchange via the network termination equipment  $($"Network Termination for Primary Rate Multiplex Access"   ⇒   "$\rm NTPM$"$)$.  This connection is four-wire   ⇒   both transmission directions are separated.  Thus,  no direction separation procedures  $($fork circuit,  echo cancellation,  etc.$)$  are required in the NTPM and in the local exchange.
  3. The  "reference point"  $\rm U$  between the network termination and the local exchange is designated  $\rm U_{K2}$ in the case of a primary multiplex connection if a copper cable  $\rm (K)$  is used; the  $\rm (2)$  stands for the transmission rate of  $\text{2 Mbit/s}$.  In the case of a fiber optic connection,  this point is called  $\rm U_{G2}$.
  4. Accordingly,  the connection between the network termination and the TC system is generally referred to as the  "$\rm S_{2M}$"  interface.  Technically, however,  there is not much difference between the  "$\rm U_{K2}$"  and the  "$\rm S_{2M}$"  interfaces.



Frame structure of S2M and UK2 interface


The  $\rm S_{2M}$ interface represents the connection between the telecommunications system and the network termination  $\rm (NTPM)$,  which is implemented with two copper pairs.  Since only point-to-point operation is possible here,  the  $\rm S_{2M}$ interface is not designed as a bus like the  $\rm S_{0}$ interface in the basic connection,  and therefore no collision detection method is required here.

Frame structure of the  $\rm S_{2M}$ interface

The graphic shows the frame structure of the  $\rm S_{2M}$ interface. It can be seen:

  • In time division multiplex,  a TDMA frame is transmitted every  $125\ \rm µs$.  However,  each of the  $32$  channels occupies the TDMA frame only for the duration of  $125\ \rm µs/32 = 3.906 \ \rm µs$.
  • Eight bits are transmitted per channel and TDMA frame; the bit duration is 
$$T_\text{B} = 3.906 \ \rm µs/8 = 0.488 \ \rm µs.$$
  • The reciprocal of this is the gross data rate 
$$R_\text{B} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.048 \ \rm Mbit/s}.$$
  • The channels  1  to  15  and  17  to  31  represent the bearer  ($\rm B)$  channels,  all of which are operated independently of each other at  $64 \ \rm kbit/s$.
  • The data channel  16  $($marked red in the graph$)$  provides control of these user channels and the entire telephone system.
  • The synchronization channel  0  $($marked in blue$)$  is used for frame detection in the case of odd frames  $($with number  $1, 3, 5,$ ...$)$,  while the even frames  ($2, 4, 6,$ ...$)$  are used for maintenance purposes and for error handling.  Both are done with the help of the  $\rm CRC4$  method,  which is described in more detail in the next section.


The  $\rm U_{K2}$ interface has exactly the same properties as the  $\rm S_{2M}$ interface and thus also has the same frame structure.


Frame synchronization


Synchronization is implemented in the  channel  "0"  of a frame in the primary rate interface.  The table shows the respective frame assignment of this synchronization channel  for one cycle of the CRC4 method.  The  "Cyclic Redundancy Check"  $\rm (CRC4)$  is used for this purpose,  which can be illustrated briefly as follows:

Frame assignment of the synchronization channel  "0"
  1.   Channel  "0"  of each odd time frame  $($number 1, 3, ... , 15$)$  includes the  "frame password" $($German:  "Rahmenkennwort"   ⇒   "RKW"$)$,  while each even frame  $($number 2, 4, ... , 16$)$  of this channel contains the  "message word".
  2.   Based on the frame password with the fixed bit pattern  "$\rm X001\hspace{0.08cm} 1011$",  the synchronization between the transmission and the reception direction is established.  The first bit  $\rm X ∈ {0, 1}$  is determined by the CRC4 method.
  3.   The message word is  "$\rm X1DN\hspace{0.08cm} YYYY$".  Error messages  are signaled via the  $\rm D$ bit and the  $\rm N$ bit.  The four  $\rm Y$ bits are reserved for service functions.  The  $\rm X$ bit is again obtained by the CRC4 method.
  4.   The CRC4 method requires  $16$  $\rm X$ bits   ⇒   $16$  consecutive pulse frames,  which are divided into two multiple frames.  The length of a multiple frame is therefore  $8 · 256 = 2048$  bits and the time duration is  $8 · 0.125 = 1$  millisecond.
  5.   The CRC4 checksum is formed as a sequence of four bits  $(\rm C0$, ... , $\rm C3)$  in each multiple frame and provides the first bit  $\rm (X)$  for each of four consecutive frame identifiers.


