Further Developments of ISDN

Breitband–ISDN

Breitband–ISDN – meist abgekürzt als B–ISDN – war eine Weiterentwicklung von ISDN. Ziel dieser Weiterentwicklung aus dem Jahre 1996 war es, zusätzlich zu den Diensten und Anwendungen des Schmalband–ISDN neue Kommunikationsdienste mit höheren Bandbreiten zu ermöglichen. B–ISDN unterstützt beispielsweise audiovisuelle Dienste und Multimedia–Anwendungen wie Bildübertragung, Bildtelefon und Videokonferenz mit Übertragungsraten bis zu maximal 155 Mbit/s. Um eine solch große Übertragungsrate zu erreichen, nutzt B–ISDN folgende neue Technologien:

Anstelle von Kupferkabeln werden Glasfasern verwendet, die aufgrund ihrer geringen Dämpfung größere Bandbreiten und Reichweiten ermöglichen. Auf der nächsten Seite sind die Vorteile der Glasfasertechnologie zusammengestellt.
Zur Übertragung und Vermittlung der Information wird auf die ATM–Technik (Asynchronous Transfer Mode) gesetzt. Auf der letzten Seite dieses Abschnitts wird diese Übertragungstechnik für Breitband–ISDN erklärt.
Die Orts– und Fernvermittlungsstellen sind speziell für diese großen Bandbreiten ausgelegt.

Schmalband–ISDN und Breitband–ISDN im Vergleich

Die Grafik zeigt

unten ein ISDN–Netz mit zwei B–Kanälen (Schmalband–ISDN) über eine Kupfer–Doppelader (Cu–DA),
oben das Breitband–ISDN (B–ISDN) über Glasfaser (LWL, Lichtwellenleiter).

Über eine weitere Kupfer–Doppelader (in der Mitte) erfolgt die Signalisierung.
Der große wirtschaftliche Erfolg von Breitband–ISDN ist ausgeblieben, da diese Technologie sehr teuer ist und mit DSL (Digital Subscriber Line) ebenfalls ausreichende Bandbreiten erreicht werden konnten.

Die hohen Kosten hängen damit zusammen, dass die Glasfaser bis zum Teilnehmer verlegt werden muss.
Größere Firmen und Behörden benutzen aber teilweise auch heute noch B–ISDN, wobei nach weiteren Modifikationen Datenraten bis zu 622 Mbit/s erreicht werden.

Glasfasertechnologie

Als Übertragungsmedien für B–ISDN wurden Lichtwellenleiter (LWL) verwendet, häufig auch vereinfacht Glasfasern genannt. Seit den ersten Versuchen in den 1970er Jahren hat die optische Übertragungstechnik enorme Fortschritte gemacht und bietet viele Vorteile gegenüber der elektrischen Übertragung:

In einem Lichtwellenleiter erfolgt die Signalausbreitung durch ein geführtes elektromagnetisches Feld und es existieren keine Ströme und Spannungen wie bei Kupferleitungen. Ein Glasfaserkabel ist deshalb unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und zudem wesentlich leichter als ein Kupferkabel.
Die Signaldämpfung eines Lichtwellenleiters ist deutlich geringer als die eines Kupferkabels. Im Dämpfungsminimum bei der Wellenlänge λ = 1.55 µm wird ein Wert von 0.2 dB/km erreicht. Zum Vergleich: Bei einer Kupferleitung mit 0.4 mm Durchmesser beträgt der Dämpfungswert für ein Gleichsignal ca. 5 dB/km und bei einem Megahertz etwa 20 dB/km – siehe Abschnitt Dämpfungsverhalten von Kupferkabeln.

Mit Glasfasern kann man heute (2018) Übertragungsraten von 100 Gbit/s und – mit zwischengeschalteten optischen Verstärkern – Entfernungen von mehreren 1000 km und mehr erreichen. Zwischenregeneratoren werden nur noch in Vermittlungsstellen eingesetzt, da das Routing der Daten immer noch weitgehend elektronisch erfolgt.

Aktuelle optische Übertragungssysteme transportieren bei einer einzigen Wellenlänge Datenraten von 100 Gbit/s über eine Entfernung vonmehreren 1000 km. Es sind bereits heute (2018) Systeme mit 400 Gbit/s kommerziell erhältlich, allerdings unter Verwendung mehrerer Wellenlängen.

Durch optisches Wellenlängenmultiplex (englisch: Wavelength Division Multiplex, WDM) können eine Vielzahl von Kanälen parallel übertragen werden. Damit wurde im Jahr 2017 über ein Transatlantik–Unterseekabel eine Gesamt-Datenrate von 70.4 Terabit/s erreicht $\rm (1 \ Terabit = 10^{12} \ bit)$.
Heutzutage werden Glasfasern vorwiegend zwischen den Vermittlungsstellen eingesetzt, während man aus Kostengründen zwischen Teilnehmer und Vermittlungsstelle weiterhin die vorhandenen Kupferleitungen verwendet. Längerfristig wird es aber sicher [Fiber–to–the–Home] (FttH) geben.

