Telekommunikationsnetze: Digitalisierung, WLAN, WAN & VoIP

Digitalisierung von Signalen

Digitalisierung ist der Prozess, der analoge Signale wie Audio und Video in digitale Signale umwandelt.

Analog-Digital-Konvertierung (AD-Wandlung)

Es gibt mehrere Methoden, wobei die Puls-Code-Modulation (PCM) die am weitesten verbreitete ist. Dieses System digitalisiert das Signal und sendet es über die Telefonleitung zusammen mit anderen Signalen. Das ursprüngliche 4-kHz-Signal wird in einen Bitstrom mit einer Geschwindigkeit von 64 kbit/s umgewandelt und besteht aus drei Phasen: Sampling, Quantisierung und Codierung.

Sampling, Quantisierung und Codierung

Für die Übertragung von Sprache ist es notwendig, Druckwellen zu konvertieren. Dieser Prozess erfolgt durch das Mikrofon des Telefons. Sprachinformationen, die hauptsächlich zwischen 300 und 3.400 Hz liegen, enthalten in der Abtastung ausreichende Informationen für die Rekonstruktion. Die Abtastwerte haben jedoch immer noch unendlich viele potenzielle Amplitudenwerte. Damit das Signal eine endliche Anzahl von Werten hat, muss es diskretisiert werden. Schließlich werden die Abtastwerte in Bits umgewandelt.

Wireless LAN (Wi-Fi)

Der Ursprung des WLAN lässt sich bis zur Veröffentlichung der Ergebnisse eines Experiments im Jahr 1979 zurückverfolgen, das von IBM-Ingenieuren durchgeführt wurde und Infrarot-Verbindungen nutzte, um ein lokales Netzwerk in einer Fabrik zu schaffen. Die FCC stellte die ISM-Bänder 902-928 MHz, 2,400-2,4835 GHz und 5,725-5,850 GHz für den Einsatz in drahtlosen Funknetzen zur Verfügung.

Standardisierung von WLAN

Seit 1989 wurde das IEEE 802.11-Komitee gebildet, das begann, an der Schaffung eines WLAN-Standards zu arbeiten, dessen Entwicklung 1999 abgeschlossen wurde. Im Jahr 1992 schuf ein Konsortium unter der Führung von Apple, um Frequenzbänder für PCS-Systeme zu erhalten. Im Jahr 1993 wurde auch die IrDA gegründet, um die Entwicklung des WLAN zu fördern.

• 802.11: 1997 erstellt, erreichte eine Geschwindigkeit von 2 Mbit/s mit Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Signalmodulation. 802.11 ist ein drahtloses lokales Netzwerk, das für die Funkübertragung im 2,4-GHz-Band oder im Infrarot-Bereich binäre Übertragungsraten von 1 bis 2 Mbit/s verwendet.
• 802.11b: 1999 für Unternehmen geschaffen, mit einer Geschwindigkeit von 11 Mbit/s und einer Reichweite von 100 Metern. Es nutzt das 2,4-GHz-ISM-Band, um die Kompatibilität zwischen drahtlosen Geräten zu gewährleisten. Es trägt das Wi-Fi-Logo und wird von Geräten von über 150 Unternehmen unterstützt. Da drahtlose Netzwerke unsicher sein können, ist die WEP-Verschlüsselung ein wesentliches Element.
• 802.11g: 2003 gegründet, kompatibel mit 802.11b, kann Geschwindigkeiten von 22 Mbit/s bis zu 54 Mbit/s erreichen, auch wenn die verwendeten Bänder unterschiedlich sind.
• 802.11a: 1999 mit QAM-64-Modulation und OFDM-Codierung erstellt, erreicht eine Geschwindigkeit von 54 Mbit/s bei 5 GHz, jedoch mit einer Reichweite von 50 Metern.

Token Ring LAN

Token Ring ist ein logisches Netzwerk mit Ring-Topologie, das derzeit von IBM unterstützt wird und den IEEE 802.5-Standard erfüllt. Jedes Terminal kommuniziert mit anderen über das Token-Passing-Protokoll, unterstützt Geschwindigkeiten von 4 und 16 Mbit/s und kann insgesamt 260 Stationen im Ring unterstützen. Der Ring wird physisch durch eine Sternverkabelung mit einer MAU (Media Access Unit) in seinem Zentrum realisiert.

Wide Area Networks (WAN)

Ein WAN ist ein Netzwerk, das ein größeres geografisches Gebiet abdecken kann. Es kann Sprache, Daten oder Bilder übertragen.

