ISDN Basic Access

1. Examples of Communication Systems
2. ISDN – Integrated Services Digital Network
3. ISDN Basic Access

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Einige Begriffserklärungen

Die häufigste ISDN–Anschlussart ist der so genannte Basisanschluss (englisch: Basic Rate Interface – BRI), der insbesondere von Privatkunden und mittleren Unternehmen genutzt wird.

Wie in der Grafik dargestellt, besteht ein ISDN–Anschluss aus folgenden Funktionsgruppen:

ISDN-Referenzkonfiguration

• Terminal Equipment Typ 1 (TE1, ISDN–Endgerät),
• Terminal Equipment Typ 2 (TE2, analoges Endgerät),
• Terminal Adapter (TA, Endgeräte–Adapter),
• Network Termination 1 (NT1, Netzabschluss 1),
• Network Termination 2 (NT2, Netzabschluss 2, optional),
• Line Termination (LT, Leitungsabschluss),
• Exchange Termination (ET, Vermittlungsabschluss).

Die Referenzpunkte zwischen den einzelnen Funktionsgruppen werden mit R, S, T, U und V bezeichnet. Daraus ergeben sich auch die üblichen ISDN–Bezeichnungen verschiedener Busse:

• $\rm S_{\rm 0}$–Bus:   Referenzpunkt S zwischen Teilnehmeranschlussbereich und Netzabschluss; die 0 steht für Basisanschluss.
• $\rm U_{\rm K0}$–Bus:   Referenzpunkt U zwischen Netzabschluss und Ortsvermittlungsstelle; das K steht für Kupferkabel, die 0 wieder für Basisanschluss.

Auf den nächsten Seiten werden diese Teilnehmeranschlusskonfiguration sowie die Schnittstellen des ISDN–Basisanschlusses im Detail beschrieben.

Logische Kanäle

Der Basisanschluss besteht aus mindestens drei Kanälen, nämlich zwei Nutzkanälen (B–Kanäle) mit jeweils 64 kbit/s und einem Signalisierungskanal (D–Kanal) mit 16 kbit/s.

Logische Kanäle bei ISDN

• Ein B-Kanal (englisch: Bearer Channel) wird zur Übertragung von Nutzinformationen (Sprache, Texte, Bilder, Daten, usw.) verwendet. Zwei B–Kanäle können gleichzeitig aktiv sein, unabhängig voneinander operieren und verschiedene Zieleinrichtungen haben.
• Der D–Kanal (englisch: Data Channel) ist hauptsächlich für die Steuerung der B–Kanäle zuständig. Er sorgt insbesondere für den Auf– und Abbau der Verbindungen und für die Kommunikationssteuerung.
• Zusätzlich kann der D–Kanal für die Datenübertragung genutzt werden. Aufgrund der niedrigen Datenrate (16 kbit/s) ist dies aber nur für Anwendungen mit sehr geringem Datenaufkommen interessant, zum Beispiel für Überwachungsanlagen oder Online–Buchungssysteme.

Die Grafik zeigt die logischen Kanäle des ISDN–Basisanschlusses. Dem Teilnehmer steht mit den beiden Basiskanälen (je 64 kbit/s) und dem kombinierten Daten– und Signalisierungskanal (16 kbit/s) somit eine Gesamt–Nettobandbreite von 144 kbit/s zur Verfügung.
Alle logischen Kanäle sind bidirektional. Im unteren Teil der Grafik ist die Umsetzung im Basisanschluss dargestellt:

• Zwischen der Vermittlungsstelle und dem Netzabschluss – also auf dem $\rm U_{\rm K0}$–Bus – gibt es eine Zweidrahtverbindung, die in beiden Richtungen betrieben wird.
• Dagegen wird im Hausanschlussbereich – auf dem $\rm S_{\rm 0}$–Bus – die Vierdrahtübertragung genutzt, wobei für die beiden Richtungen je eine Doppelader benötigt wird.

Endeinrichtungen für ISDN

Man unterscheidet bei ISDN zwei verschiedene Arten von Endgeräten:

• Terminal Equipment Typ 1 (TE1): Hierzu gehören beispielsweise ISDN–fähige Telefone, ISDN–Faxgeräte der Gruppe 4 und ISDN–PC–Karten. Diese Endgeräte werden unmittelbar an der Schnittstelle S0 über den Netzabschluss (Network Termination for ISDN Basic rate Access, NTBA) angeschlossen.
• Terminal Equipment Typ 2 (TE2): Darunter versteht man Endeinrichtungen für das analoge Fernsprechnetz (Telefone, Faxgeräte der Gruppe 3 und herkömmliche Modems), die über einen Terminal Adapter an die S0–Schnittstelle angeschlossenen werden müssen.
• Terminal Adapter (TA): Damit können bei ISDN auch TE2–Geräte genutzt werden. Solche Adapter können analoge Schnittstellen zum Endgerät (so genannte a/b–Schnittstellen) besitzen oder auch digitale Schnittstellen, zum Beispiel zum Anschluss von Endgeräten über V.24 oder X21.

