Digitale Kommunikationssysteme 2: Grundlagen der Vermittlungstechnik

293 Pages·2005·27.139 MB·German

by  Rudolf Nocker (auth.)

Rudolf Nocker
Digitale
Kommunikationssysteme 2
Aus dem Programm ___________ _______
Informationstechnik
Telekommunikation
von D. Conrads
Mobilfunknetze
von M. Duque-Anton
Signalverarbeitung
vonM.Meyer
Grundlagen der Informationstechnik
vonM. Meyer
Kommunikationstechnik
vonM. Meyer
Digitale Kommunikationssysteme 1
Grundlagen der Basisband-Obertragungstechnik
von R. Nocker
Information und Codierung
von M. Werner
Nachrichtentechnik
von M. Werner
Mikroprozessorentechnik
von K. Wilst
vieweg ________________
~
Rudolf Nocker
Digitale
Kommunikations
systeme2
Grundlagen der Vermittlungstechnik
Mit 124 Abbildungen
I I
Studium Technik vleweg
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet tiber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage November 2005
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005
Lektorat: Reinhard Dapper
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sondere fiir Vervielfiiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und
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Techn. Redaktion: Hartmut Ktihn von Burgsdorff, Wiesbaden
Gedruckt auf siiurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN-13: 978-3-528-03977-6 e-ISBN-13: 978-3-322-89550-9
DOl: 10.1007/978-3-322-89550-9
v
Vorwort
Digitale Kommunikationssysteme iibermitteln digitale oder digitalisierte Nachrichten. Ubermitteln be
deutet iibertragen und vermitteln. Die digitale Ubertragungstechnik und die digitale Vermittlungstechnik
sind deshalb zwei Themengebiete von gleicher Wertigkeit flir das Verstandnis digitaler Kommunikations
systeme. Die Grundlagen beider Themengebiete werden in dieser Ausarbeitung mit etwa gleicher Ge
wichtung dargestellt. Die extreme Breite der Thematik erfordert zwingend eine Konzentration auf The
men von grundsatzlicher Bedeutung (mit langer Halbwertszeit) und somit gleichzeitig den Verzicht auf
viele interessante oder aktuelle Themen von Bedeutung.
In Band 1 wurden die Grundlagen der Digitalsignal-Ubertragung im Basisband sowie die grundlegenden
Begriffe und Verfahren der Informationstheorie, Quellen-, Kanal- und Leitungscodierung behandelt. Der
vorliegende Band 2 behandelt die Grundlagen der Bedienungstheorie (Kapitel 1 bis 2) und die Grundla
gen der Vermittlungstechnik (Kapitel 3 bis 8). Diese beiden Teile des Buchs konnen weitgehend unab
hangig voneinander bearbeitet werden.
Das Buch ist flir Studierende der Nachrichtentechnik, Informationstechnik oder Informatik an Fachhoch
schulen oder Universitaten sowie flir aile Interessierten mit gleichwertigen Vorkenntnissen geschrieben,
welche sich grundlegende Kenntnisse zur Funktionsweise digitaler Kommunikationssysteme erarbeiten
wollen. Es ist aus meinen Lehrveranstaltungen "Kommunikationstechnik" und "Kommunikationssys
teme" am Fachbereich Elektro- und Informationstechnik der Fachhochschule Hannover entstanden. Vor
ausgesetzt werden Kenntnisse der Ingenieur-Mathematik sowie Grundkenntnisse der Wahrscheinlich
keitsrechnung, wie sie im Rahmen der mathematischen Grundlagen-Ausbildung an Fachhochschulen
vermittelt werden. Die Darstellung ist auch zum Selbststudium geeignet, die Ubungsaufgaben (mit Lo
sungen) und Wiederholungsfragen (ohne Losungen) am Ende eines jeden Kapitels ermoglichen dem
Leser eine selbstandige Uberpriifung des Lemfortschritts.
In Kapitel 1 (Grundlagen zu Bedienungssystemen) werden die mathematischen Grundlagen zur Analyse
von Geburts- und Tod-Prozessen (exponentiell verteilte ZufallsgroBe, poissonscher Forderungsstrom,
stochastischer Prozess, Zustands-Wahrscheinlichkeiten, Gleichgewichts-Bedingungen) beschrieben. Ftir
den stationaren Zustand werden die Zustands-Wahrscheinlichkeiten des allgemeinen Geburts- und Tod
Prozesses abgeleitet. Dann wird das Little-Theorem behandelt und die Kendall-Notation ftir Bedienungs
systeme eingefUhrt.