Vermittlungstechniken

Vermittlung ist der Prozess, bei dem die Kommunikation zwischen Benutzern über eine Infrastruktur hergestellt wird. Die drei Kernleistungen sind Telefonie, Telegrafie und Datenübertragung, sodass man eine der drei Techniken nutzen kann: Leitungsvermittlung, Nachrichtenaustausch und Paketvermittlung.

Leitungsvermittlung

Bei der Leitungsvermittlung wird eine physikalische Schaltung vor der Übermittlung von Informationen eingerichtet, die so lange offen gehalten wird, wie die Kommunikation dauert. Diese Technik ist geeignet, wenn die Vermittlung zwischen ähnlichen Geräten erfolgt, ohne dass eine Umwandlung von Codes, Protokollen oder Geschwindigkeiten erforderlich ist.

Nachrichtenvermittlung

Die Nachrichtenvermittlung ist eine Methode, die auf der Blockbehandlung von Informationen mit einer Absender- und Zieladresse basiert. Diese Nachrichten können von Vermittlungsstellen im Filialnetz sowie beim Versand verarbeitet werden.

Paketvermittlung

Die Paketvermittlung ist ähnlich wie die vorherigen Methoden, aber sie nutzt kürzere Nachrichten fester Länge. Dies ermöglicht das Senden von Paketen, ohne dass die vollständige Nachricht, die zuvor zerlegt wurde, empfangen werden muss. Die Pakete verbleiben nur sehr kurze Zeit im Speicher, was Anwendungen im Konversationsstil ermöglicht.

Übertragungsnetzbetreiber

Viele Telekommunikationsbehörden beschlossen, den Einsatz digitaler Technologie zu fördern, was die Erneuerung der installierten Anlagen erforderte. So begann die Studie für die Entwicklung und den Einsatz von ISDN und ebnete den Weg für JDS, um JDP zu ersetzen.

JDP (Plesiochrone Digitale Hierarchie)

JDP ist eine Technik, die in Telefonnetzen zur Verarbeitung analoger Signale in digitale Signale verwendet wird, bekannt als MIC (Puls-Code-Modulation), die die mehrfache Nutzung einer Leitung durch Multiplexing ermöglicht. Der Betrieb der JDP ist konzeptionell sehr einfach: Auf der untersten Ebene werden Eingangssignale für jeden Kanal auf Byte-Ebene gemultiplext, während auf den höheren Ebenen die Multiplexierung bitweise erfolgt. Wenn die Geschwindigkeit für alle Kanäle gleich ist, gibt es kein Problem; andernfalls ist es notwendig, Füllbits hinzuzufügen.

JDS (Synchrone Digitale Hierarchie)

Homogene Übertragung weltweit, einfache Handhabung und Kosteneffizienz waren die Gründe für die Entwicklung der JDS mit der Idee, die bestehende JDP zu ersetzen. Die JDS ist ein Fernleitungsnetz, das mehrere Einschränkungen des bestehenden Netzes adressiert. Merkmale:

• Ein weltweiter Übertragungsstandard
• JDS-Frames werden über Singlemode-, Multimode-Glasfaser und Twisted-Pair-Kupfer übertragen.
• Bilder können durch eine einfache Technik extrahiert werden.
• Jedes Bild wird durch einen Zeiger auf seine Position erkannt.
• Es ermöglicht ein effizientes Netzmanagement.

Die JDS wurde von der ITU-T standardisiert und übernahm weitgehend den ANSI T1.105 Standard. Dieser wiederum wurde als SONET-System eingeführt.

SDH (Synchrone Digitale Hierarchie)

Das Ziel der ITU-T-Standardisierung für JDS ist es, die Geschwindigkeiten der beiden plesiochronen Hierarchien in gemeinsamen, weltweit einsetzbaren Geschwindigkeiten zu integrieren. Aus diesem Grund wurde die Klassenhierarchie der JDS, die MTS-1, normiert, um die Datenraten der JDP tragen zu können. Derzeit ist der höchste Standard für JDS die MTS-64, die einer Geschwindigkeit von 9,9 Gbit/s entspricht.

Vorschriften für JDS

Die Vorschriften sind in einer Reihe von Empfehlungen der ITU-T und ETSI gesammelt.

Zugangstechnologien

Nutzer von Telekommunikationsdiensten finden zu Hause unterschiedliche Mittel zur Gewährung des Zugangs vor, die je nach den Umständen variieren. Im Allgemeinen können wir vier Arten des Zugangs je nach Art der Verbindung betrachten: Twisted-Pair-Kabel, Glasfaser, Funk usw. Jeder Modus verfügt über unterschiedliche Eigenschaften; der Anwender muss entscheiden, welcher der ideale ist.