Konfiguration für einen ISDN-Basisanschluss

$\text{Beispiel 1:}$  Die Grafik zeigt eine ISDN–Konfiguration. In der Mitte ist der Terminal–Adapter „TA2a/b Komfort” der Deutschen Telekom dargestellt, der Bestandteil des uni@home–Paketes ist.

Dieser besitzt zwei integrierte a/b–Ports mit drei TAE–Steckbuchsen für analoge Endgeräte:

• Der Port 1 ist universal–codiert; man spricht hier wirklich von „Codierung”, auch wenn diese Steckerbelegung mit einer Codierung im nachrichtentechnischen Sinne nichts zu tun hat. An diesen Port kann man TE2–Endgeräte jeder Art (Telefon, Fax, Modem, usw.) anschließen.
• Der Port 2 besteht aus einer N–codierten (steht für Non–Voice–Geräte) TAE–Buchse wie Fax, Anrufbeantworter, usw. und einer F–codierten Buchse für ein Telefon. Bei Port 2 kann nur jeweils einer der beiden Eingänge aktiv sein.

Allgemeine Beschreibung der S₀–Schnittstelle

Der $\rm S_{\rm 0}$–Bus ist ein hausinterner Bus und stellt die Verbindung zwischen Netzabschlussadapter (NTBA oder NT) und den ISDN–Endgeräten (TE) dar. An maximal zwölf Anschlussdosen lassen sich gleichzeitig bis zu acht Endgeräte anschließen wie zum Beispiel Telefone, Faxgeräte, ISDN–Karten und auch ISDN–Nebenstellenanlagen. Ein solcher ISDN–Mehrgeräteanschluss verfügt über:

• drei Mehrfachrufnummern (Multiple Subscriber Number, MSN) – bis auf zehn erweiterbar,
• zwei Nutzkanäle (B–Kanäle) mit jeweils 64 kbit/s für die verschiedenen Dienste,
• einen Signalisierungs– bzw. Datenkanal mit 16 kbit/s,
• zwölf Anschlussdosen mit bis zu acht angeschlossenen Geräten (aber nur vier Sprach–Endgeräte).

$\rm S_{\rm 0}$–Bus und Anschlussmöglichkeiten

Aus der Grafik erkennt man:

• Von einer vieradrigen Kupferleitung werden zwei Adern (eine Doppelader) für den Transport der Daten vom Endgerät (TE) zum NTBA belegt (Sendeleitung) und die andere Doppelader für den Datentransfer vom NTBA zum TE (Empfangsleitung).
• Beachten Sie bitte, dass in manchen Fachartikeln die Richtung TE → NTBA als Empfangsleitung und die Gegenrichtung NTBA → TE als Sendeleitung bezeichnet wird. Diese gegenüber unserem Tutorial unterschiedliche Beschreibung ergibt sich aus der Sicht des NTBA.
• Der $\rm S_{\rm 0}$–Bus stellt zwei B–Kanäle (B1 und B2) für die Nutzdatenübertragung mit je 64 kBit/s und den D–Kanal mit 16 kbit/s für die Signalisierung beim Verbindungsaufbau und für verschiedene Synchronisationsdaten bereit.
• Daraus ergibt sich für den $\rm S_{\rm 0}$–Bus eine Netto–Übertragungsrate von 144 kbit/s pro Richtung. Die Brutto–Übertragungsrate unter Berücksichtigung von Steuerbits beträgt 192 kbit/s.

Über den $\rm S_{\rm 0}$–Bus können mehrere Endgeräte an den Netzabschluss (Network Termination for ISDN Basic Rate Access, NTBA) parallel angeschlossen werden. Hierbei ist zu beachten:

• Die offenen Leitungsenden müssen mit dem Wellenwiderstand von 100 Ω (reell) terminiert werden, da es sonst zu Reflexionen kommt.
• Der $\rm S_{\rm 0}$–Bus reagiert im allgemeinen tolerant gegenüber Fehlanpassungen, doch sind in diesem Fall gewisse Längenbegrenzungen und Installationsregeln zu beachten.
• Die möglichen Verkabelungsarten für den $\rm S_{\rm 0}$–Bus in der Betriebsart Mehrgeräteanschluss sind in der unteren Grafik dargestellt.

Verkabelungsarten für den $\rm S_{\rm 0}$–Bus

Die übliche Anschlussart ist der kurze passive Bus mit maximal 150 Meter Länge. An diesen können bis zu acht Endgeräte – beliebig verteilt – angeschlossen werden. Auf den Zusatz „passiv” verzichten wir im Folgenden, auch bei den anderen Anschlussarten.

Der erweiterte Bus ist mindestens 100 Meter und höchstens 500 Meter lang. Es können maximal vier Endgeräte angeschlossen werden, allerdings dürfen diese nur innerhalb der letzten 50 Meter vor dem Abschlusswiderstand positioniert sein.

Bei einem Punkt–zu–Punkt–Anschluss kann die Kabellänge bis zu 1000 Meter betragen. Man spricht in diesem Fall von einem langen Bus. Es ist zu beachten, dass bei dieser Länge aber nur ein einziges Endgerät angeschlossen werden kann („Einzelanschluss”).

