Beispiele von Nachrichtensystemen/ISDN-Basisanschluss

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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:

• 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:

• S₀–Bus: Referenzpunkt S zwischen dem Teilnehmeranschlussbereich und dem Netzabschluss; die 0 steht für Basisanschluss.
• U_K0–Bus: Referenzpunkt U zwischen dem Netzabschluss und der Ortsvermittlungsstelle; das K steht für Kupferkabel und die 0 wiederum 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.

• 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 U_K0–Bus – gibt es eine Zweidrahtverbindung, die in beiden Richtungen betrieben wird.
• Dagegen wird im Hausanschlussbereich – auf dem S₀–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 (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 sowohl analoge Schnittstellen zum Endgerät (so genannte a/b–Schnittstellen) besitzen als auch digitale Schnittstellen, zum Beispiel zum Anschluss von Endgeräten über V.24 oder X21.

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 S₀–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).

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 S₀–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 S0–Bus eine Netto–Übertragungsrate von 144 kbit/s pro Richtung. Die Brutto–Übertragungsrate unter Berücksichtigung von Steuerbits beträgt 192 kbit/s.

Über den S0–Bus können mehrere Endgeräte an den Netzabschluss (Network Termination for ISDN Basic Rate Access, NTBA) parallel angeschlossen werden. Die offenen Leitungsenden müssen mit dem Wellenwiderstand von 100 Ω (reell) terminiert werden, da es sonst zu Reflexionen kommt. Der S0–Bus reagiert im allgemeinen tolerant gegenüber Fehlanpassungen, doch sind in diesem Fall gewisse Längenbegrenzungen und Installationsregeln zu beachten. Die möglichen Verkabelungsarten für den S0–Bus in der Betriebsart Mehrgeräteanschluss sind in der unteren Grafik dargestellt: 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 im 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 V dargestellt und die logische (binäre) „0” abwechselnd mit +s0 bzw. –s0, wie der Vergleich des oberen und des unteren Signalverlaufs in der Grafik zeigt. Bei ISDN ist der Aussteuerbereich $s_0$ = 0.75 V festgelegt.
• Die Pseudoternärcodierung stellt sicher, dass der S0–Bus jederzeit gleichspannungsfrei bleibt. Die Redundanz von 1 – 1/ld (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.

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:

• 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 (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 Signal mit konstanter Maximalamplitude ⇒ Dauer–Eins, was bei Sprachübertragung nie (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.

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 auf der nächsten Seite im Detail 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 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 V.

Für die folgende Beschreibung der Bitbelegung, die von der Übertragungsrichtung abhängt, können Sie die Grafik der Rahmenstruktur nochmals einblenden. In beiden Richtungen gilt:

• Das erste Bit eines jeden Rahmens ist das Rahmensynchronisationsbit (F–Bit). Dieses ist stets auf „0” mit positiver Polarität gesetzt ⇒ +0.75 V.
• Danach folgt ein Gleichstrom-Ausgleichsbit (L–Bit: „0” mit negativer Polarität ⇒ –0.75 V) zum Verhindern eines Gleichstromanteils.
• Da am Ende des letzten Rahmens ebenfalls ein L–Bit (mit Pegel +0.75 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 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 kann angenommen werden, wenn innerhalb zweier Rahmen keine Codeverletzungspaare identifiziert werden.
• Die Rahmensynchronisation wird als abgeschlossen betrachtet, wenn drei aufeinander folgende Codeverletzungen erkannt wurden: F – FA – F.

In Senderichtung (untere Grafik) können verschiedene Endgeräte gleichzeitig senden. Jedes einzelne 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 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 V.
• Die S–Bits S1 und S2 sind für künftige Anwendungen reserviert und momentan immer auf logisch „0” (mit unterschiedlichen Polaritäten) 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.

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 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” – 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 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 nachfolgenden Beispiel wird gezeigt, welchem Endgerät Priorität eingeräumt wird, wenn zwei Endeinrichtungen gleichzeitig mit dem Senden beginnen wollen. Beispiel: 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 t1). Danach senden beide – wieder gleichzeitig – ein Flag (grüne Markierung, Zeitmarke t2).

Zum Zeitpunkt t3 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 5. Bit von TE2 eine „0” ist und das 5. Bit von TE1 eine „1” (rote Markierungen). Somit wird TE1 den Sendebetrieb stoppen. Er kann seine Information erst zum Zeitpunkt t7 absetzen, nachdem TE2 seine Sendung mit einem Flag abschließt (t4), und damit der D–Kanal ab t5 wieder frei ist. Dies überprüft TE1 während der Zeitmarke t5 und sendet danach (t6) wieder ein Flag.