In Kapitel 2 (Bedienungsmodelle) wird die Erlang-B-Formel flir Verlustsysteme mit N voll erreichbaren
Abnehmem abgeleitet. Der Dbergang von der Erlang-B-Formel zur angepassten, modifizierten Palm
Jacobaeus-Formel (aMPJ-Forme!) fUr Verlustsysteme mit N begrenzt erreichbaren Abnehmem wird
skizziert. AnschlieBend wird die Erlang-C-Formel fUr Wartesysteme mit N voll erreichbaren Abnehmem
abgeleitet. Der Sonderfall "Wartesystem mit genau einem Abnehmer" wird ausflihrlich diskutiert.
In Kapitel 3 (Kommunikations-Protokolle) wird nach einem Uberblick tiber Standardisierungs-Organi
sationen die Schichtenstruktur des OSI-Referenzmodells flir Kommunikationssysteme erlautert. Wichtige
Begriffe zum OSI-Referenzmodell werden definiert, das OSI-Referenzmodell wird beschrieben. Dann
wird auf die Intemet-Protokollfamilie eingegangen, wichtige Intemet-Protokolle werden diskutiert.
In Kapitel 4 (Grundlagen der Vermittlungstechnik) werden zunachst Definitionen und Grundbegriffe zur
Vermittlungstechnik zusammengestellt. Dann werden die moglichen Vermittlungs-Prinzipien (Durch
schalte-Vermittlung, Speicher-Vermittlung und deren Unterarten) beschrieben, deren Vorteile und Nach
teile werden diskutiert. Die fUr Echtzeit-Kommunikationsdienste (beispielsweise Vollduplex-Sprachkom
munikation) kritische Ende-zu-Ende-Durchlaufzeit in einem Telekommunikationsnetz wird berechnet.
AbschlieBend wird kurz auf die Entwicklung zum paketbasierten Universal-Nachrichtennetz eingegan
gen.
In Kapitel 5 (Durchschalte-Vermittlungen) werden zunachst (klassische und modeme) Realisierungs
Moglichkeiten flir Steuerung und Koppelnetz einer Durchschalte-Vermittlung klassifiziert. Dann werden
VI Vorwort
die Aufgaben der Anschluss-Schaltungen und die BORSCHT-Problematik diskutiert. AbschlieBend
werden verschiedene Realisierungs-Varianten flir kleine Raummultiplex-Koppelnetze und kleine Zeit
multiplex-Koppelnetze beschrieben und dimensioniert.
In Kapitel 6 (Entwicklung der Telekommunikationsnetze) werden Basis-Erfindungen zur digitalen Tele
kommunikationstechnik sowie deren Auswirkungen auf moderne Telekommunikationsnetze behandelt.
Dann wird der Stand der Telekommunikationsnetze in Deutschland flir das Jahr 1980 skizziert. Die Ent
wicklung der Telekommunikationsnetze von 1980 bis heute wird kurz beschrieben. AbschlieBend wird
auf die absehbare, zukiinftige Entwicklung (Konvergenz der Netze, paketbasiertes Universalnetz, Next
Generation Network) eingegangen.
In Kapitel7 (Schmalband-ISDN) werden wesentliche Eigenschaften des derzeitigen 64 kbitls-ISDN
(Schmalband-ISDN, S-ISDN) behandelt. Es werden weder Realisierungs-Details noch Protokoll-Stan
dards beschrieben, sondern die wesentlichen Architektur-Merkmale des Schmalband-ISDN herausgear
beitet, welche dessen Eigenschaften festlegen. Die S-ISDN-Vorteile flir Benutzer und Betreiber werden
beschrieben.