$\text{Example 2:}$  The procedure of the CRC4 method shall be explained by an example, where for the generator polynomial is assumed:

$$D^4 + D + 1$$

In the binary representation this is:  "$10011$".  The graph shows the extraction of the CRC4 checksum  (left)  and its evaluation at the receiver  (right). You can see:

Example for the CRC4 method
  • The CRC4 checksum at the transmitter-side results as the remainder of the division of a data block with a total of twelve bits  $($eight useful bits,  here  "$1000\hspace{0.05cm} 1100$",  to which  "$0000$" is appended$)$  by the generator polynomial  "$10011$".
  • In polynomial notation, the remainder of the division 
$$(D^{11} + D^7 + D^6 ) : ( D^4 + D + 1)$$
results in  $R(D) = D^3 + 1$    ⇒   binary "$1001$".
  • The division is realized by a  "modulo-2 addition"  $($bitwise XOR operation$)$.  In the example,  the division yields the remainder  "$1001$". 
  • These bits  $\rm C0$, ... , $\rm C3$  of the CRC checksum are transmitted to the receiver in different frames of the synchronization channel  $($see frame assignment in the above graphic$)$.
  • After the receiver has received these twelve bits  $($data block and CRC4 checksum$)$,  it also divides this 12-digit binary word by the generator polynomial.  In the example,  this division  "$1000\hspace{0.05cm} 1100\hspace{0.05cm} 1001$"  divided by  "$10011$"  gives the remainder zero.  This result indicates that no transmission errors have occurred.
  • If the division remainder is not zero,  the result indicates a transmission error.  In this case,  the data must be requested again from the transmitter.


Telecommunications aspects


With the ISDN primary rate interface,  the so-called   HDB3 line code   $($High Density Bipolar 3ary$)$  is used on the  $\rm S_{2M}$ interface and also on the  $\rm U_{K2}$ interface.  Compared to the modified AMI code on the  $\rm S_{0}$ interface of the base connection

AMI code and HDB3 code
  • the occurrence of long zero sequences is avoided,  and thus
  • providing the receiver a more reliable clock recovery and synchronization.


HDB3 line coding works as follows:

  1. As in the AMI code,  each binary  "0"  is assigned the signal level  $\rm 0\hspace{0.09cm} V$,  while the binary "1" is alternately represented by the values  $+s_0$  and  $–s_0$. 
  2. If four consecutive  "0"  bits occur in the AMI encoded signal,  they are replaced by a sequence of four other bits that violate the AMI coding rule.
  3. If,  as in the above figure,  the number of  "ones"  is even or zero and the last pulse before these four bits is negative,  "0 0 0 0"  is replaced by the sequence  "+ 0 0 +".  On the other hand,  if the last pulse before these four bits were positive,  "0 0 0 0" would be replaced by "– 0 0 –".
  4. If there were an odd number of  "ones"  before this  "0 0 0 0"  block,  on the other hand,  "0 0 0 +"  $($if last pulse positive$)$  or  "0 0 0 –"  $($if last pulse negative$)$  would be selected as replacements.  The DC freedom is maintained by these measures.
  5. In all four cases,  the decoder can detect the violation of the AMI rule and replace this block again with  "0 0 0 0". 

Exercises for the chapter


Exercise 1.5: HDB3 Coding

Exercise 1.6: Cyclic Redundancy Check