PSTN

 

 Allgemeines

Das öffentliche Telefonnetz (Public Switched Telephone Network, PSTN) ist das älteste und grösste bestehende Telekommunikationsnetz. Das PSTN ist dasjenige Telefonnetz, an das per Definition der grösste Teil der Weltbevölkerung angeschlossen ist, sofern sie ein Telefon besitzten. In den meisten Fällen erfolgt eine Verbindung, z.B. zu einem andern Telefonnetz, auf Anforderung des Benutzers.

Das PSTN-Netz wird manchmal auch als analoges Netz bezeichnet – im Gegensatz zu
ISDN und GSM, die digitale Netze darstellen. Der Grund ist, dass über die Kupferleitungen übertragenen Signale in einer "analogen Form", d.h. mit kontinuierlichen und weichen Amplituden- und Frequenzänderungen übertragen werden. Die menschliche Sprache und ein Musikinstrument sind Beispiele für analoge Signalquellen – beide erzeugen komplexe Variationen in Frequenz und Amplitude. Im Gegensatz dazu bestehen die digitalen Signale aus einer Folge von diskontinuierlichen Fragmenten des ursprünglichen analogen Signals. Ein digitales Signal ist nur eine vereinfachte Kopie des analogen Signals, jedoch gut genug für unsere nicht perfekten Sinne. Das für die herkömmlichen Telefoniedienste benutzte Frequenzband liegt im Bereich zwischen 300 und 3400 Hz.

Es wird erzählt, dass die Geschichte des PSTN im Jahre 1876 begann, als der Amerikaner, Graham Bell, - ein gebürtiger Schotte, bei elektrischen Versuchen Säure auf seine Hose schüttete. Seine Reaktion "Mr. Watson, kommen Sie bitte, ich brauche Sie", brachte seinen Angestellten mit dem Namen Thomas A. Watson zum Rennen, denn diese Worte wurden durch Elektrizität und eine Leitung in den Raum von Watson übertragen (bis zu diesem Zeitpunkt konnte über dieses System lediglich ein Klingelzeichen übertragen werden).

Seit diesem Zeitpunkt hat das PSTN-Netz viele Veränderungen erfahren – wir benötigen keinen menschlichen Vermittler mehr, der unsere Verbindung zu einem beliebigen Gesprächspartner manuell herstellt (früher war dies in der Tat notwendig). Zu den gewöhnlichen Telefonapparaten für die Sprache sind Faxgeräte und Modems dazugekommen und jene runden Wählscheiben, die unsere Grosseltern noch für die Nummerneingabe benutzten, wurden schon längst durch Tasten abgelöst.



 Arbeitsweise eines gewöhnlichen alten Telefons (Plain Old Telephone Service, POTS)
In der unten stehenden Abbildung ist ein PSTN dargestellt. Grundsätzlich besteht es aus einer Anzahl Kupferadernpaare, die eine Verbindung von den Telefonsteckdosen in unseren Wohnungen und Häusern zu einer sogenannten Anschlusszentrale herstellen und die am Benutzerende einen offenen Stromkreis bilden (dieser Teil des Netzes wird auch als Zugangsnetz (Local Loop) bezeichnet; ein weiterer mit diesem Teil des Netzes verbundener Ausdruck ist "Letzte Meile (Last Mile)", sie bezeichnet das Kupferadernpaar von der Anschlusszentrale zu den Räumlichkeiten des Teilnehmers); eine Anzahl Anschlusszentralen werden dann über ein Übertragungsnetz (Fernleitungen) untereinander verbunden, das heute nicht mehr unbedingt ein PSTN-Netz sein muss, sondern auch als ATM- oder IP-Netz ausgelegt sein kann.



Wenn der Benutzer den Telefonhörer abhebt (im Fall eines schnurlosen Telefons wie z,B, einem
DECT-Telefon wird dieses Ereignis durch einen Anruf von der Mobilstation zur Basisstation ersetzt), wird der Netzstromkreis geschlossen; dadurch wird dem System mitgeteilt, dass der Teilnehmer eine Verbindung herstellen möchte. Das System sendet dem Teilnehmer einen Summton zurück, der dem rufenden Teilnehmer anzeigt, dass er nun die Telefonnummer des (gerufenen) Teilnehmers wählen kann, den er zu sprechen wünscht. Wenn die Nummer bereits im Telefonapparat enthalten ist (durch vorbestimmte Wahl oder gespeichert in einem Telefonbuch), wird sie an das Netz übertragen; andernfalls muss sie vom Benutzer eingegeben werden. Physikalisch wird die Nummer auf der Leitung in einem der zwei verschiedenen möglichen Modi übertragen: im Modus "Impuls"-Wahl oder im Modus "DTMF"-Wahl (DTMF = Dial Tone Multiple Frequency).