Nachrichtentechnische Aspekte der S₀–Schnittstelle

Auf dem $\rm S_0$–Bus werden die beiden B–Kanäle und der D–Kanal zusammen mit Synchronisations– und Steuerbits in Rahmen zu je 48 Bit im Zeitmultiplex übertragen. Anwendung findet der modifizierte AMI–Code (der Name steht für Alternate Mark Inversion), der wie folgt charakterisiert werden kann:

• Die logische (binäre) „1” wird durch den Spannungswert $0\ \rm V$ dargestellt und die logische (binäre) „0” abwechselnd mit $+s_0$ bzw. $-s_0$, wie der Vergleich des oberen und des unteren Signalverlaufs in der Grafik von Beispiel 2 zeigt. Bei ISDN ist der Aussteuerbereich $s_0 = 0.75\ \rm V$ festgelegt.
• Die Pseudoternärcodierung stellt sicher, dass der $\rm S_0$–Bus jederzeit gleichspannungsfrei bleibt. Die Redundanz von $1 - 1/\log_2 (3) ≈ 37\%$ wird bei ISDN beispielsweise zur Rahmensynchronisation verwendet, in dem man zur Markierung von Rahmen die AMI–Codierregeln gezielt verletzt.
• Der $\rm S_0$–Bus ist durch die logische UND–Verknüpfung beschreibbar. Das heißt, dass der NTBA nur dann die logische „1” empfängt, wenn alle Endgeräte eine logische „1” – also den Nullpegel – senden. Sendet auch nur ein Gerät die logische „0”, so wird diese auch empfangen.
• Alle Endgeräte beziehen ihren Takt vom NTBA und arbeiten bitsynchron. Das Ruhesignal ist stets der Nullpegel, also die logische „Dauer–Eins”. Da zudem im D–Kanal alle Geräte eine „0” immer mit gleicher Polarität senden, können sich Impulse nicht gegenseitig auslöschen.

$\text{Beispiel 2:}$  Die Grafik verdeutlicht den Unterschied zwischen modifiziertem und herkömmlichem AMI–Code, nämlich die Vertauschung von „0” und „1” beim Binärsignal. Der Grund für diese Vertauschung ist:

AMI–Code und modifizierter AMI–Code

• Beim normalen AMI-Code werden bei einer Sprachpause auch keine Symbole übertragen, oder anders ausgedrückt, über einen längeren Zeitraum nur Impulse mit der Amplitude $0 \ \rm V$ (siehe mittleres Diagramm). Dies erschwert die Taktsynchronierung.
• Beim modifizierten AMI–Code (unteres Diagramm) wechseln sich positive und negative Impulse ab   ⇒   einfache Taktsynchronierung bei „Dauer–Null„. Kritisch ist nun ein „Dauer–Eins„–Signal, was aber bei Sprachübertragung nie (oder nur extrem selten) auftritt.

Diesen Hinweis zur praktischen Bedeutung des modifizierten AMI–Codes erhielten wir von Prof. Peter Richert (FH Münster). Herzlichen Dank!

Rahmenstruktur der S₀–Schnittstelle

Der Rahmenaufbau der $\rm S_0$–Schnittstelle – also der Bus zwischen dem Netzabschluss (NTBA) und der Teilnehmerendeinrichtung (TE) – ist im oberen Teil der folgenden Grafik dargestellt. Der untere Teil zeigt die Rahmenstruktur in der Gegenrichtung (TE → NTBA). Ein jeder Rahmen besteht aus

• je 2 · 8 = 16 Bit für jeden der beiden B–Kanäle (insgesamt 32 Bit),
• 4 Bit für den D–Kanal (grün markiert) und
• weiteren 12 Steuerbits, die für die beiden Übertragungsrichtungen unterschiedlich sind.

$\rm S_0$–Rahmenstruktur

Jeder Rahmen setzt sich somit aus 48 Bit zusammen, die in 250 Mikrosekunden übertragen werden (4000 Rahmen pro Sekunde). Hieraus ergibt sich die Gesamtbruttobitrate von 48 · 4000 = 192 kbit/s.

Die 12 Bit für Steuerinformationen setzen sich wie folgt zusammen:

• A–Bit: Aktivierungsbit (braun markiert),
• E–Bits: Bits für Echo–Kanal (rot markiert),
• F–Bit: Rahmensynchronisationsbit,
• FA–Bit: Zusätzliches Rahmensynchronisationsbit,
• L–Bits: Gleichstrom–Ausgleichbits,
• N–Bit: invertiertes FA–Bit,
• S–Bits: reserviert für zukünftige Anwendungen.

