General Description of ISDN

1. Examples of Communication Systems
2. ISDN – Integrated Services Digital Network
3. General Description of ISDN

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# OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER #

$\rm I$ntegrated $\rm S$ervices $\rm D$igital $\rm N$etwork – ISDN for short – was the first unified digital network for voice, text, data, images, video and multimedia communications.

ISDN was introduced in the late 1980s and had about 25 million users in Germany in 2004. Compared with the analog telecommunications processes that were common before, ISDN has

• offered many new or enhanced services,
• faster transmission,
• better voice quality, and
• an easier use of multiple devices.

The ISDN concept and implementation are presented and explained in this chapter, and in particular are covered:

• a general description of ISDN,
• the services and service features of ISDN,
• the ISDN network infrastructure and the different types of connection,
• the logical channels and interfaces of ISDN,
• the most important transmission codes of ISDN, and
• broadband ISDN as a further development.

At the time of the last revision of this book (2017), however, it should not be kept secret that ISDN will no longer have much of a future in Germany either – in other countries it never had the significance it has here.

• Deutsche Telekom has announced that ISDN will be switched off in 2018 and replaced by the  Next Generation Network  (NGN) with packet-switched network infrastructure.
• Vodafone will follow this example by 2022 at the latest.

Goals and features of ISDN

The  $\rm ISDN$  (Integrated Services Digital Network)  standard, established since the late 1980s, is a service-integrated digital communications network with the aim,

• to digitize the analog signal transmission over telephone lines that had been common until then, thereby achieving better voice quality,
• to continue using the network infrastructure available for analog signal transmission – in particular the copper cables laid at great expense over many years,
• integrate different sources of information such as voice, text, data and video, as well as the emerging multimedia communications, into a single network,
• to enable different telecommunication services such as telephoning, faxing, Internet surfing and much more to be provided simultaneously over the existing network of lines,
• to keep the number of lines required as low as possible without compromising the quality of the transmission, and finally
• to provide a data rate of  $\text{64 kbit/s}$,  which was also considered sufficient for data traffic when ISDN was introduced.

A distinction is made with ISDN between

• the  "ISDN basic access"  with two so-called  B channels  (Bearer Channels)  with  $\text{64 kbit/s}$  each and a  D channel  (Data Channel) with  $\text{16 kbit/s}$, and
• the  "ISDN primary multiplex connection"  with thirty  B channels and one signaling and one synchronization channel, each at  $\text{64 kbit/s}$.

By bundling two channels, the data rate could be increased to  $\text{128 kbit/s}$. 

• Since the introduction of ISDN in March 1989, the quality of voice transmission and the bit error rate during data transmission have also been steadily improved.
• The ATM-based  "broadband ISDN"  (B–ISDN) standardized in 1994 also allows significantly higher data rates.

Services and service features of ISDN

The available ISDN services can be divided into two groups:

Bearer services and teleservices with ISDN

Bearer services are used to transport information and ensure data transmission and switching between the access interfaces of the network. This corresponds to definitions in the first three layers of the  "OSI reference model":

•  $\rm PL$  (Physical Layer),
•  $\rm DL$  (Data Link Layer), and
•  $\rm NL$  (Network Layer).

Bearer services include

• circuit-switched services, for example

data transmission with 64 kbit/s (on the S0 bus or via the X21 terminal adapter) and audio transmission (voice and music up to 3400 Hz) as in the analog telephone network,

• packet-switched services – for example, access to the packet network in the B channel.

Tele services also include terminal equipment. They are therefore end-to-end services. They include

• switching functions and protocols in layers 1 to 3, and
• functions for controlling communication processes in layers 4 to 7 of the OSI reference model.