"Impuls"-Wahl ist der ältere, immer noch benutzte Modus. Die Ziffern werden durch die Anzahl der auf der Leitung gesendeten elektrischen Impulse unterschieden. Im DTMF-Modus werden die Ziffern durch eine "Melodie" dargestellt, die aus einem Tonfrequenzpaar gebildet und über die Leitung gesendet wird (zusätzlich zu den Ziffern wurde auch den Zeichen A, B, C, D, * und # eine definierte Melodie zugeteilt). Wenn die Nummer in der Anschlusszentrale eintrifft, beginnt das Netz eine Reihe von Leitungsverbindungen basierend auf der Bedeutung der Ziffern in der Nummer aufzubauen, was schliesslich zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Endgeräten des rufenden und gerufenen Teilnehmers führt – aus diesem Grund werden üblicherweise die heutigen Telefonnetze als Leitungsvermittelte Netze bezeichnet. Im Gegensatz dazu sind IP-Netze (Link_to swissvoice IP technology introduction) Paket-(vermittelte) Netze. Dem gerufenen Teilnehmerendgerät wird ein Rufton gesendet, der auch in der andern Richtung an den rufenden Teilnehmer übertragen wird (im Fall eines schnurlosen Telefons, z.B. DECT ist es möglich, dass die Aktivitäten des PSTN-Netzes nicht an die Mobilstation übertragen werden – dies wird als Netzterminierung in der Basisstation bezeichnet – in diesem Fall kann die Basisstation selbst den Rufton lokal erzeugen). Nun kann der gerufene Teilnehmer seinen Hörer abheben und zu sprechen beginnen. Die Verbindung wird beendet, wenn beide beteiligten Parteien ihre Hörer auflegen.

Über den gleichen Übertragungskanal können durch das Senden auf unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig mehrere analoge Gespräche übertragen werden – dies wird als Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiplexing, FDM) bezeichnet.


 PSTN Dienste
Sprache und Daten gehören zu den beiden Basisdiensten, die über das PSTN unterstützt werden. Sie stellen aus der Sicht der Dienstgüte, die als "akzeptabel* qualifiziert wird, unterschiedliche Anforderungen. So kann zum Beispiel bei einer Sprachverbindung eine Qualitätsverminderung bis zu einer Grenze, bei der die Sprache noch verstanden werden kann - hingenommen und Rauschen toleriert werden. Gleichzeitig sind jedoch Signalverzögerungen nicht tolerierbar, wir wollen die Wörter nicht einzeln und in unterschiedlichen zeitlichen Abständen hören. Bei Daten liegt der Fall gerade umgekehrt – Verzögerungen sind tolerierbar – zum Beispiel stört es uns nicht, wenn die Web-Seite, die wird ansehen wollen, in unterschiedlichen Zeitintervallen stückweise übertragen wird (sofern wir dabei nicht die Geduld verlieren); "Rauschen" kann dagegen nicht akzeptiert werden, denn auch nur leichtes Rauschen bei der Übertragung würde zu einer "seltsam" aussehenden Web-Seite führen (sofern wir sie denn noch als solche erkennen könnten). Diese speziellen Anforderungen und die Natur des PSTN selbst haben aus dem PSTN ein sehr langsames Netz bei der Übertragung von Daten gemacht. Der einzige Weg dies zu überwinden führt über die Einführung von Kompressionstechniken, mit denen das Datenvolumen vor der Übertragung über das PSTN vermindert wird.

Die Einführung von elektronischen, Computergesteuerten Telefonzentralen während der 70er-Jahre erlaubte den Betreibern, im Netz neue, vollkommen unterschiedliche Teilnehmerdienste zu entwickeln. Heute ist es für einen Betreiber einfacher, sich dadurch ein eindeutiges Image zu geben und die Einnahmen zu steigern. Einige der Dienste sind gebührenpflichtig, andere sind frei. Viele der freien Dienste helfen mit, die Anzahl der erfolgreichen Verbindungen zu erhöhen und Einnahmen zu erzeugen. Diese Dienste sind normalerweise unter der Bezeichnung Zusatzdienste und Mehrwertdienste bekannt.