Das Zusammenwirken dieser Steuerbits wird im Beispiel 3 beschrieben. Vorneweg nur soviel:

• Jeder Rahmen ist aus Teilrahmen zusammengesetzt, wobei jeder Teilrahmen – und somit auch der gesamte Rahmen – gleichstromfrei gehalten werden muss. Um dies zu erreichen, verwendet man in jedem Teilrahmen so genannte L–Bits.
• Ein solches L–Bit ist immer dann logisch „0” mit positiver oder negativer Polarität $(±0.75 \ \rm V)$, wenn die Anzahl der Polaritätswechsel nach dem letzten L–Bit ungerade ist. Ist dagegen die Anzahl der Polaritätswechsel gerade, so ist das L–Bit logisch „1”   ⇒   $0 \ \rm V$.

$\text{Beispiel 3:}$  Die folgende Beschreibung der Bitbelegung, die von der Übertragungsrichtung abhängt, basiert auf der obigen Grafik zur $\rm S_0$–Rahmenstruktur. In beiden Richtungen gilt:

• Das erste Bit eines jeden Rahmens ist das Rahmensynchronisationsbit (F–Bit). Dieses ist stets „0” mit positiver Polarität   ⇒   $+0.75 \ \rm V$.
• Danach folgt ein Gleichstrom-Ausgleichsbit (L–Bit: „0” mit negativer Polarität   ⇒   $-0.75 \ \rm V$) zum Verhindern eines Gleichstromanteils.
• Da am Ende des letzten Rahmens ebenfalls ein L–Bit (mit Pegel $+0.75 \ \rm V$) aufgetreten ist, führt das F–Bit des aktuellen Rahmens zu einer absichtlichen Verletzung der AMI–Codierregel (violette Markierung in der Grafik), was zur Rahmensynchronisation genutzt wird.
• Das 14. Bit ist ein zusätzliches Rahmensynchronisationsbit (FA–Bit), das immer auf „0 negativ” $(-0.75 \ \rm V)$ gesetzt ist.
• Da der Teilrahmen zwischen Bit 3 und 13 stets gleichstromfrei ist, erzeugt das FA–Bit (14) zusammen mit dem L–Bit (2) ebenfalls eine beabsichtigte Codeverletzung.
• Diese zweite Codeverletzung bestätigt die vom F–Bit herrührende Codeverletzung. Damit wird vermieden, dass ein Übertragungsfehler fälschlicherweise als Rahmenanfang interpretiert wird.
• Ein Verlust der Rahmensynchronität wird angenommen, wenn innerhalb zweier Rahmen keine Codeverletzungspaare identifiziert werden.
• Die Rahmensynchronisation ist abgeschlossen, wenn drei aufeinander folgende Codeverletzungen erkannt wurden: F – FA – F.

In Senderichtung (untere Grafik) können verschiedene Endgeräte gleichzeitig senden:

• Jedes Gerät muss durch das jeweilige L–Bit nach jedem B–Kanal (Bit 11, 24, 35, 46) und D–Kanal (Bit 13, 26, 37, 48) gleichstromfrei sein.
• Das L–Bit 15 ist immer „0” mit positiver Polarität $(+0.75 \ \rm V)$.

In Empfangsrichtung (obere Grafik) sendet allein der NTBA und somit reicht ein einziges Ausgleichsbit (L–Bit) außer Bit 2 am Ende. Daneben gibt es in dieser Richtung (NTBA → TE) weitere Steuerbits:

• Das dreizehnte Bit ist das Aktivierungsbit (A–Bit). Dieses wird bei Aktivierung auf „0” und bei Deaktivierung auf „1” gesetzt.
• Das N–Bit auf Bitposition 15 folgt stets direkt dem FA–Bit und ist gegenüber diesem invertiert, also auf „1” gesetzt   ⇒   $0 \ \rm V$.
• Die S–Bits S1 und S2 sind für künftige Anwendungen reserviert und derzeit immer auf logisch „0” (mit unterschiedlicher Polarität) gesetzt.
• Die insgesamt vier E–Bits (Bits für den Echo–Kanal) in Empfangsrichtung hängen von den D–Bits der Senderichtung ab. Anhand dieser Bits kann entschieden werden, welche Endgeräte momentan senden dürfen. Hierauf wird auf der nächsten Seite noch im Detail eingegangen.

Kollissionsfreier Zugriff auf den D–Kanal

Abschließend soll gezeigt werden, wie bei ISDN mehreren Endeinrichtungen ein Zugang zum D–Kanal ermöglicht wird, ohne dass es zu Kollisionen kommt, und welche Endeinrichtung Priorität beim Senden hat. Man verwendet für die Blockierung bzw. die Freischaltung des D–Kanals das Verfahren Carrier Sense Multiple Access (CSMA), das in aller Kürze wie folgt beschrieben werden kann:

• In den Datenstrom für die Richtung NTBA → TE wird der so genannte Echo–Kanal eingefügt. Darunter versteht man die Gesamtheit der in der Grafik (auf der vorherigen Seite) rot markierten E–Bits, die jeweils ein zuvor empfangenes D–Bit wieder zurück an die Endgeräte übertragen.
• Ein E–Bit ergibt sich aus der UND–Verknüpfung aller Teilnehmer. Das heißt: Im Echo–Kanal tritt die logische „1” nur dann auf, wenn jeder Teilnehmer eine „1” meldet – also nichts sendet. Eine „0” im Echo–Kanal zeigt an, dass ein Gerät Zugriff auf den D–Kanal hat oder dies zumindest wünscht.
• Jedes Endgerät überprüft durch Mithören auf dem Echo–Kanal, ob der D–Kanal frei oder belegt ist. Dazu wartet das Endgerät auf mindestens $N$ aufeinander folgende logische Einsen $(0 \ \rm V)$ im Echo–Kanal. Bei einer Fernsprecheinrichtung gilt $N = 8$, bei Dateneinrichtungen $N = 10$.
• Nach $N$ Einsen kann man mit genügender Sicherheit von einem freien D–Kanal ausgehen und das Gerät beginnt zu senden. Zur Übertragungssicherung beginnt und endet jede Nutzinformation mit dem Bitmuster „01111110” (Flag) gemäß dem Protokoll der Schicht 2 des OSI–Referenzmodells.

Im Beispiel 4 wird gezeigt, welchem Endgerät Priorität eingeräumt wird, wenn zwei Endeinrichtungen gleichzeitig mit dem Senden beginnen wollen.

D–Kanal–Zugriff und Zusammenspiel mit Echo-Kanal

$\text{Beispiel 4:}$ 

• Zwei Endgeräte TE1 und TE2 wollen gleichzeitig auf den D–Kanal zugreifen. Sie warten beide $N = 8$ aufeinander folgende logische Einsen auf dem Echo–Kanal ab (in der Grafik blau markiert, Zeitmarke $t_1$).
• Danach senden beide – wieder gleichzeitig – ein Flag (grüne Markierung, Zeitmarke $t_2$).
• Zum Zeitpunkt $t_3$ senden nun beide Endgeräte ihre eigentlichen Informationen. Im Echo–Kanal erkennt man eine Kollision nur dann, wenn sich die Bits von TE1 und TE2 unterscheiden.
• Priorität hat dabei die logische „0” gegenüber der logischen „1”. Im Beispiel hat somit TE2 Priorität gegenüber TE1, da das fünfte Bit von TE2 eine „0” ist und das fünfte Bit von TE1 eine „1” (rote Markierungen).
• Somit wird TE1 den Sendebetrieb stoppen. Er kann seine Information erst zum Zeitpunkt $t_7$ absetzen, nachdem TE2 seine Sendung mit einem Flag abschließt $(t_4)$, und damit der D–Kanal ab $t_5$ wieder frei ist.
• Dies überprüft TE1 während der Zeitmarke t5 und sendet danach ( $t_6$ ) wieder ein Flag.

Allgemeine Beschreibung der U_K0–Schnittstelle

Die $\rm U$–Schnittstelle ist nach dem ISO–OSI–Referenzmodell allgemein die Verbindung zwischen dem Netzabschluss (Network Termination for ISDN Basic rate Access, NTBA) und dem Leitungsabschluss (Line Termination, LT) in der Vermittlungsstelle. Beim ISDN–Basisanschluss nennt man diesen Punkt die $\rm U_{K0}$–Schnittstelle und den dazugehörigen Bus den $\rm U_{K0}$–Bus. „K” steht hier für das Übertragungsmedium „Kupfer” und „0” für den Basisanschluss. Der Leitungsabschluss (LT) bildet den übertragungstechnischen Abschluss auf der Netzseite. Dieser übernimmt alle vermittlungs– und betriebstechnischen Aufgaben, die Leitungscodierung, die Übertragungssteuerung, die Fernspeisung sowie Test– und Überwachungsfunktionen.

ISDN–Basisanschluss mit NTBA, $\rm S_{0}$–Bus und $\rm U_{K0}$–Bus

Die Grafik zeigt die $\rm U_{K0}$–Schnittstelle als den Netzzugang für einen Teilnehmer. Diese Schnittstelle (bzw. der zugehörige Bus) zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Der $\rm U_{K0}$–Bus wird durch Zweidrahtübertragung über eine einzige Kupferdoppelader realisiert, wobei Reichweiten von 8 Kilometer (bei 0.6 Millimeter Aderndurchmesser) bzw. von 6 km (bei 0.4 mm Durchmesser) möglich sind.
• Die Bruttodatenübertragungsrate beträgt in beide Richtungen jeweils 160 kbit/s, die sich auf zwei B–Nutzkanäle zu je 64 kbit/s, den D–Kanal mit 16 kbit/s und einen zusätzlichen 16kbit/s–Kanal für Synchronisation und Service verteilen.
• Man benutzt hier im Gegensatz zum $\rm S_0$–Bus (modifizierter AMI–Code) einen Übertragungscode mit weniger Redundanz. In Deutschland und Belgien verwendet man einen 4B3T–Code (siehe nächste Seite), in anderen europäischen Ländern den redundanzfreien Quaternärcode (2B1Q).
• Beim 2B1Q–Code werden jeweils zwei Binärsymbole auf ein Quaternärzeichen abgebildet; die vier möglichen Spannungswerte sind $±2.5 \ \rm V$ und $±0.83 \ \rm V$. Der Vorteil ist die kleinere Symbolrate (Schrittgeschwindigkeit) von 80000 Quaternärsymbolen pro Sekunde (80 kBaud) und damit eine größere Reichweite. Der Nachteil ist, dass Übertragungsfehler wegen der fehlenden Redundanz nicht erkannt werden können und dass der 2B1Q–Code nicht gleichsignalfrei ist.