The most important tele services are:

• ISDN telephony  with a bandwidth of 3.1 kHz or 7 kHz (with B–ISDN) – also with transitions to the analog fixed network and to radio networks,
• ISDN teletext  with 64 kbit/s and transitions to telebox services (mailbox), T-Online services and Datex L/P services,
• ISDN telefax, e.g. group 4 telecopier with transitions to group 3,
• ISDN–mixed mode, which is understood to mean mixed, simultaneous data transmission of texts and images,
• ISDN T–Online  with 64 kbit/s and transitions to T-Online in the analog telephone network as well as to group 3 and 4 telefax,
• Video telephony  – in practice, however, only possible as slow moving image transmission,
• data communications  using standardized protocols, such as file transfer with FTAM (comparable, but technically not identical, to the Internet service FTP).

$\text{Conclusion:}$    Service features  as subsets of a service can be divided into three categories:

1. Access service features:   Dial-up or fixed connection, line or packet switching, and terminal selection on the S0 bus,
2. Connection service features:   fast connection setup or conference connection,
3. Information service feature:  event information, identification of other subscribers, display of charges and tariffs.

Network infrastructure for ISDN

ISDN, which was developed in the early 1980s, was intended to use the existing analog telephone network for cost reasons. The greatest cost factor of the entire infrastructure is the subscriber line area between the local exchange (OVSt) or a main distribution frame (HVt) and the subscribers, as the network branches out to the maximum in this area. In Germany, this so-called "last mile" is shorter than 4 kilometers on average, and in urban areas 90% of the time it is even shorter than 2.8 kilometers.

Aufgrund der topologischen Gegebenheiten verzweigt sich das Telefonnetz sternförmig zum Endkunden hin immer mehr. Um nicht für jeden Teilnehmer ein separates Kupferkabel zur Ortsvermittlungsstelle legen zu müssen, wurden Verzweiger zwischengeschaltet und die Leitungen in entsprechend großen Kabeln gebündelt.

Struktur des Teilnehmeranschlussbereichs

Der  Teilnehmeranschlussbereich  setzt sich deshalb meist wie folgt zusammen:

• das  Hauptkabel  mit bis zu 2000 Doppeladern zwischen Ortsvermittlungsstelle (OVSt) bzw. dem Hauptverteiler und einem Kabelverzweiger (KVZ),
• das  Verzweigungskabel  zwischen KVZ und Endverzweiger (EVZ) mit bis zu 300 Doppeladern und mit maximal 500 Meter deutlich kürzer als ein Hauptkabel,
• das  Hausanschlusskabel  zwischen Endverzweiger und der Netzabschlussdose beim Teilnehmer mit zwei Doppeladern.

Hauptbündel, Grundbündel und Sternvierer

Um die induktiven und kapazitiven Beeinflussungen von benachbarten Leitungspaaren zu vermindern und damit die Packungsdichte zu erhöhen, werden zwei Doppeladern jeweils zu einem so genannten  Sternvierer  verseilt.

Die Abbildung zeigt einen solchen Sternvierer und ein Bündelkabel. Im dargestellten Beispiel werden

• je fünf solcher Vierer zu einem Grundbündel, und
• je fünf Grundbündel zu einem Hauptbündel zusammengefasst. Das Kabel beinhaltet 50 Doppeladern mit PE–Isolierung.

Dämpfungsverhalten von Kupferkabeln

Im Bereich der Deutschen Bundespost  (heute: Deutsche Telekom)  wurden in der Vergangenheit Kupfer–Zweidrahtleitungen – in Netzplänen meist mit „Cu” bezeichnet – mit Aderndurchmessern von 0.35 mm, 0.4 mm und 0.5 mm verlegt.

• Im Kapitel "Eigenschaften elektrischer Leitungen" des Buches  Lineare zeitinvariante Systeme  werden die elektrischen Eigenschaften von Kupferleitungen im Detail beschrieben.
• Hier beschränken wir uns auf einige wenige Eigenschaften, die im Hinblick auf ihre Verwendung bei ISDN von Interesse sind.

Dämpfungsverlauf einer 0.4mm-Zweidrahtleitung

Alle folgenden Aussagen beziehen sich auf Leitungen mit 0.4 mm Durchmesser.

