1 Einführung Ein digiales Kommunikaionssysem, das sicherlich viele Leser aus eigener Erfahrung kennen, zeig Bild 1-1: Ein Compuer is über ein Modem mi einem Kommunikaionsnez verbunden und ausch Daen mi einem anderen Compuer aus. Dami dieses Sysem seine Aufgabe erfüllen kann, wird eine Vielzahl von Verfahren und Technologien eingesez. Die wichigse Funkion is zunächs die Signalüberragung zwischen zwei Punken. In einem digialen Überragungssysem repräsenieren die Signale binäre Symbole oder Bis. Die digiale Überragungsechnik is daher die Grundlage eines digialen Kommunikaionssysems, weil sie die Funkionen zur Biüberragung bereisell. In unserem Beispiel kann die Kommunikaion über viele verschiedene Überragungssyseme erfolgen. Zwischen Modem und Kommunikaionsnez komm je nach Anschlussar (z. B. Modem zur Einwahl in das Fernsprechnez, Kabelmodem zur Daenüberragung über das Kabelfernsehnez usw.) eine Reihe von Überragungsverfahren zum Einsaz. Innerhalb des Nezes, im so genannen Kernnez oder Backbone, erfolg die Überragung in der Regel über Lichwellenleier, Richfunk oder Saelli. Compuer Modem Kommunikaionsnez Modem Compuer Bild 1-1: Ein digiales Kommunikaionssysem Das Kommunikaionsnez beseh neben Überragungssysemen aus Vermilungseinrichungen. Lezere haben die Aufgabe, die Daen zum gewünschen Kommunikaionsparner weierzuleien. Dabei gib es zwei grundlegende Funkionsprinzipien: die Leiungsvermilung und die Pakevermilung. Die Leiungsvermilung lieg unseren heuigen Fernsprechnezen zu Grunde, während die Pakevermilung die Basis des Inerne is. Die gemeinsame Behandlung der Überragungsechnik und der digialen Neze soll es dem Leser ermöglichen, ein grundlegendes Versändnis für beide Themengebiee zu enwickeln und die wechselseiigen Abhängigkeien zu erkennen. Dies wird erleicher durch eine einheiliche Verwendung von Begriffen und Definiionen. Beispiele dienen außer der exemplarischen Veriefung auch dazu, auf ausgewähle akuelle Anwendungen und Enwicklungen hinzuweisen. Die Enwicklung, die Planung und der Berieb von Kommunikaionssysemen sind ohne den Einsaz von leisungsfähigen Messgeräen, Enwicklungs- und Simulaionswerkzeugen nich denkbar. Eine Arbei mi diesen Werkzeugen sez ein ief gehendes Versändnis der Funkionsweise des Kommunikaionssysems voraus. Die Kennnis der Grundlagen ermöglich das schnelle Einarbeien in neue Verfahren, Arbeisgebiee oder Werkzeuge.
12 1 Einführung Die folgenden Abschnie geben einen ersen Überblick über die Themenschwerpunke des vorliegenden Buches. Dies is neben der digialen Überragungsechnik und den Kommunikaionsnezen auch die digiale Signalverarbeiung, die bei der Realisierung eines digialen Kommunikaionssysems eine wichige Rolle spiel. 