Nachrichtentechnische Aspekte der U_K0–Schnittstelle

Im ISDN–Netz der Deutschen Telekom wird – ebenso wie in Belgien – für die Übertragung auf dem UK0–Bus der MMS43–Code (Modified Monitored Sum 4B3T) eingesetzt. Dieser Pseudoternärcode wurde bereits in Aufgabe 2.6 des Buches „Digitalsignalübertragung” behandelt. Weitere Informationen finden Sie im Kapitel Blockweise Codierung mit 4B3T-Codes des gleichen Buches. Die Grafik zeigt die vier Codetabellen des MMS43–Codes.

Codetabellen des MMS43–Codes

Im Folgenden sollen nur die wichtigsten Eigenschaften zusammengefasst werden:

• Bei jedem 4B3T–Code werden jeweils vier Bit (4B) durch drei Ternärsymbole (3T) dargestellt, die hier vereinfachend mit „–”, „0” und „+” bezeichnet werden. Diese Symbole stehen für die Signalpegel $–2.5 \ \rm V$, $0 \ \rm V$ und $+2.5\ \rm V$. Der ternäre Entscheider besitzt zwei Schwellenwerte.
• Gegenüber dem Binärcode – und auch gegenüber dem AMI–Code – ist die Schrittgeschwindigkeit (Symbolrate) um $25\%$ kleiner. Das heißt: Die Bitrate $160 \ \rm kbit/s$ führt hier zur Symbolrate $120 \ \rm kBaud$ ($120 \hspace{0.08cm}000$ Ternärsymbole pro Sekunde) und nicht zu $160 \ \rm kBaud$ wie auf dem $\rm S_0$–Bus.
• Die Symbolrate ist zwar größer als beim 2B1Q–Code $(80 \ \rm kBaud)$. Ein wesentlicher Vorteil des redundanten 4B3T–Codes ist jedoch, dass dieser gleichsignalfrei ist. Es kann also nicht über einen längeren Zeitraum ein konstanter Spannungswert $+2.5\ \rm V$ bzw. $-2.5\ \rm V$ auftreten.
• Ein weiteres Kennzeichen des MMS43–Codes ist, dass für die Umsetzung von binär auf ternär vier verschiedene Codetabellen zur Verfügung stehen, die nach der laufenden digitalen Summe $Σ_l$ (der Ternärwerte) ausgewählt werden. Die Grafik zeigt diese Tabellen.
• Sechs der insgesamt 16 Einträge (durch rote Pfeile markiert) sind in allen vier Zeilen gleich und gelten somit unabhängig von der laufenden digitalen Summe (LDS). Diese Ternärfolgen enthalten jeweils ein „+” und ein „–”, so dass der LDS–Wert erhalten bleibt:   $Σ_{l+1} = Σ_l$.
• Betrachten wir nun ein Binärwort mit unterschiedlichen Einträgen: Ist   $Σ_l= 0$, so wird die Binärfolge „0000” durch „+ 0 +” ersetzt und damit LDS um $2$ erhöht. In allen anderen Fällen wird „0 – 0” ausgegeben, wodurch LDS um $1$ vermindert wird.
• Die beiden Zeilen der Tabelle für $Σ_l= 1$ und $Σ_l= 2$ unterscheiden sich nur in zwei Einträgen, die in der Grafik durch blaue Umrahmungen hervorgehoben sind. Nur dadurch unterscheidet sich der MMS43–Code vom herkömmlichen MS43–Code, der mit nur drei Codetabellen auskommt.

Rahmenstruktur der U_K0–Schnittstelle

Jeder Rahmen auf dem $\rm U_{K0}$–Bus setzt sich aus $120$ Ternärsymbolen zusammen und wird in einer Millisekunde übertragen. Daraus resultiert die Symbolrate (Schrittgeschwindigkeit) $120 \ \rm kBaud$.

Rahmenstruktur der $\rm U_{K0}$–Schnittstelle

Die Grafik verdeutlicht die $\rm U_{K0}$–Rahmenstruktur,

• im oberen Teil in der Richtung vom NTBA zur Line Termination (LT) in der Ortsvermittlungsstelle,
• unten in Gegenrichtung, vom LT zum NTBA:.

Man erkennt:

• Die Informationssymbole sind in vier Teilrahmen $\rm T1$, ... , $\rm T4$ zu je 27 Ternärsymbolen eingebettet, die sich nach der 4B3T–Codierung aus 36 Eingangsbit ergeben.
• Diese 36 Bit setzen sich aus je 16 Bit der beiden B–Kanäle $\rm B1$ und $\rm B2$ und vier Bit des $\rm D$–Kanals zusammen, die ineinander verschachtelt werden.
• Weiter gibt es ein aus dem Barker–Code abgeleitetes Synchronisationswort (Sync) mit elf Ternärsymbolen, die für die beiden Richtungen in Position und Inhalt unterschiedlich sind.
• Das Maintenance–Symbol M (rote Markierung) wird aus acht Überrahmen abgeleitet und dient vorwiegend zu Servicezwecken.

