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Broadband ISDN
Broadband ISDN – usually abbreviated as B–ISDN – was a further development of ISDN. The aim of this further development from 1996 was to enable new communications services with higher bandwidths in addition to the services and applications of narrowband ISDN. B-ISDN supports, for example, audiovisual services and multimedia applications such as video transmission, videophone and videoconferencing with transmission rates of up to a maximum of 155 Mbps.
To achieve such a large transmission rate, B-ISDN uses the following new technologies:
- Instead of copper cables, optical fibers are used, which enable greater bandwidths and ranges due to their low attenuation. The advantages of fiber optic technology are summarized in the next section.
- ATM technology (Asynchronous Transfer Mode) is used to transmit and switch the information. The last section explains this transmission technology for broadband ISDN.
- The local and long-distance exchanges are specially designed for these large bandwidths.
The graphic shows
- below an ISDN network with two B channels (narrowband ISDN) via a copper twisted pair (Co–TP),
- compared with broadband ISDN (B-ISDN) via optical fiber (FOC, fiber optic cable) at the top.
Signaling takes place via another copper twisted pair (in the center).
Broadband ISDN failed to achieve great commercial success because this technology was very expensive and sufficient bandwidths could also be achieved with "DSL" (Digital Subscriber Line).
- The high costs are related to the fact that the optical fiber must be laid all the way to the subscriber.
- However, larger (and therefore less flexible) companies and public authorities still use B-ISDN in some cases today, with data rates of up to 622 Mbit/s being achieved after further modifications.
Fiber optic technology
The transmission media used for B-ISDN were fiber optic cables (FOC), often also referred to in simplified terms as "optical fibers". Since the first attempts in the 1970s, optical transmission technology has made enormous progress and offers many advantages over electrical transmission:
- In a fiber optic cable, signal propagation occurs through a guided electromagnetic field and there are no currents or voltages as in copper cables. A fiber optic cable is therefore "insensitive to electromagnetic noise" and is also much lighter than a copper cable.
- The signal attenuation of an optical fiber is significantly lower than that of a copper cable. At the "attenuation minimum" at the wavelength $λ = 1.55 \ µ{\rm m}$, a value of $\text{0.2 dB/km}$ is reached. For comparison: For a copper cable with a diameter of 0.4 mm, the attenuation value for a DC signal is about $\text{5 dB/km}$ and for a megahertz about $\text{20 dB/km}$ – see section "Attenuation behavior of copper cables".
- Today (2018), optical fibers can achieve transmission rates of $\text{100 Gbit/s}$ and – with intermediate optical amplifiers – distances of several $\text{1000 km}$ and more. Intermediate regenerators are now only used in exchanges, as the routing of data is still largely electronic.
- Current optical transmission systems transport data rates of $\text{100 Gbit/s}$ over a distance of several $\text{1000 km}$ at a single wavelength. There are already (2018) systems commercially available at $\text{400 Gbit/s}$, but using multiple wavelengths.
- Optical Wavelength Division Multiplex (WDM) allows a large number of channels to be transmitted in parallel. In 2017, a total data rate of $\text{70.4 terabits/s}$ was thus achieved via a transatlantic submarine cable $\rm (1 \ terabit = 10^{12} \ bits)$.
- Nowadays, fiber is mainly used between exchanges, while existing copper lines continue to be used between subscribers and exchanges for cost reasons. In the longer term, however, there will certainly be Fiber–to–the–Home (FttH).
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).
UG2–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.
- 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 $\text{4096 kbit/s}$ 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 so genannten ATM–Technik ('Asynchronous Transfer Mode). Gegenüber PCM 30 bietet ATM folgende Vorteile für Breitbanddienste und –Anwendungen:
- 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