Zugang über Twisted-Pair-Kabel

Der Zugang über Twisted-Pair-Kabel ist die am häufigsten genutzte Methode, um grundlegende Telefondienste anzubieten, und die wichtigste, die in Zugangsnetzen untersucht wird. Seine Datenübertragungskapazität wurde durch die für Telefonnetze auferlegten Grenzwerte von 4 kHz beeinflusst. Telefonnutzer verbinden sich mit ihrer lokalen Vermittlungsstelle, die normalerweise etwa 1,5-2 km entfernt ist, über ein Paar Kupferdrähte, die sogenannte Teilnehmeranschlussleitung. Wie zu sehen ist, ermöglicht die Entwicklung und Digitalisierung des Telefonnetzes zum Integrated Services Digital Network (ISDN) Sprach- und Datenkommunikation mit einer Geschwindigkeit von 64 kbit/s, hat aber gravierende Einschränkungen.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

Das Funktionsprinzip der xDSL-Technologien basiert auf der Tatsache, dass die Bandbreite des Kupferdrahtes in der Praxis viel höher ist als die, die vom Telefonnetz für einen Sprachkanal bereitgestellt wird. Ein Benutzer zu Hause kann am Ende der Schleife eine Verbindung mit einer Kapazität von mehreren Mbit/s erhalten. Die Implementierung von ADSL erfordert Teilnehmeranschlussleitungen, die lang sind und eine nicht sehr gute Qualität in Bezug auf Isolierung und Widerstand aufweisen können, was oft nicht der Fall ist. In diesem Fall würde eine Variante namens ADSL Lite angewendet werden. Die Vorteile für den Betreiber mit dieser Technologie sind vielfältig: eine Entlastung des zentralen Teils und des vermittelten Netzes, da der Datenfluss an der Quelle umgeleitet und vom Telefon- und Datennetz getrennt wird, sodass ein individueller Dienst nur für diejenigen angeboten werden kann, die ihn benötigen.

• HDSL: 1,5-2 Mbit/s
• SDSL: 1,5-2 Mbit/s
• ADSL: 1,5-9 Mbit/s (Downstream) und 16-640 kbit/s (Upstream)
• ADSL Lite: 0,5-1,5 Mbit/s (Downstream) und bis zu 384 kbit/s (Upstream)
• VDSL: 25-52 Mbit/s (Downstream) und 1,5-2,3 Mbit/s (Upstream)

ADSL-Merkmale

ADSL ermöglicht den Hochgeschwindigkeitszugang über asymmetrische Kupferkabel, die Benutzer bereits zu Hause oder im Büro für den Anschluss an das Telefonnetz haben. Die wichtigsten Anwendungen sind die Kommunikation von Hochgeschwindigkeitsdaten und Video-on-Demand. Im Vergleich zu Kabelmodems bietet ADSL den Vorteil, dass es ein dedizierter Dienst für jeden Benutzer ist. Diese Modems können nicht wie normale Modems verbunden werden; sie benötigen für jede Leitung ein Gerät beim Heimanwender und ein weiteres in der lokalen Vermittlungsstelle. Eine kostengünstigere Version von ADSL ist ADSL Lite, die die Notwendigkeit der Installation von Filtern vermeidet. Mit der ADSL-Technologie und der Möglichkeit, Verfahren anzupassen, können verschiedene Betreiber ihren Kunden Internetzugangsdienste mit oder ohne Flatrate anbieten.

IKT (Infrastruktur für Telekommunikation in Gebäuden)

Jeder Betreiber bietet Telekommunikationsdienste über seine eigene, dafür geschaffene Infrastruktur an. So stellen Kabelnetzbetreiber ihre Kästen auf Bürgersteigen und Fassaden auf, und Anbieter von Sat-TV-Diensten tun dies in der Regel durch die Installation einer Satellitenschüssel und die Verteilung über Kabel. Die Lösung für das Gewirr von Kabeln, Netzwerken, Protokollen usw. ist es, einen qualitativ hochwertigen Service und Innovation für die zukünftige Wartung zu gewährleisten, was schwierig sein kann. Daher ist die IKT-Infrastruktur für den Zugang zu Telekommunikationsdiensten in Gebäuden gemäß einem Projekt im Rahmen der geltenden technischen Vorschriften zu realisieren.

