ISDN Primary Multiplex Connection

$\text{Preliminary remark:}$ 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, namely a telecommunications system, abbreviated to TC system in the following.

There were many reasons for using a system connection:

Companies, government agencies or hospitals often need a central number and a block of extension numbers. Most often, the extension number of the central office is "0".
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.
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".

ISDN primary rate interface

Larger companies usually work with a primary rate interface (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:

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

Some general information about the primary rate interface follows:

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.
The telephone system is connected to the local exchange via the network termination equipment NTPM (Network Termination for Primary Rate Multiplex Access).
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.
Man bezeichnet den Referenzpunkt $\rm U$ zwischen Netzabschluss und Ortsvermittlungsstelle beim Primärmultiplexanschluss mit $\rm U_{K2}$, wenn ein Kupferkabel $\rm (K)$ verwendet wird; die $\rm (2)$ steht für die Übertragungsrate 2 Mbit/s. Bei einem Glasfaseranschluss nennt man diesen Punkt $\rm U_{G2}$.
Entsprechend wird die Verbindung zwischen dem Netzabschluss und der TK–Anlage allgemein als die $\rm S_{2M}$–Schnittstelle bezeichnet. Technisch besteht allerdings kein großer Unterschied zwischen der $\rm U_{K2}$– und der $\rm S_{2M}$–Schnittstelle.

Rahmenstruktur von S_2M– und U_K2–Schnittstelle

Die $\rm S_{2M}$–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 $\rm S_{2M}$–Schnittstelle nicht als Bus ausgelegt wie die $\rm S_{0}$–Schnittstelle beim Basisanschluss, und daher ist hier auch kein Kollisionserkennungsverfahren erforderlich.

Rahmenstruktur der $\rm S_{2M}$–Schnittstelle

Die Grafik zeigt die Rahmenstruktur der $\rm S_{2M}$–Schnittstelle. Man erkennt:

Im Zeitmultiplex wird alle 125 Mikrosekunden ein TDMA–Rahmen übertragen. Jeder der 32 Kanäle belegt den TDMA–Rahmen aber nur für die Dauer von $125\ \rm µs/32 = 3.906 \ \rm µs$.
Pro Kanal und TDMA–Rahmen werden acht Bit übertragen; die Bitdauer ist $T_\text{B} = 3.906 \ \rm µs/8 = 0.488 \ \rm µs$. Deren Kehrwert ergibt die Brutto–Datenrate $R_\text{B} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.048 \ \rm Mbit/s}$.
Die Kanäle 1 bis 15 sowie 17 bis 31 stellen die Nutzkanäle ($\rm B$–Kanäle) dar, die alle mit $64 \ \rm kbit/s$ unabhängig voneinander betrieben werden. Der Kanal 16 ($\rm D$–Kanal, in der Grafik rot markiert) sorgt für die Steuerung dieser B–Kanäle und der gesamten Telefonanlage.
Der Kanal 0 (Synchronisationskanal, blau markiert) dient bei ungeradem Rahmen (mit Nummer $1, 3, 5,$ ...) zur Rahmenerkennung, während die geraden Rahmen ($2, 4, 6,$ ...) für Wartungszwecke und für die Fehlerbehandlung genutzt werden. Beides geschieht mit Hilfe des $\rm CRC4$–Verfahrens, das auf der nächsten Seite genauer beschrieben wird.

Die $\rm U_{K2}$–Schnittstelle weist genau gleiche Eigenschaften wie die $\rm S_{2M}$–Schnittstelle auf und besitzt damit auch die gleiche Rahmenstruktur.

Rahmensynchronisation

Die Synchronisation ist beim Primärmultiplexanschluss jeweils im Synchronisierungskanal (Kanal 0) eines Rahmens realisiert. Man verwendet dafür den Cyclic Redundancy Check $\rm (CRC4)$, der in aller Kürze wie folgt dargestellt werden kann:

Der Kanal 0 eines jeden ungeraden Zeitrahmens (Nummer 1, 3, ... , 15) überträgt das so genannte Rahmenkennwort (RKW), während jeder gerade Rahmen (Nummer 2, 4, ... , 16) von Kanal 0 das Meldewort (MW) beinhaltet.
Anhand des Rahmenkennworts mit dem festen Bitmuster "$\rm X001\hspace{0.08cm} 1011$" wird die Synchronisation zwischen der Sende– und der Empfangsrichtung hergestellt. Das erste Bit $\rm X ∈ {0, 1}$ wird dabei durch das CRC4–Verfahren bestimmt.
Das Meldewort lautet "$\rm X1DN\hspace{0.08cm} YYYY$". Über das D–Bit und N–Bit werden Fehlermeldungen signalisiert. Die vier $\rm Y$–Bits sind für Service–Funktionen reserviert. Das $\rm X$–Bit wird wieder durch das CRC4–Verfahren gewonnen.
Man benötigt für das CRC4–Verfahren 16 $\rm X$–Bits und damit 16 aufeinander folgende Pulsrahmen, die in zwei Mehrfachrahmen aufgeteilt werden. Die Länge eines Mehrfachrahmens ist deshalb $8 · 256 = 2048$ Bit und die Zeitdauer beträgt $8 · 0.125 = 1$ Millisekunde.
Die CRC4–Prüfsumme wird als Folge von vier Bit $(\rm C0$, ... , $\rm C3)$ in jedem Mehrfachrahmen gebildet und liefert das jeweils erste Bit $\rm (X)$ für vier aufeinander folgende Rahmenkennworte.