Netzabschluss (NTBA)

Ein Netzabschlussgerät für den ISDN–Basisanschluss (englisch: Network Termination for ISDN Basic Rate Access, NTBA)

• verbindet ein hauseigenes ISDN–Endgerät (Terminal Equipment, TE) über die Vermittlungsstelle mit dem übergeordneten Ortsnetz,
• realisiert die Umsetzung vom ISDN–Zugangsnetz, das zweiadrig beim NTBA anliegt, auf die vieradrige Hausanschlussleitung.
• ist eine äußerst wichtige ISDN–Netzkomponente, da er den Übergang zwischen zwei verschiedenen Bussystemen ($\rm S_0$–Bus und $\rm U_{K0}$–Bus) ermöglicht.

[[File: P_ID1506__Bei_T_1_2_S10a_v1.png|center|frame|Netzabschlussgerät (NTBA) als Verbindung zwischen S0- und UK0-Bus]]

Im Allgemeinen setzt sich der NTBA aus zwei Teilen zusammen, die NT1 und NT2 genannt werden. Die Aufgaben des unabdingbaren Netzabschlusses NT1 sind:

• die Umsetzung von Zweidraht– auf Vierdrahtleitung (und umgekehrt) sowie die Codeumsetzung zwischen 4B3T–Code ( $\rm U_{K0}$ ) und AMI–Code ( $\rm S_0$ ),
• die Stromversorgung für den $S_0$–Bus (230 V, maximal 4.5 W Leistungsabgabe), wobei der NT1 im Normalbetrieb von der Vermittlungsstelle über die $\rm U_{K0}$–Schnittstelle gespeist wird,
• die Stromversorgung von bis zu vier Endgeräten der $S_0$–Schnittstelle im Notbetrieb, wobei in diesem Fall der NT1 an eine sichere Stromversorgung angeschlossen werden muss,
• die Ausführung aller Betriebsfunktionen; hierzu gehören unter anderem das Erkennen von Rahmenfehlern und die Durchführung von Tests und so genannten Schleifenbildungen.

Der optionale NT2 wird nur gebraucht, wenn hinter dem Netzabschluss eine Nebenstellenanlage angeschlossen werden soll. Im Netz der Deutschen Telekom lassen sich bis zu acht Endgeräte (maximal vier ISDN–Telefone) über den passiven $\rm S_0$–Bus anschließen. In diesem Fall kann auf den NT2 verzichtet werden; der NTBA besteht dann nur aus dem NT1.

Richtungstrennungsverfahren

Wegen seiner Übertragungseigenschaften (große Übertragungsreichweite, geringe Bandbreite) wird auf dem $\rm U_{K0}$–Bus das so genannte Vollduplex–Frequenzgleichlageverfahren angewandt, das heißt, dass die Signale in Sende– und Empfangsrichtung über eine Zweidrahtleitung zur gleichen Zeit und im gleichen Frequenzbereich übertragen werden.

Richtungstrennungsverfahren

Die Signale der Sende– und Empfangsrichtung werden mit Hilfe einer Gabelschaltung voneinander getrennt, wie in der Grafik dargestellt ist. Die Realisierung wird auf der nächsten Seite im Detail erklärt. Hier nur eine kurze Erläuterung der Arbeitsweise am Beispiel von Teilnehmer A:

• Beim Empfänger A sollte nur das Signal $r_{\text{A}}(t)$ ankommen, das ohne Störungen, Verzerrungen und Echos gleich dem Sendesignal $s_{\text{B}}(t)$ von Teilnehmer B wäre (rot eingezeichnete Komponente).
• Dem überlagert sich aber nun das Signal $s_{\text{A'}}(t)$, das über die Gabelschaltung vom eigenen Sender an den Empfänger gelangt. Dies ist durch den blauen Pfeil angedeutet.
• Aufgabe der Gabelschaltung ist es nun, diesen Anteil $s_{\text{A'}}(t)$ des Empfangssignals möglichst gering zu halten. Dies gelingt bei schmalbandigem Sendesignal – zum Beispiel Sprache – im Allgemeinen sehr gut, nicht jedoch für ein Breitbandsignal.

In diesem Fall muss zusätzlich das Echokompensationsverfahren angewandt werden (siehe grün hinterlegte Blöcke in obiger Grafik). Dessen Funktionsweise lässt sich in aller Kürze wie folgt darstellen:

• Der Sender gibt regelmäßig Testsignale ab und misst das jeweils ankommende Signal, das zum einen über die Gabelschaltung, zum anderen aber auch durch Nahnebensprechen an den eigenen Empfänger gelangt.
• Aus der ermittelten Echo–Impulsantwort berechnet der Echokompensator das erwartete Echo im Normalbetrieb des eigenen Senders und subtrahiert dieses vom Empfangssignal.
• Der Echokompensator lässt sich zum Beispiel durch ein Transversalfilter realisieren, dessen Filterkoeffizienten von einem Prozessor eingestellt und nachgeregelt werden.