PLC (Power Line Communications)

PLC ermöglicht die Übertragung von Sprach- und Daten über elektrische Hochspannungsleitungen, grundsätzlich für Teleoperation und Fernsteuerung, sowohl analog als auch mit niedriger Bitrate. Die elektrische Energie wird in einem Kraftwerk erzeugt und von dort über das Hoch- und Mittelspannungsnetz zu Umspannwerken geleitet, von wo aus sie die Verteilzentren der Niederspannungsleitungen erreicht, die den Abonnenten dienen. In diesen Verteilzentren werden in der Regel Gateways installiert, die über Glasfaserkabel mit dem Internet verbunden sind und das Niederspannungsnetz für den Zugang von privaten und professionellen Nutzern nutzen.

Zugang über Koaxialkabel

Eine Alternative zum Zugang über das Telefonnetz für verschiedene Telekommunikationsdienste ist die Nutzung von Hybrid-Fiber-Coaxial-Netzen (HFC), die von neuen Kabelnetzbetreibern eingesetzt werden. Diese Netzwerke haben bereits das Problem der Rückmeldung gelöst und sind eine echte Alternative, die zahlreiche TV-Kanäle, Internetzugang oder andere Datennetze validiert haben. Die Infrastruktur in diesen Netzwerken ist gemischt, bestehend aus Glasfaser- und Koaxialkabeln, wobei die Aufteilung zwischen den beiden Medien in einer Kosten-/Bandbreiten-/Nutzerzahl-Studie festgelegt wird. Die verschiedenen FTTx-Modi sind verfügbar:

• FTTF (Fiber to the Feeder): Glasfaser nur im Backbone.
• FTTSA (Fiber to the Service Area): Das Vertriebsnetz wird über Glasfaser realisiert und erfordert den Einsatz von Verstärkern im Koaxialnetzwerk.
• FTTLA (Fiber to the Last Amplifier): In diesem Fall sind keine Verstärker im Koaxialnetzwerk erforderlich.
• FTTC (Fiber to the Curb): Glasfaser erreicht den Häuserblock.
• FTTB (Fiber to the Building): Glasfaser kommt bis zum Gebäude und versorgt eine sehr kleine Anzahl von Abonnenten.

Zugang über Funkwellen

Der Zugang über Funkwellen ist für die einfache Bereitstellung vorgesehen, vorausgesetzt, es gibt keine Eins-zu-Eins-Verbindung zwischen den Nutzern und die Möglichkeit, die Nachfrage mit großer Flexibilität zu erfüllen, da die Infrastruktur geteilt und dediziert ist.

Mobilfunk (Cellular)

Mobilfunk ist ein System, bei dem das Benutzerterminal über Funkwellen mit der Basisstation verbunden ist, die den Bereich bedient, in dem sich der Nutzer befindet, und die wiederum mit einer Vermittlungsstelle verbunden ist, die mobile Dienste direkt an das Telefonnetz weiterleitet.

• Trac: Bietet Mobilfunkdienste, kann aber auch zur Bereitstellung fester Telefondienste genutzt werden.
• Die Entwicklung der zweiten Generation, deren bekannteste Vertreter auf europäischer Ebene GSM und auf amerikanischer Ebene D-AMPS sind, bietet neue Multimedia-Funktionen, die über die normalen Datenanwendungen von 9,6 kbit/s hinausgehen, die von den bestehenden Netzen angeboten werden.

Drahtlose Telefonie (DECT)

Drahtloser Zugang mit Technologien wie DECT ist ausreichend, um Gebiete mit einer hohen Dichte von Nutzern abzudecken. Die Dienste sind auf den Zugang zu öffentlichen Festnetzen für Personen in Bewegung ausgerichtet. Es werden folgende Diensttypen unterschieden:

• Private Nutzung: Mobiltelefone
• Telepoint: Ermöglicht die Nutzung von Mobiltelefonen durch den Nutzer.
• Drahtlose Telefonanlage: Anschluss an die Telefonzentrale des Unternehmens über Terminals.

Der DECT-Standard

DECT ist der europäische Telekommunikationsstandard, der von der ETSI für die drahtlose Kommunikation von Sprache und Daten entwickelt wurde, mit einer Funkreichweite zwischen 25 und 50 Metern in Gebäuden und bis zu 250 Metern im Freien. DECT ist störungsfrei, kann eine große Anzahl von Benutzern verwalten und ermöglicht eine sehr einfache Zellplanung.

Terrestrische Funkkommunikation

Durch den Einsatz von Mikrowellen ist es möglich, Zugang zu jedem Dienst zu bieten. LMS ist eine Technologie für drahtlose Breitbandkommunikation, die in den Medien eingesetzt wird und auf einem zellbasierten Funkkonzept basiert, bei dem jede Zelle einen Radius von ca. 4 km hat. Es nutzt Frequenzen im 26-28 GHz-Band.