Für diese wurden zum Beispiel in  [PW95]  folgender empirisch gefundener Dämpfungs– und Phasenverlauf angegeben, wobei  $l$  die Leitungslänge bezeichnet:

$${a_{\rm K}(f)}/{ {\rm dB}} = \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left ({f}/{ {\rm MHz}}\right )^{0.59}\right ]\cdot{l}/{ {\rm km}} \hspace{0.05cm},$$

$${b_{\rm K}(f)}/{ {\rm rad}} = \left [ 32.9 \cdot \frac{f}{ {\rm MHz}} + 2.26 \cdot \left ({f}/{ {\rm MHz}}\right )^{0.5}\right ]\cdot{l}/{ {\rm km}} \hspace{0.05cm}.$$

Mit dem interaktiven Applet  Dämpfung von Kupferkabeln  können Sie sich den Dämpfungsverlauf von symmetrischen Leitungen und Koaxialkabeln mit unterschiedlichen Abmessungen ansehen und mit einem weiteren Applet das  Zeitverhalten von Kupferkabeln.
In der Grafik ist für die Leitungslängen  $l = 1 \ \rm km$,  $l = 2 \ \rm km$  und  $l = 4 \ \rm km$  bei  $\text{0.4 mm}$  Leitungsdurchmesser der Dämpfungsverlauf im Frequenzbereich bis  $1 \ \rm MHz$  dargestellt. Man erkennt aus diesem Diagramm:

• Die Dämpfungsfunktion  $a_{\rm K}(f)$  liegt für einen Kilometer Kabellänge zwischen  $5.1 \ \rm dB$  $($bei $f = 0)$  und  $19.4 \ \rm dB$  $($bei  $f = 1 \ \rm MHz)$  und ist proportional zur Kabellänge. Bei  $l = 4 \ \rm km$  vervierfachen sich diese Werte.
• Kabel mit  $4 \ \rm km$  Länge treten bei ISDN höchstens auf dem  $\rm U_{\rm K0}$–Bus auf, also auf der Verbindung zwischen Ortsvermittlungsstelle und Endverzweiger. Aufgrund der 4B3T–Codierung beträgt hier die Symbolfolgefrequenz nur  $120 \ \rm kHz$.
• In der Grafik ist dieser ISDN–relevante Bereich gelb hinterlegt. Bei  $f = 120 \ \rm kHz$  und  $l = 4 \ \rm km$  beträgt die Dämpfung ca.  $37 \ \rm dB$, ist also im Vergleich zum breitbandigen  DSL  (Digital Subscriber Line)  eher moderat. Das bedeutet:   Für ISDN ist die Kabeldämpfung unkritisch.
• Der obige Dämpfungsverlauf gilt nur für das Übertragungsmedium „Zweidrahtleitung”. Im ISDN–Zugangsnetz gibt es aber daneben auch Übertrager mit der Konsequenz, dass darüber Gleichsignalanteile nicht übertragen werden können.
• Für das ISDN–System bedeutet diese Tatsache, dass im Zugangsnetz  (auf dem  $\rm U_{\rm K0}$–Bus)  durch eine Leitungscodierung – genauer gesagt durch den  4B3T–Code  – die Gleichsignalfreiheit des Sendesignals gewährleistet werden muss.
• Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass bei Zweidrahtleitungen in Kabelbündeln das  Nebensprechen von benachbarten Adern  die dominante Störquelle darstellt und nicht etwa das thermische Rauschen wie bei einem Koaxialkabelsystem.
• Deshalb kann hier die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nicht durch eine Erhöhung der Sendeleistung abgesenkt werden, da man durch einen höheren Pegel das Störsignal (für andere Doppeladern) in gleicher Weise verstärken würde wie das Nutzsignal.
• Von den Nebensprechstörungen ist  Nahnebensprechen  kritischer als Fernnebensprechen. Nahnebensprechen ergibt sich, wenn zwei benachbarte Doppeladern in unterschiedliche Richtung betrieben werden, so dass der gestörte Empfänger örtlich nahe beim störenden Sender liegt. Dagegen wird bei Fernnebensprechen die induzierte Störleistung durch die Kabeldämpfung merklich abgeschwächt und hat so geringere Auswirkungen.