Die Grafik zeigt eine gängige Realisierung der Gabelschaltung. Man erkennt

• links die Sende– und Empfangsleitung der $\rm S_0$–Schnittstelle, und
• rechts den Zweidrahtanschluss der bidirektionalen $\rm U_{K0}$–Schnittstelle.

Realisierung der Gabelschaltung

Die Aufgabe der Gabelschaltung ist es, das (blaue) Sendesignal $s_{\text{A}}(t)$ von der $\rm S_0$– auf die $\rm U_{K0}$–Seite durchzuschalten und das (rote) Empfangssignal $r_{\text{A}}(t)$ in die Gegenrichtung. Dabei ist darauf zu achten, dass der $\rm S_0$–Empfänger möglichst vollständig vom $\rm S_0$–Sender entkoppelt ist. Das heißt, dass der grau hinterlegte Signalanteil $s_{\text{A'}}(t)$ auf der Empfangsleitung verschwinden oder zumindest sehr klein sein sollte. Diese Schaltung funktioniert in der folgenden Weise:

• Gilt für die Brückenschaltung $Z_1/Z_N(f) = Z_2/Z_L(f)$, so ist $s_{\text{A'}}(t)$ = 0. Hierbei bezeichnen $Z_1$ und $Z_2$ reelle Widerstände. $Z_L(f)$ und $Z_N(f)$ sind komplex und damit frequenzabhängig.
• $Z_L(f)$ ist der Eingangswiderstand der über den Übertrager angekoppelten Kupferleitung des ISDN–Zugangsnetzes und $Z_N(f)$ die künstliche Leitungsnachbildung in der Gabelschaltung.
• Bei Schmalbandsignalen gelingt die Nachbildung von $Z_L(f)$ durch $Z_N(f)$ relativ gut, so dass $s_{\text{A'}}(t)$ bereits durch die Gabelschaltung hinreichend klein gemacht werden kann.
• Dagegen ist dies bei breitbandigen Signalen nicht für den gesamten Frequenzbereich möglich. Hier muss zusätzlich die auf der letzten Seite beschriebene Echokompensation angewandt werden.

Hierarchie von Vermittlungsstellen

Eine Vermittlungsstelle (englisch: Exchange) stellt die Vermittlungstechnik für das Fernsprechnetz und für den logischen und physikalischen Verbindungsprozess zwischen den Teilnehmeranschlussleitungen her. Im Fernsprechnetz der Deutschen Telekom hat man bis vor wenigen Jahren zwischen mehreren Hierarchiestufen unterschieden:

• Die Ortsvermittlungsstellen (OVSt) bilden die unterste Ebene. Eine OVSt – neuerdings DIVO (Digitale Vermittlungsstelle Ort) genannt – verwaltet bis zu 100 000 Teilnehmer und erfüllt alle vermittlungstechnischen Funktionen innerhalb eines Ortsnetzes und den Einstieg in das Fernnetz.
• Darüber liegen sog. Knotenvermittlungsstellen (KVSt), die untereinander vermascht und mit verschiedenen Hauptvermittlungsstellen verbunden sind. Im Gebiet der Deutschen Telekom gibt es ca. 620 Knotenvermittlungsstellen.
• Die nächste Hierarchiestufe bilden die Hauptvermittlungsstellen (HVSt), von denen es in der Bundesrepublik Deutschland etwa 50 gibt. Auch diese sind untereinander und mit der darüber liegenden Hierarchieebene (ZVSt) verbunden.
• Die Zentralvermittlungsstellen (ZVSt) ergeben die oberste Hierarchiestufe des Fernnetzes und versorgen große regionale Gebiete, zum Beispiel die Rufnummern 02... in Nordrhein–Westfalen oder 07... in Baden–Württemberg. Jede ZVSt ist auch mit einer Auslandsvermittlungstelle (DIVA, Digitale Vermittlungsstelle Ausland) verbunden.

Hierarchischer Aufbau von Vermittlungsstellen

Die Grafik fasst diesen hierarchischen Aufbau zusammen. Hierbei sind die Aufgaben der KVSt, HVST und ZVSt zur Fernvermittlungsstelle (DIVF, Digitale Vermittlungsstelle Fern) zusammengefasst. Bei größeren Städten ist eine etwas veränderte Strukturierung gegeben. Eine Ortsvermittlungsstelle (OVSt) realisiert den Referenzpunkt V des ISDN–Netzes (siehe Grafik auf der ersten Seite dieses Abschnitts). Sie wird zum Teilnehmer hin (Ende der UK0–Schnittstelle) durch den Leitungsabschluss (LT: Line Termination) einer Kupfer–Doppelader begrenzt. Die zweite Begrenzung ist der Vermittlungsabschluss (ET: Exchange Termination) zum darüberliegenden Fernnetz.