Die Tabelle zeigt die jeweilige Rahmenbelegung des Synchronisierungskanals 0 für einen Zyklus des CRC4–Verfahrens.

Rahmenbelegung des Synchronisierungskanals

$\text{Beispiel 2:}$ Die Vorgehensweise beim CRC4–Verfahren soll an einem Beispiel erklärt werden, wobei vom Generatorpolynom

$$D^4 + D + 1$$

ausgegangen wird. In der Binärdarstellung lautet dieses: $10011$.

Beispiel für das CRC4–Verfahren

Die Grafik zeigt die Gewinnung der CRC4–Prüfsumme (links) und deren Auswertung beim Empfänger (rechts). Man erkennt:

Die CRC4–Prüfsumme am Sender ergibt sich als der Rest der Division eines Datenblocks mit insgesamt zwölf Bit (acht Nutzbit, im Beispiel $1000\hspace{0.05cm} 1100$, an die $0000$ angehängt wird) durch das Generatorpolynom in Binärdarstellung $(10011)$. In Polynomschreibweise ergibt sich der Rest der Division $(D^{11} + D^7 + D^6 ) : ( D^4 + D + 1)$ zu $R(D) = D^3 + 1$ ⇒ binär $1001$.
Die Division wird durch eine Modulo–2–Addition (bitweise XOR–Verknüpfung) realisiert. Im Beispiel liefert die Division den Rest $1001$. Diese vier Bit $(\rm C0$, ... , $\rm C3)$ der CRC–Prüfsumme werden dann in verschiedenen Rahmen des Synchronisierungskanals zum Empfänger übertragen (siehe Rahmenbelegung in obiger Grafik).
Nachdem der Empfänger diese zwölf Bit (Datenblock und CRC4–Prüfsumme) empfangen hat, teilt dieser dieses 12–stellige Binärwort ebenfalls durch das Generatorpolynom. Im Beispiel ergibt diese Division $1000\hspace{0.05cm} 1100\hspace{0.05cm} 1001$ geteilt durch $10011$ 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

Beim ISDN–Primärmultiplexanschluss wird auf der $\rm S_{2M}$– und auch auf der $\rm U_{K2}$–Schnittstelle jeweils der so genannte HDB3–Leitungscode (High Density Bipolar 3ary) verwendet. Gegenüber dem modifizierten AMI–Code auf der $\rm S_{0}$–Schnittstelle des Basisanschlusses

wird das Auftreten von langen Nullfolgen vermieden und dadurch
dem Empfänger eine sicherere Taktrückgewinnung und Synchronisation ermöglicht.

AMI–Code und HDB3–Code

Die HDB3–Leitungscodierung funktioniert wie folgt:

Wie beim AMI–Code wird jeder binären „0” der Signalpegel $\rm 0\hspace{0.09cm} V$ zugeordnet, während die binäre „1” alternierend durch die Werte $+s_0$ und $–s_0$ dargestellt wird.
Treten im AMI–codierten Signal vier aufeinander folgende „0”–Bits auf, so werden diese durch eine Folge von vier anderen Bits ersetzt, welche die AMI–Codierregel verletzen.
Ist wie in obiger Grafik die Anzahl der Einsen gerade oder Null und der letzte Puls vor diesen vier Bits negativ, so wird „0 0 0 0” durch die Folge „+ 0 0 +” ersetzt. Wäre dagegen der letzte Puls vor diesen vier Bits positiv, so würde „0 0 0 0” durch „– 0 0 –” ersetzt.
Bei ungerader Anzahl von Einsen vor diesem „0 0 0 0”–Block würden dagegen „0 0 0 +” (falls letzter Puls positiv) oder „0 0 0 –” (falls letzter Puls negativ) als Ersetzungen gewählt. Die Gleichstromfreiheit bleibt durch diese Maßnahmen erhalten.
In allen vier Fällen kann der Decoder die Verletzung der AMI–Regel erkennen und diesen Block wieder durch „0 0 0 0” ersetzen.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 1.5: HDB3–Codierung

Aufgabe 1.6: Cyclic Redundancy Check (CRC4)