1.1 Digiale Überragungssyseme Ein allgemeines Modell eines digialen Überragungssysems zeig Bild 1-2. Grundlegende Funkionsblöcke sind die Quellencodierung, die Kanalcodierung und vom spezifischen Überragungsverfahren abhängige Funkionen wie die Modulaion. Im Sender finden wir die Quellen- und Kanalcodierung sowie die Modulaion. Der Empfänger beseh aus den ensprechenden Funkionen der Quellen- und Kanaldecodierung und der Demodulaion. Sender und Empfänger sind über den Überragungskanal oder kurz Kanal verbunden. Sender Modulaion Kanal Quellencodierung Kanalcodierung Quellendecodierung Kanaldecodierung Demodulaion Empfänger Bild 1-2: Elemene eines digialen Überragungssysems Berachen wir das Sysem von "innen" heraus und beginnen mi dem Kanal. Der Kanal is das physikalische Überragungsmedium zwischen Sender und Empfänger. Dabei kann es sich z. B. um eine erresrische oder saelliengebundene Funksrecke, ein Telefonkabel, einen Lichwellenleier oder auch um ein Speichermedium wie die Compac Disc (CD) handeln. Der Kanal dämpf und verzerr das vom Sender ausgehende Nuzsignal und es überlagern sich Sörungen in Form eines Rauschsignals. Das Verhälnis der Leisung des Nuzsignals zur Leisung des Rauschsignals am Empfängereingang bezeichne man als Signal-Rausch-Verhälnis. Eine weiere wesenliche Eigenschaf des Kanals is dessen Bandbreie, d. h. die Größe des für die Überragung nuzbaren Frequenzbereichs. Das Signal-Rausch-Verhälnis und die Bandbreie besimmen die erzielbare Überragungsrae. Diese wird meis in Bi pro Sekunde (bi/s) angegeben. Der Block Modulaion bilde die zu überragende binäre Symbolfolge auf für den Kanal geeignee Signale ab. Modulaion und Demodulaion können auch Funkionen zur spekralen Formung des gesendeen Signals bzw. zur Enzerrung des Signals im Empfänger oder im Falle einer opischen Überragung die elekrisch-opische Wandlung des Signals beinhalen. Der Begriff des Modems leie sich aus der Modulaion-Demodulaion ab.
1.1 Digiale Überragungssyseme 13 Bild 1-3 zeig oben ein Basisbandsignal für die Bifolge (0, 1, 1, 0, 1). Ein Basisbandsignal benöig einen Überragungskanal, dessen nuzbarer Frequenzbereich bis zu sehr niedrigen Frequenzen reich. Wird das Basisbandsignal auf ein sinusförmiges Trägersignal aufmodulier, so wird es zu höheren Frequenzen hin verschoben. Je nach Modulaionsverfahren erhäl man eines der uneren Signale in Bild 1-3. Dor sind drei grundlegende digiale Modulaionsverfahren gezeig. Bei der Ampliudenumasung (Ampliude-Shif Keying, ASK) änder sich die Ampliude in Abhängigkei der zu überragenden Symbolfolge. Bei der Phasenumasung (Phase-Shif Keying, PSK) änder sich ensprechend die Phase und bei der Frequenzumasung (Frequency-Shif Keying, FSK) die Frequenz. Basisband 0 1 1 0 1 ASK PSK FSK Bild 1-3: Grundlegende Modulaionsverfahren Bei den oben genannen Modulaionsverfahren sprich man auch von Einrägerverfahren, da die zu überragende Bifolge auf ein Trägersignal aufmodulier wird. Durch die Verfügbarkei immer leisungsfähigerer digialer Signalprozessoren können heue auch Mehrrägerverfahren mi bis zu mehreren ausend Unerrägern realisier werden. In der Form von OFDM (Orhogonal Frequency-Division Muliplex) werden Mehrrägerverfahren z. B. beim digialen erresrischen Fernsehen (Digial Video Broadcasing, DVB) und bei drahlosen lokalen Rechnernezen (Wireless Local Area Nework, WLAN) eingesez.