E/O– und O/E–Signalwandlung

In den Vermittlungsstellen muss sendeseitig eine elektrisch–optische Wandlung (E/O) durch eine Laserdiode (LD) oder eine LED (englisch: Light–emitting Diode) vorgenommen werden. Beim Empfänger ist dann eine optisch–elektrische Rückwandlung (O/E) durch eine Photodiode (PD) notwendig. Hinweis: APD steht für Lawinenphotodiode (englisch: Avalanche Photodiode).

U_G2–Schnittstelle

Bei einer Glasfaseranbindung bezeichnet man den Referenzpunkt zwischen Netzabschluss und Ortsvermittlungsstelle mit $\rm U_{G2}$. Diese Schnittstelle besteht aus zwei Glasfasern für die beiden Übertragungsrichtungen.

Umsetzung vom HDB3- in den 1T2B–Code

Da man den ternären HDB3–Code mit dem Wertevorrat $\{–1, 0, +1\}$ der $\rm S_{2M}$–Schnittstelle in optischer Form ohne aufwändigen optischen Modulator nicht übertragen kann, muss für die $\rm U_{G2}$–Schnittstelle dieser wieder in einen Binärcode mit den Elementen $0$ und $1$ gewandelt werden.
Diese Umwandlung erfolgt redundant mit dem 1T2B–Code. Das heißt: Jedes Ternärsymbol wird durch zwei Binärsymbole gemäß der angegebenen Tabelle dargestellt. Die Coderedundanz ist hierbei gleich $1 – \log_2 \hspace{0.05cm} (3)/2 ≈ 20.7\%$.

Daraus ergeben sich folgende Eigenschaften:

Durch die Umsetzung wird die Schrittgeschwindigkeit auf 4096 kbit/s verdoppelt, was prinzipiell von Nachteil ist, aber durch die Vorteile der optischen Übertragung mehr als ausgeglichen wird.
Ein echter Nachteil ist der zusätzliche Aufwand des Empfängers für die Umsetzung des optischen Signals in ein elektrisches Signal.

ATM–Technik

Das Breitband–ISDN basiert auf der sog. ATM–Technik ('Asynchronous Transfer Mode). Gegenüber PCM 30 bietet ATM folgende Vorteile für Breitbanddienste und –Anwendungen:

ATM–Zellenstruktur

flexible Zugriffsmöglichkeiten auf die Daten,
eine gute Anpassung an hohe Bitraten.

Hier folgt nur eine kurze Beschreibung des ATM–Verfahrens und seiner Funktionsweise:

ATM ist eine spezielle verbindungsorientierte Paketvermittlung, wobei die Pakete hier als ATM–Zellen bezeichnet werden.
Es handelt es sich also um eine paketorientierte Übertragung von Zellen.

Die Grafik zeigt die ATM–Zellenstruktur. Jede ATM–Zelle setzt sich aus 53 Byte zusammen und besteht aus dem Zellenkopf (5 Byte) sowie einem Informationsfeld (48 Byte), das für die Übertragung von Nutzinformationen oder Signalisierungsdaten verwendet wird. Der Zellenkopf enthält:

den Generic Flow Control (GFC) – 4 Bit zur Steuerung des Zellflusses,
den Virtual Path Identifier (VPI) – 8 Bit zur virtuellen Pfadkennung,
den Virtual Channel Identifier (VCI) – 16 Bit zur virtuellen Kanalkennzeichnung,
den Payload Type (PT) – 3 Bit zur Beschreibung des Zellentyps,
die Cell Loss Priority (CLP) – ein Bit, um einen Zellenverlust zu erkennen,
den Header Error Control (HEC) – 8 Bit, um Bitfehler im Zellenkopf zu vermeiden.

Bei der ATM–Technik werden die von den Endgeräten asynchron ankommenden Zellen im Zeitmultiplexverfahren übertragen. Kommen keine Zellen an, so werden Leerzellen erzeugt, so dass auf der Leitung stets ein kontinuierlicher Zellenstrom vorliegt. ATM ist in dem Sinn asynchron, dass Zellen mit Nutzinformation nicht periodisch auftreten müssen. Weitere Informationen zu ATM finden Sie im zweiten Hauptkapitel DSL (Digital Subscriber Line), das ebenfalls die ATM–Technik benutzt.

Aufgabe zum Kapitel

Aufgabe 1.7: Codierung bei B–ISDN