Satellitenübertragung

Für die Versorgung abgelegener, schwer zugänglicher Gebiete oder weit verstreuter Nutzer ist die Satellitenübertragung eine der besten Alternativen mit breiter Abdeckung. Die Zugriffsgeschwindigkeit ist nicht sehr hoch, oft in Kombination mit einer terrestrischen Umgebung, um eine übermäßige Erhöhung der Terminalkosten zu vermeiden, insbesondere bei LEO-Satelliten.

Zugang über Glasfaser

Der Zugang über Glasfaser ist der primäre Netzzugang für Unternehmen und andere, die einen großen Informationstransfer benötigen, ist aber nicht im allgemeinen Gebrauch. Durch den Einsatz einer Einheit namens ONU (Optical Network Unit) werden Videodienste über eine an den Fernseher angeschlossene Set-Top-Box (STB) sowie Telefon- oder Datenübertragung bereitgestellt.

Anwendungen und Vorteile von WDM

Systeme, die Lichtwellenleiter verwenden, basieren auf der Einspeisung eines elektrischen Signals an einem Ende, das am empfangenden Ende abgeschwächt ankommt, dort in einem Photodetektor empfangen, dekodiert und in Strom umgewandelt wird. Die Art der Modulation und/oder Kodierung hängt von einer Reihe von Faktoren ab. LEDs unterstützen die Modulation sehr gut, während Laserintensitätsmodulation einen kohärenten Lichtstrahl erzeugt. Die beiden traditionellen Methoden waren TDM (Zeitmultiplex) und FDM (Frequenzmultiplex). WDM (Wellenlängenmultiplex) bietet jedes Signal auf einer anderen Laserfrequenz. Es können Kapazitäten von 4, 8, 16, 32 oder sogar 1 Tbit/s erreicht werden. Wenn die Anzahl der Wellenlängen größer als 8 ist, spricht man von DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Der Einsatz von DWDM ermöglicht es den Betreibern von Glasfaserinfrastrukturen, mehr Kapazität zu nutzen.

Voice over IP (VoIP) in Multiservice-Netzen

Neue Qualitätsstandards ermöglichen Dienste in IP-Netzwerken, die eine Umgebung geschaffen haben, in der es möglich ist, Voice over IP zu übertragen, was jedoch keineswegs das Verschwinden von Telefonnetzen bedeutet. Wenn dies durch das Internet-Phänomen verstärkt wird, ist die Schlussfolgerung klar: VoIP ist ein heißes Thema.

VoIP-Standards und Netzwerke

Es sind Lösungen von verschiedenen Herstellern mit Multiplexern entstanden, die den Einsatz von WAN-Datennetzen von Unternehmen für die Übertragung von Sprachverkehr ermöglichen. Unbestreitbar ist die endgültige Etablierung des IP-Protokolls im Geschäfts- und Privatbereich. Wir unterscheiden drei Arten von IP-Netzwerken:

• Internet: Der Zustand des Netzes erlaubt keinen professionellen Einsatz für Sprachverkehr.
• Öffentliche IP-Netze: Die Betreiber bieten Unternehmen die notwendige Konnektivität zu ihren lokalen Netzwerken, wobei der Interconnect sich auf IP-Verkehr bezieht.
• Intranet: Das IP-Netzwerk, das von den Unternehmen selbst betrieben wird. Besteht in der Regel aus mehreren LANs.

Voice over IP konvertiert Sprachsignale in Standard-Datenpakete, die über Datennetze statt der herkömmlichen Telefonleitungen transportiert werden. Die Signale sind gekapselt und können über ein beliebiges Netzwerk transportiert werden.

Standardmerkmale von VoIP

Das Hauptziel des VoIP-Protokolls ist es, die Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller sicherzustellen. Diese Elemente sind grundsätzlich an Verzeichnisdiensten und der Übertragung von Mehrfrequenzsignalisierung beteiligt. VoIP/H.323 wiederum umfasst eine Reihe von Standards:

• Adressierung, Signalisierung und Sprachkompression
• Sprachübertragung

Derzeit sind eine Reihe von Komponenten auf dem Markt verfügbar. Diese sind:

• Gatekeeper: Optionales Element im Netzwerk. Seine Funktion ist die Verwaltung und Kontrolle von Netzwerkressourcen, um eine Überlastung des Netzes zu vermeiden.
• Gateway: Ein wesentliches Element in den meisten Netzwerken, da seine Aufgabe darin besteht, das VoIP-Netz mit dem analogen oder ISDN-Telefonnetz zu verbinden.
• Multipoint Control Unit (MCU): Wird verwendet, um eine Konferenz zwischen mehreren Benutzern zu erstellen und Gespräche zu verfolgen.