14 1 Einführung Ein wichiges Leisungskrierium eines Modulaionsverfahrens is die Bifehlerwahrscheinlichkei. Grundsäzlich komm es durch das dem Nuzsignal überlagere Rauschen bei der Überragung zu Bifehlern. Die Wahrscheinlichkei, dass ein Bi verfälsch wird, is umso größer, je kleiner das Signal-Rausch-Verhälnis is. Bild 1-4 zeig einen ypischen Verlauf der Bifehlerwahrscheinlichkei als Funkion des Signal-Rausch-Verhälnisses. Bifehlerwahrscheinlichkei mi Kanalcodierung uncodier Signal-Rausch- Verhälnis Bild 1-4: Bifehlerwahrscheinlichkei und Kanalcodierung Mi Hilfe der Kanalcodierung lassen sich nun Bifehler, die durch Sörungen und auch durch Verzerrungen im Überragungskanal verursach werden, korrigieren. Dies geschieh, indem sendeseiig eine Zusazinformaion in Form von Redundanzbis zu der zu überragenden Informaion hinzugefüg wird. Durch Auswerung der Redundanzinformaion wird der Kanaldecodierer des Empfängers in die Lage versez, Bifehler korrigieren zu können. Bild 1-4 zeig die Verbesserung, die mi einer Kanalcodierung erziel wird. Die Verbesserung drück sich dadurch aus, dass bei gleicher Bifehlerwahrscheinlichkei mi Kanalcodierung ein geringeres Signal-Rausch-Verhälnis erforderlich is als bei uncodierer Überragung. Der seile Verlauf bei einem großen Signal-Rausch-Verhälnis is ypisch für digiale Überragungssyseme. Er weis darauf hin, dass bei zunehmenden Sörungen die Bifehlerwahrscheinlichkei sark anseig und die Überragungsqualiä schlagarig abnimm. Wie man allerdings erkenn, schneiden sich die Kurven für codiere und uncodiere Überragung. Links vom Schnipunk, also bei einem sehr kleinen Signal-Rausch- Verhälnis, is die Bifehlerwahrscheinlichkei bei codierer Überragung sogar größer als bei uncodierer Überragung. Dies is auf die zusäzlich zu überragende Redundanzinformaion zurückzuführen. Am Eingang unseres Überragungssysems in Bild 1-2 finden wir die Quellencodierung. Aufgabe der Quellencodierung is es, die zu überragende Nachrich mi einer möglichs geringen Anzahl von Bis darzusellen. Dazu wird die in der Nachrich enhalene redundane Informaion minimier. Die Trennung von Quellen- und Kanalcodierung geh auf die grundlegenden Arbeien von C. Shannon aus dem Jahr 1948 zur Informaionsheorie zurück.
1.2 Digiale Signalverarbeiung 15 1.2 Digiale Signalverarbeiung Viele der in digialen Überragungssysemen verwendeen Funkionen im Bereich der Modulaion/Demodulaion und der Kanal- und Quellencodierung bzw. Decodierung werden in der Regel digial realisier. Ein allgemeines digiales Signalverarbeiungssysem is in Bild 1-5 gezeig. digiales Signal analoges Signal A/D Digiale Signalverarbeiung D/A digiales Signal analoges Signal Geschwindigkei Sofware Digialer Signalprozessor (DSP) Programmierbare Logikbauseine (FPGA: Field-Programmable Gae Array) spezielle Signalverarbeiungs-ICs Bild 1-5: Sysem zur digialen Signalverarbeiung Ein- und Ausgangssignale eines solchen Sysems sind digiale, zeidiskree Signale. Is ein Übergang von der analogen in die zeidiskree Wel erforderlich, so erfolg dieser mi Hilfe eines Analog-Digial(A/D)- bzw. Digial-Analog(D/A)-Wandlers. Einen solchen Übergang finden wir beispielsweise am Empfängereingang des digialen Überragungssysems in Bild 1-2. Nach einer analogen Vorverarbeiung des Eingangssignals und der A/D- Wandlung erfolg die weiere Signalverarbeiung (Demodulaion und Decodierung) im digialen Bereich. Die grundlegenden Funkionen der A/D-Wandlung sind die Abasung und die Quanisierung des analogen Signals (Bild 1-6). Durch die Abasung des analogen Signals x() mi der Abasrae f A erhalen wir das zeidiskree Signal x(n). Die Punke in der Darsellung von x(n) markieren die äquidisanen Abaswere im Absand T A =1/f A. Uner