In Kapitel 8 (Raummultiplex-Koppelanordnungen) werden zunachst Definitionen zu Raummultiplex
Koppelanordnungen zusammengestellt. Uberlegungen zur optimalen Auslegung einer Raummultiplex
Koppelanordnung flihren zur dreistufigen Zwischenleitungsanordnung. Die Clos'sche Bedingung flir
Blockierfreiheit wird abgeleitet, die optimale Dimensionierung dreistufiger, blockierungsfreier Zwischen
leitungsanordnungen wird diskutiert. AbschlieBend werden die Naherungsformeln von Lee zur Berech
nung der inneren Blockierungen in Zwischenleitungsanordnungen abgeleitet. Dies ermoglicht die Kon
struktion quasiblockierungsfreier Koppelanordnungen mit geringer Koppelpunktanzahl. Die flir Kapitel 8
erforderlichen Vorkenntnisse zu Verlustsystemen sind im Anhang B zusammengestellt.
1m Anhang A (Leitungsnetz-Strukturen) werden die Definitionen zur Graphentheorie zusammengestellt,
welche zur Beschreibung von "Strukturen" erforderlich sind. Der Begriff des Strukturgraphs wird defi
niert und Strukturgraphen werden klassifiziert. Dem Leitungsnetz einer Netzebene eines Telekommu
nikationsnetzes wird eindeutig ein Strukturgraph zugeordnet, des sen Bezeichnung gemaB der durchge
flihrten Klassifizierung wird als "Leitungsnetz-Struktur" definiert.
1m Anhang B (Planung von Verlustsystemen) werden fiir Verlustsysteme die Kennwerte des Nachrich
tenverkehrs (Angebot, Belastung, Restverkehr, Verlustwahrscheinlichkeit) definiert und diskutiert. Dann
werden innere Blockierungen in Koppelanordnungen (und deren alternative Beschreibung mit Erreich
barkeiten) behandelt. Die wichtigsten Verkehrsmodelle flir Verlustsysteme werden kurz beschrieben, die
Anwendung von Verkehrstabellen flir Planungszwecke wird erlautert.
1m Anhang C (Verkehrstabellen flir Verlustsysteme) sind ausgewahlte Verkehrstabellen flir Verlustsys
teme (Abnehmeranzahl 1,2, ... 100) enthalten. Dies ermoglicht die Bearbeitung von Ubungsaufgaben
ohne Riickgriff auf Tabellenbiicher oder Rechenprogramme.
1m Anhang D (Historische Entwicklung) wird die historische Entwicklung der Telekommunikationstech
nik von den ersten Erfindungen bis heute skizziert. Zunachst wird die Entwicklung der Fernschreibtech
nik, Fernsprechtechnik und Vermittlungstechnik bis etwa 1900 kurz beschrieben. Wesentliche Erfindun
gen zur Telekommunikationstechnik, Schaltungstechnik und Rechnertechnik werden dann in Tabellen
form zusammengestellt.
"So eine Arbeit wird eigentlich nie fertig, man muB sie flir fertig erklaren, wenn man nach Zeit und Um
standen das moglichste getan hat" (Johann Wolfgang von Goethe).
Hannover, im September 2005 Rudolf Nocker
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen zu Bedienungssystemen ....................................................................... .
1.1 Einftihrung.......................................................................................................... 1
1.2 Mathematische Grundlagen................................................................................. 3
1.2.1 Exponentiell verteilte ZufallsgroBe......................................................... 3
1.2.2 Poisson' scher Forderungsstrom.............................................................. 7
1.2.3 Stochastischer Prozess ............................................................................ 10
1.2.4 Zustands-Wahrscheinlichkeiten beim Geburts- und Tod-Prozess .......... 11
1.2.5 KenngroBen eines Bedienungssystems ................................................... 14
1.3 Theoreme zu Bedienungssystemen ..................................................................... 15
1.3.1 Flusserhaltungs-Satz ............................................................................... 15
1.3.2 Theorem von Little ................................................................................. 16
1.4 Kendall-Notation................................................................................................. 19
1.5 Ubungen .............................................................................................................. 21
2 Bedienungsmodelle..................................................................................................... 22
2.1 Erlang'sches Verlustsystem M / M / N .............................................................. 22
2.1.1 Berechnung zu M / M / N ........................................................ .............. 22
2.1.2 Ergiinzungen zu M / M / N ..................................................................... 25
2.2 Verlustsystem M / M / N(k) ................................................................................ 28
2.2.1 Einftihrung .............................................................................................. 28
2.2.2 Palm-Iacobaeus-Formel (PI-Formel)...................................................... 29
2.2.3 Modifizierte Palm-Iacobaeus-Formel (MPI-Formel) ............................. 30
2.2.4 Angepasste modifizierte Palm-Iacobaeus-Formel (aMPI-Formel)......... 30
2.3 Erlang'sches Wartesystem M / M / N / 00 ........................................................... 32
2.3.1 Berechnung zu M / M / N / 00 ................................................................. 32
2.3.2 Wartedauer und Durchlaufdauer............................................................. 36
2.4 Erlang'sches Wartesystem mit 1 Abnehmer ....................................................... 38
2.4.1 Berechnung zu M / M / 1 / 00 .................................................................. 38