Four-wire and two-wire transmission

Eine Kommunikationsverbindung arbeitet meist – so auch bei ISDN – im  Vollduplexbetrieb, das heißt, die beiden Kommunikationspartner senden kontinuierlich und unabhängig voneinander.

• Um diese Betriebsart zu gewährleisten, sind verschiedene Varianten möglich, die in der Grafik dargestellt sind.
• Die Sende– und Empfangseinrichtung beim Kunden  $($Teilnehmer  $\rm A)$  wird als Network Termination  (NT) bezeichnet,
• die entsprechende Gegenstelle in der Ortsvermittlungsstelle heißt Line Termination (LT).

Vierdraht- und Zweidrahtübertragung

Es gibt zwei Möglichkeiten für einen solchen Vollduplexbetrieb:

• Man kann die Kommunikation von  $\rm A$  →  $\rm B$  und die Gegenrichtung von  $\rm B$  →  $\rm A$  über getrennte Leitungen realisieren. Eine solche Vierdrahtübertragung wird bei ISDN im Hausanschlussbereich – dem sogenannen  $\rm S_{\rm 0}$–Bus – angewendet, wobei für jede Richtung eine Doppelader zur Verfügung gestellt wird.
• Ökonomischer ist die gemeinsame Nutzung einer Doppelader für beide Richtungen – also die so genannte  Zweidrahtübertragung. Diese wird bei ISDN im Zugangsnetz – auf dem  $\rm U_{\rm K0}$–Bus – angewendet. Da für beide Richtungen der gleiche Frequenzbereich benutzt wird, spricht man auch vom  Zweidraht–Frequenzgleichlageverfahren.

$\text{Fazit:}$ 

• Bei der  Vierdrahtübertragung  kann es über die ersten Meter der Leitung durch induktive oder kapazitive Kopplungen zu Nahnebensprechen (siehe vorherige Seite) kommen, das heißt, der Sender stört den eigenen Empfänger.

• Bei der  Zweidrahtvariante  ist die interne Reflexion des Sendesignals in den (eigenen) Empfänger die dominante Störungsursache, die bei schmalbandigen Sendesignalen (beispielsweise Sprache) durch eine  Gabelschaltung  vermieden oder vermindert werden kann. Bei Breitbandsignalen sind zusätzlich aufwändige adaptive Verfahren zur Echokompensation erforderlich.

Einige Grundlagen von PCM

Das ISDN–Konzept basiert weitgehend auf der  Pulscodemodulation  (PCM), deren Grundzüge schon 1938 von  Alec Reeves  entwickelt wurden. Dieses wichtige Grundlagengebiet für die digitalen Modulation und die Digitalsignalübertragung wird im Buch  Modulationsverfahren  detailliert beschrieben. Hier folgt eine kurze Zusammenfassung in Hinblick auf die Verwendung bei ISDN.

PCM-Blockschaltbild

Die Grafik zeigt das Blockschaltbild des PCM–Übertragungssystems, das an die Gegebenheit bei ISDN angepasst ist. Man erkennt:

• Das analoge (das heißt:  wert– und zeitkontinuierliche) Quellensignal  $q(t)$  wird durch die drei Funktionsblöcke  Abtastung – Quantisierung – PCM–Codierung  in das Binärsignal  $q_{\rm C}(t)$  gewandelt. In der Grafik ist dies im oberen Signalpfad dargestellt.
• Der grau hinterlegte Block zeigt das  "Digitale Übertragungssystem"  mit Sender, Kanalverzerrungen und Rauschaddition sowie dem Digitalempfänger, der unter anderem einen Entscheider beinhaltet. Das Kanalausgangssignal  $v_{\rm C}(t)$  ist wie  $q_{\rm C}(t)$  ein Binärsignal.
• Im unteren Zweig erkennt man den PCM–Decoder mit dem zeitdiskreten, nun aber höherstufigen Ausgangssignal  $v_{\rm Q}(t)$. Anschließend folgt die  Signalrekonstruktion  zur Gewinnung des Analogsignals  $v(t)$, wozu ein idealer, rechteckförmiger Tiefpass ausreicht.
• Für die Quantisierung gibt es empfängerseitig keine Entsprechung. Das heißt:  Die beim Sender unvermeidbaren Quantisierungsfehler sind irreversibel. Deshalb gilt bei PCM wie bei jeder Form von Digitalsignalübertragung grundsätzlich  $v(t) ≠ q(t)$.
• Ein wichtiger Quantisierungsparameter ist die Stufenzahl  $M = 2^N$, wobei  $N$  die Anzahl der für einen Abtastwert erforderlichen Binärzeichen angibt. Je größer  $N$  ist, desto weniger stark ist der störende Einfluss der Quantisierung und um so höher die Qualität des PCM–Systems.

Alle diese Aussagen gelten für PCM allgemein. Nun werden die Besonderheiten der Pulscodemodulation bei ISDN genannt.

$\text{Pulscodemodulation bei ISDN:}$  Die Abtastung im Zeitabstand  $T_{\rm A}$  erfolgt entsprechend dem  Abtasttheorem. Dieses besagt:

• Besitzt das Spektrum  $Q(f)$  des analogen Quellensignals Anteile bis zur Frequenz  $f_{\rm NF, \hspace{0.05cm}max}$, so muss für die Abtastrate gelten:

$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \ge 2 \cdot f_{\rm NF, \hspace{0.05cm}max} \hspace{0.05cm}.$$

• ISDN–Telefonsignale enthalten Spektralanteile zwischen  $300 \ \rm Hz$  und  $3400 \ \rm Hz$ und die Abtastrate beträgt  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$   ⇒   $T_{\rm A} = 125 \ \rm µ s$. Somit ist das Abtasttheorem erfüllt.

Wie bereits erwähnt, führt die Quantisierung auf  $M$  mögliche Signalwerte zu irreversiblen Fehlern. Wegen der nachfolgenden binären PCM–Codierung wird für  $M$  stets eine Zweierpotenz gewählt. Damit lässt sich jeder der  $M$–stufigen Eingangswerte durch  $N = \log_2 \hspace{0.05cm} (M)$  Binärsymbole (Bit) darstellen.

Bei dieser Dimensionierung ist zu beachten:

• Das Quantisierungs–Signal–zu–Störleistungsverhältnis ist  $ρ_{\rm Q} ≈ M^2 = 2^{2N}$. Diese Größe beschreibt das resultierende SNR  $ρ_v$  an der Sinke unter der Voraussetzung, dass nicht zusätzlich noch Übertragungsfehler auftreten. Bei Berücksichtigung von Störungen  (bzw. Rauschen)  ist das Sinken–SNR  $ρ_v$  stets kleiner als das Quantisierungs–SNR  $ρ_{\rm Q}$.
• Durch große Werte von  $M$  bzw.  $N$  kann man die PCM–Qualität auf Kosten des Aufwands, der Übertragungsrate und der damit erforderlichen HF–Bandbreite erhöhen. Bei ISDN wurde mit  $N = 8$   ⇒   $M = 256$  ein (für die 1990er Jahre) guter Kompromiss zwischen wünschenswerter Qualität und erforderlicher Bitrate standardisiert.
• Die ISDN–Bitrate (für jeden der beiden B–Kanäle) beträgt entsprechend den obigen Angaben  $8 · 8000 \ \rm 1/s = 64 \ kbit/s$. Das Quantisierungs-SNR ist somit gleich

$$\rho_{\rm Q} = 2^{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm Q}= 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}2^{16}\approx 48\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$

• Bei CD–Qualität  $(N = 16 \ ⇒ \ M = 65536)$  würde sich  $10 · \lg ρ_{\rm Q} ≈ 96 \ \rm dB$  ergeben. Dazu müsste allerdings die Bitrate auf  $128 \ \rm kbit/s$  verdoppelt werden.