Quanisierung verseh man die Abbildung der Abaswere auf eine endliche Anzahl von diskreen Weren, die beispielsweise mi einem digialen Signalprozessor verarbeie werden können. In der Kommunikaionsechnik haben wir es in der Regel mi einer Echzeiverarbeiung der Daen zu un, bei der die Signalverarbeiungsfunkionen in einer fes begrenzen Zei ausgeführ werden müssen. Während man im Audiobereich mi Abasraen von einigen 10 khz arbeie, finde man in digialen Überragungssysemen Abasraen bis zu 100 MHz und darüber hinaus. Beispielsweise muss bei der Filerung eines Audiosignals, das mi 44,1 khz abgease wurde (diese Abasrae wird bei der Audio-CD verwende), die digiale Filerfunkion alle 1/44,1 khz = 22,67 µs einen neuen Ausgangswer berechnen. Bei einer Abasung mi 100 MHz sehen dagegen nur 10 ns für die Verarbeiung eines Abasweres zur Verfügung. Für die Realisierung der digialen Signalverarbeiungsfunkionen seh daher eine Reihe von Opionen zur Verfügung, die sich in der Verarbeiungsgeschwindigkei unerscheiden wie in Bild 1-5 angedeue. Dabei werden of auch Kombinaionen eingesez, beispielsweise eine Vorverarbeiung mi einem programmierbaren Logikbausein, die mi einer Redu-
16 1 Einführung zierung der Abasrae verbunden is, und eine weiere Verarbeiung mi einem digialen Signalprozessor. Abaser Quanisierung x() x(n) x f A x n n Bild 1-6: Ein zeidiskrees Signal enseh durch Abasung eines analogen Signals 1.3 Digiale Neze Ein Kommunikaionsnez beseh aus Überragungssysemen, Vermilungseinrichungen und Endgeräen (Bild 1-7). Die Überragungssyseme im Kernbereich des Nezes bezeichne man als Transpornez. Der Teil des Nezes von der lezen Vermilungseinrichung bis zum Teilnehmeranschluss wird als Anschluss- oder Teilnehmernez bezeichne (die "Las Mile" im englischen Sprachgebrauch). Gaeways ermöglichen die Kommunikaion zwischen verschiedenen Nezen, beispielsweise zwischen einem Fernsprechnez und einem Daennez. zu anderen Nezen Gaeway Vermilungsknoen, Rouer Endgerä (: Terminal Equipmen) Anschlussnez Bild 1-7: Ein Kommunikaionsnez
1.3 Digiale Neze 17 Die Überragungssyseme sellen die Funkionen zur Biüberragung zwischen zwei Punken berei. Während man bei einem Überragungssysem mi einem Sender und einem Empfänger von einer Punk-zu-Punk-Überragung sprich, greifen in vielen Kommunikaionssysemen mehrere Sender auf ein gemeinsam genuzes Überragungsmedium zu (Bild 1-8). So is z. B. beim Mobilfunk der gemeinsame Überragungskanal durch den verfügbaren Frequenzbereich innerhalb einer Funkzelle oder bei lokalen Rechnernezen (IEEE 802.3 Local Area Nework, auch als Eherne bekann) durch das Koaxial- oder Zweidrahkabel gegeben. Dami diese Sender sich nich gegenseiig sören, is ein Mehrfachzugriffsverfahren erforderlich. gemeinsam genuzer Überragungskanal Empfänger S 1 2... n Bild 1-8: Mehrfachzugriff durch Endgeräe 1 bis n auf einen Kanal Zwei weiere Begriffe sind im Zusammenhang mi Kommunikaionsnezen von Bedeuung: Schnisellen und Prookolle. Eine Schniselle, in Bild 1-8 mi S bezeichne, definier mechanische Eigenschafen wie z. B. Kabelyp oder Seckerverbindung, elekrische Eigenschafen wie z. B. Spannungspegel und die Srukur der Signale. Eine Srukur kann in Form eines Überragungsrahmens gegeben sein, in dem die Bedeuung der einzelnen Bis fesgeleg is (z. B. Bis, die den Rahmenanfang markieren oder dem Fehlerschuz dienen). Prookolle definieren die Daenformae (die Synax), die die kommunizierenden Geräe ausauschen, und deren mögliche Akionen und Reakionen (die Semanik). Dami Syseme unerschiedlicher Herseller mieinander kommunizieren können, müssen Schnisellen und Prookolle sandardisier werden (siehe Anhang 3). Die Vermilungseinrichungen haben die Aufgabe, zwischen Endgeräen, die mieinander