2.4.2 Ergiinzende Berechnungen zu M / M / 1 /00........................................... 42
2.5 Wartesystem M / G / 1 / 00 .................................................................................. 44
2.6 Ubungen .............................................................................................................. 47
3 Kommunikations-Protokolle ..................................................................................... 51
3.1 Standardisierungs-Organisationen ...................................................................... 51
3.2 Beschreibung von Kommunikationsvorgiingen .................................................. 52
3.3 Entwurfsprinzipien des OSI-Referenzmodells .................................................... 54
3.4 Terminologie des OSI-Referenzmodells ............................................................. 56
3.5 Ubersicht zum OSI-Referenzmodell................................................................... 59
3.6 Kurzbeschreibung des OSI-Referenzmodells ..................................................... 61
3.7 OSI-Referenzmodell und Intemet-Protokollfamilie............................................ 64
3.8 Kurzbeschreibung der Intemet-Protokollfamilie................................................. 67
3.8.1 Netzwerk-Protokolle (OSI-Schicht 3)..................................................... 67
VIII Inhaltsverzeichnis
3.8.2 Transport-Protokolle (OSI-Schicht 4)..................................................... 69
3.8.3 Dienstgiite fiir Intemet-Anwendungen.................................................... 72
3.8.4 Intemet-Echtzeitkommunikation............................................................. 74
3.9 Ubungen .............................................................................................................. 77
4 Grundlagen der Vermittlungstechnik ...................................................................... 79
4.1 Grundbegriffe der Ubertragungstechnik ............................................................. 79
4.2 Grundbegriffe der Verrnittlungstechnik .............................................................. 82
4.3 Aspekte der Dienstgiite ....................................................................................... 87
4.3.1 Sprachkommunikations-Dienstgiite ........................................................ 87
4.3.2 Verfiigbarkeits-Anforderungen............................................................... 89
4.4 Verrnittlungsprinzipien........................................................................................ 91
4.4.1 Klassifizierung der Vermittlungsprinzipien ............................................ 91
4.4.2 Durchschalte-Verrnittlungsprinzip .......................................................... 93
4.4.3 Speicher-Verrnittlungsprinzip ................................................................. 94
4.5 Lokale Netze ....................................................................................................... 97
4.6 Durchlaufverzogerung in Verrnittlungsnetzen .................................................... 104
4.6.1 Definition und Modellbildung ................................................................ 104
4.6.2 Berechnung der Ende-zu-Ende-Durchlaufverzogerung.......................... 106
4.6.3 litter-Buffer-Dimensionierung flir Vollduplex-Sprachkommunikation.. 108
4.6.4 Abschatzungen zur Ende-zu-Ende-Durchlaufverzogerung .................... 111
4.6.5 Zusammenfassung zu Durchlaufverzogerungen ..................................... 115
4.7 Durchschalte-Verrnittlung ................................................................................... 116
4.8 Paket-Verrnittlung ............................................................................................... 118
4.9 Zell-Verrnittlung.................................................................................................. 124
4.10 Diensteintegrierendes Universal-Digitalnetz....................................................... 127
4.11 Ubungen.............................................................................................................. 129
5 Durchschalte-Vermittlungen..................................................................................... 132
5.1 Steuerung............................................................................................................. 132
5.1.1 Klassifizierungskriterien und Realisierungsmoglichkeiten..................... 132
5.1.2 Wahlinforrnationsverwendung................................................................ 133
5.1.3 Konzentration der Steuerungs-Hardware................................................ 134
5.1.4 Definition der Steuerungs-Struktur..................................................... .... 136
5.1.5 Leistungssteigerung bei Steuerrechnem ................................................. 138
5.2 Koppelnetz .......................................................................................................... 138
5.2.1 Klassifizierungskriterien und Realisierungsmoglichkeiten..................... 138
5.2.2 Zweidraht- und Vierdraht-Ubertragung .................................................. 139
5.2.3 Raummultiplex-Koppelnetz .................................................................... 140
5.2.4 Zeitmultiplex-Koppelnetz ....................................................................... 141