Betrachten wir nun den grauen Block im PCM-Blockschaltbild. Bei ISDN beinhaltet der Sender keinen Modulator zur Frequenzumsetzung und der Empfänger keinen Demodulator. Das heißt:  ISDN ist ein  Basisbandübertragungssystem  mit folgenden Besonderheiten:

• Beim ISDN–Übertragungssystem wird ein redundantes ternäres Sendesignal  $s(t)$  verwendet, wobei auf der  $S_0$–Schnittstelle (Hausanschluss) der modifizierte AMI–Code zum Einsatz kommt und auf der  $U_{\rm K0}$–Schnittstelle (Zugangsnetz) ein 4B3T–Code.
• Die dominante Störung  $n(t)$  ist das Nahnebensprechen von benachbarten Leitungspaaren. Viele der im Buch  Digitalsignalübertragung  für AWGN–Rauschen angegebenen Aussagen gelten bei dieser Störungsart nur bedingt.

Entstehung und historische Entwicklung

Nachfolgend sind einige Daten zur historischen Entwicklung der digitalen Übertragungstechnik und Vermittlungstechnik – insbesondere von ISDN – zusammengestellt. Hierbei beschränken wir uns vorwiegend auf die Entwicklungen in Deutschland. Weitere Informationen hierüber findet man in  [Sie02].

• Um 1970    Weltweit wird die Notwendigkeit digitaler Teilnehmeranschlüsse erkannt; dies ist der Anfang der digitalen Übertragungstechnik mit Pulscodemodulation.
• 1979    Entscheidung der Deutschen Bundespost (DBP), alle Vermittlungsstellen zu digitalisieren.
• Um 1980    Erste ISDN–Spezifikation durch Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique (CCITT) – heute International Telecommunication Union (ITU).
• 1982    Entscheidung der DBP für die Einführung von ISDN und Konkretisierung der Pläne. Bis zur Einführung dauert es aber noch sieben Jahre.
• 1984/85    Die DBP nimmt die ersten digitalen Fern– und Ortsvermittlungsstellen in Betrieb.
• 1987    Start zweier ISDN–Pilotprojekte der DBP in Mannheim und Stuttgart.
• 1989    Offizieller Betriebsbeginn des nationalen ISDN am 08.03. auf der CeBIT in Hannover; Spezifikation eines europaweit einheitlichen ISDN (Euro–ISDN).
• 1993/94    ISDN–Flächendeckung in den alten Ländern der Bundesrepublik Deutschland; Beginn des Breitband–ISDN-Pilotprojekts (ATM) der Deutschen Telekom.
• 1995    Offizielle Einführung des europaweiten ISDN nach dem  DSS1–Standard  (Euro–ISDN).
• 1996    Einführung des Breitband–ISDN–Regeldienstes.
• 1998    Vollständig digitalisiertes Netz in Deutschland.

Die linke Grafik zeigt die Zunahme der ISDN–Teilnehmer in Deutschland (blaue Balken).

Zahl der Schmalband- und Breitbandanschlüsse in Deutschland um das Jahr 2000

• Bereits 1999 wird die Zehnmillionen–Marke überschritten und 2002 gibt es schon 20 Millionen ISDN–Teilnehmer in Deutschland.
• Im Jahr 2004 sind schon die Hälfte aller Schmalbandkanäle digital, nachdem die Zahl der analogen Telefonanschlüsse schon ab 2000 deutlich weniger wurden.

• Aus der Grafik kann man aber auch eine gewisse Sättigung (mathematisch ausgedrückt:  eine negative zweite Ableitung) der ISDN–Kurve ablesen.
• Dies hängt unmittelbar mit der Erfolgsgeschichte von  DSL  (Digital Subscriber Line) zusammen, die etwa 2001 beginnt.

Hierzu mehr im zweiten Hauptkapitel  dieses Buches.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 1.1: ISDN–Versorgungsleitungen

Aufgabe 1.2: ISDN und PCM