kommunizieren wollen, einen Überragungsweg bereizusellen. Man unerscheide zwischen zwei grundsäzlichen Vermilungsprinzipien, der Leiungsvermilung und der Pakevermilung. Bei der Leiungsvermilung wird zwischen zwei Endgeräen eine Verbindung mi feser Überragungskapaziä aufgebau. Nach diesem Prinzip arbeie das Telefonnez. Bei der Pakevermilung werden Daenpakee zwischen den Endgeräen überragen. Sende ein Endgerä keine Pakee, so wird auch keine Überragungskapaziä im Nez beleg. Dieses Prinzip lieg dem Inerne zu Grunde. Vermilungseinrichungen und Endgeräe sind in der Regel diensespezifisch, d. h. für das Telefonnez und das Inerne werden jeweils eigene Vermilungseinrichungen (im Falle des Inernes sprich man von Rouern) und Endgeräe benöig. Das Transpornez is dagegen dienseunabhängig. Auch im Bereich der Anschlussneze versuch man, die vorhandene Infrasrukur (z. B. den Anschlussbereich des Fernsprechnezes oder das Kabelfernsehnez) für möglichs viele Diense zu nuzen. Im Bereich der Neze werden zunächs allgemeine Funkions- und Enwurfsprinzipien berache. Dazu gehören Verfahren der zuverlässigen Daenüberragung, d. h. der Schuz gegen Überragungsfehler, und Grundlagen der Dimensionierung. Ein weierer Schwerpunk wird auf die Diensgüe (Qualiy of Service, QoS) und das Verkehrsmanagemen
18 1 Einführung geleg. Dieser Bereich konzenrier sich naurgemäß auf pakevermielnde Neze, da hier eine Reihe von Maßnahmen erforderlich is, um Diense mi unerschiedlichen Qualiäsanforderungen zu überragen. Besonders hohe Anforderungen haben in dieser Hinsich Echzeidiense. Ein Beispiel für einen Echzeidiens is die Sprachüberragung. Nach der Abasung, Quanisierung und Quellencodierung benöig ein Sprachsignal je nach verwendeem Sprachcodec (Codec: Codierer-Decodierer) eine Birae von 6 bis 64 kbi/s. Der Bisrom wird im Endgerä pakeier und über das Nez zum Empfänger überragen (Bild 1-9). Dieser ha die Aufgabe, aus den eingehenden Pakeen wieder den sendeseiigen Bisrom zu gewinnen. Im Nez komm es nun zu Pakeverlusen und die Pakee erfahren unerschiedliche Laufzeien. Nur solange die Verluse und die Laufzeien unerhalb besimmer Grenzen liegen, können sie im Empfänger ausgeglichen werden und der Diens arbeie zufrieden sellend. koninuierlicher Bisrom Pakee Bild 1-9: Echzeidiense und Pakevermilung Nach den wichigsen Prinzipien werden anschließend die echnischen Grundlagen des ISDN (Inegraed Services Digial Nework), von ATM (Asynchronous Transfer Mode) und von IP (Inerne Proocol) behandel. Der Ansaz, die zu Grunde liegenden Prinzipien vorab und unabhängig von spezifischen Nezen zu behandeln, beruh darauf, dass diese Prinzipien in allen Nezen wiederzufinden sind, auch wenn sich deren spezifische Umsezungen in Bezeichnungen und Deails unerscheiden mögen. Es mag sich hier die Frage sellen, warum ATM heue in einem grundlagenorienieren Buch behandel werden solle. Tasächlich wurden grundlegende Verfahren des Verkehrsmanagemens für ATM enwickel, die gegenwärig in ähnlicher Form auf das Inerne überragen werden. Mi ATM wurde das Ziel eines dienseinegrierenden Nezes verfolg, in das die Erfahrungen aus leiungsvermielnden und pakevermielnden Nezen eingeflossen sind. Während die Leiungsvermilung für die Daenüberragung nich opimal is, unersüz die Pakevermilung Echzeidiense (z. B. Sprache und Video) nich idealer Weise. Das Ziel, beides in einem Nez effizien zu inegrieren, führe zu einer berächlichen Komplexiä des Verkehrsmanagemens. Dies war bei ATM so und kann gegenwärig beim Inerne im Zuge der Sprachüberragung (Sichwor "Voice over IP") beobache werden. Der erneue Ansaz, ein dienseinegrierendes Nez auf der Basis von IP zu schaffen, wird uner dem Begriff "Nex Generaion Neworks" subsumier.