5.2.5 Leistungssteigerung bei Koppelnetzen ................................................... 143
5.3 Anschluss-Schaltungen ....................................................................................... 144
5.3.1 Definitionen ............................................................................................ 144
5.3.2 Anschluss-Schaltungen einer Digital-Ortsverrnittlung ........................... 146
5.3.3 BORSCHT-Problematik ......................................................................... 147
5.4 Realisierung kleiner Koppelnetze........................................................................ 149
5.4.1 Vorbemerkungen..................................................................................... 149
Inhaltsverzeichnis IX
5.4.2 Kleines Raummultiplex-Koppelnetz....................................................... 150
5.4.3 Kleines Zeitmultiplex -Koppelnetz ........................... .............. ................. 152
5.5 Ubungen .............................................................................................................. 159
6 Entwicklung der Telekommunikationsnetze ........................................................... 161
6.1 Basis-Technologien ..... ........... ....... ............... ............ ............. ........ ........ .............. 161
6.2 Ausgangssituation 1980 ...................................................................................... 163
6.3 Entwicklung ab 1980........................................................................................... 165
6.4 Zukiinftiges Universal-Digitalnetz...................................................................... 171
6.5 Ubungen .............................................................................................................. 176
7 Schmalband-ISDN...................................................................................................... 177
7.1 Wesentliche Eigenschaften des Schmalband-ISDN ...... ............. .............. ........... 177
7.1.1 Ubersicht................................................................................................. 177
7.1.2 Signalisierungs-Konzept im Schmalband-ISDN ................. .......... ......... 180
7.1.3 Kommunikationsmoglichkeiten im Schmalband-ISDN.......................... 181
7.1.4 EURO-ISDN........................................................................................... 182
7.2 Basisanschluss beim Euro-ISDN ........................................................................ 184
7.2.1 Schnittstellen und Ubertragungsverfahren beim ISDN -Basisanschluss . 184
7.2.2 Engerate-Auswahl im ISDN ................................................................... 186
7.3 ISDN-Vorteile..................................................................................................... 187
7.3.1 Vorbemerkung ........................................................................................ 187
7.3.2 Beschreibung der Teilnehmer-Vorteile................................................... 188
7.3.3 Beschreibung der Netzbetreiber-Vorteile ............................................... 189
7.4 Ubungen.............................................................................................................. 189
8 Raummultiplex-Koppelanordnungen....................................................................... 191
8.1 Definitionen......................................................................................................... 191
8.2 Gruppierungen .................................................................................................... 196
8.3 Innere Blockierungen .......................................................................................... 199
8.4 Ziel des Koppelnetz-Entwurfs............................................................................. 201
8.5 Einstufige Koppelanordnung .............................................................................. 201
8.6 Zweistufige Zwischenleitungsanordnung ........................................................... 202
8.6.1 Definition der Zwischenleitungsanordnung............................................ 202
8.6.2 Zweistufige Zwischenleitungsanordnung ............................................... 204
8.7 Reduzierung innerer Blockierungen.................................................................... 206
8.7.1 Voriiberlegungen .................................................................................... 206
8.7.2 Blockierungsfreie dreistufige Zwischenleitungsanordnung.................... 208
8.7.3 Aufweitungsfaktor einer Koppelstufe..................................................... 210
8.8 Dimensionierung dreistufiger Zwischenleitungsanordnungen............................ 211
8.9 Erganzende Hinweise.......................................................................................... 215
8.10 Berechnung der Blockierwahrscheinlichkeit.. ..................................................... 217
8.10.1 Vorbemerkungen .................................................................................... 217
8.10.2 Berechnungs-Verfahren von Lee............................................................ 218
8.10.3 BII bei zweistufiger Zwischenleitungsanordnung .................................. 220
8.10.4 BII bei zweistufiger Zwischenbiindelanordnung ...... ............. ........... ...... 221
8.10.5 BII bei dreistufiger Zwischenleitungsanordnung ................................... 222