Verschiedene PSTN-Betreiber in unterschiedlichen Ländern haben sich für die Einführung anderer PSTN-Dienste entschieden, was bedeutet, dass in den verschiedenen Ländern oder sogar in ein und demselben Land abhängig von der Wahl des Betreibers nicht alle möglichen PSTN-Dienste zur Verfügung stehen. Die folgende Liste zeigt eine kleine Auswahl aus der Liste der Dienste, die Ihnen von Ihrem Betreiber angeboten werden können:

Identifizierung des rufenden Teilnehmers (Calling Line Identification Presentation, CLIP): Auch unter der Bezeichnung "Caller ID" bekannt; dieser Dienst erlaubt dem gerufenen Teilnehmer bei einem ankommenden Anruf die Nummer des rufenden Teilnehmers auf dem Display seines Endgerätes anzuzeigen. Es sind zwei allgemein akzeptierte Methoden vorhanden, die CLIP-Information zu übertragen – über die DTMF- oder die FSK-Signalisierung (FSK = Frequency Shift Keying)
Anrufweiterleitung (Call forwarding): Dieser Dienst leitet ankommende Anrufe an eine andere Nummer weiter.
Automatischer Rückruf bei Besetzt (Call-back oder Completion of call to a busy subscriber): Wenn der gerufene Teilnehmer besetzt ist, kann der rufende Teilnehmer den Rückruf-Dienst anfordern; das bedeutet, dass er für die Verbindung zur besetzten Nummer in eine Warteschlange eingereiht wird und sobald jener Teilnehmer frei wird, das Netz automatisch die Verbindung zu ihm herstellt und den rufenden Teilnehmer darauf hinweist.
Anklopfen (Call waiting): Während eines laufenden Gesprächs wird ein spezielles Signal erzeugt, um anzuzeigen, dass ein dritter Teilnehmer Sie anruft.

Für den Zugang zu diesen Diensten und die Steuerung dieser Dienste über das Telefon werden Dienstcodes verwendet (so wird zum Beispiel der Dienstcode 21 für den Dienst "Unbedingte Anrufumleitung (call forwarding unconditional)" benutzt). Der Teilnehmer aktiviert diese Dienste normalerweise durch Abheben des Hörers und Eingabe einer Tastenkombination aus den Zeichen Stern, Ziffer, Doppelkreuz. Die Registertaste (R) wird ebenfalls benutzt, zum Beispiel zum Umschalten zwischen den Teilnehmern bei einer Dreierverbindung. Das System bestätigt normalerweise die Ausführung des Dienstes durch Senden eines Tons oder einer Sprachansage.

Zusätzlich zur Bereitstellung eines reinen Sprachdienstes kann ein Telefon ein extrem effizientes Werkzeug für einen Benutzer sein,;der eine Nachricht senden, Finanztransaktion tätigen oder nur eine Kurznachricht (
SMS) an einen andern Telefonapparat senden möchte. (die meisten swissvoice PSTN–Telefonapparate unterstützen SMS).

Das PSTN behandelt solche Dienste wie jede andere Telefonverbindung: Sobald der Teilnehmer die Nummer des Dienstes gewählt hat, stellt es die Verbindung zum richtigen Ziel her. Unmittelbar nach der Beantwortung des Anrufs wird der direkte Kontakt mit der Destination, z.B. einem Computer oder einem Mittteilungsdienst-Gateway hergestellt. Die DTMF-Signalisierung der Telefontastatur ist dann das am häufigsten benutzte Werkzeug, um Information vom Teilnehmer über die aufgebaute Verbindung zu übertragen.

DTMF ist jedoch nicht in der Lage, in allen Fällen die benötigten Mittel zur Verfügung zu stellen – wenn zum Beispiel eine
SMS message gesendet/empfangen werden soll, müsste ein vollständiger Satz Ziffern und Buchstaben vorhanden sein, der aber mit der DTMF-Signalisierung nicht verfügbar ist – an ihrer Stelle wird die bereits erwähnte FSK-Signalisierung benutzt.

Wenn Sie ein
DECT-Telefon oder einige leitungsgebundene PSTN-Telefonapparate verwenden, kann der ganze Vorgang natürlich für Sie gut verborgen hinter einem benutzerfreundlichen Menü ablaufen, das Ihnen auf der Mobilstation zur Verfügung steht (dies ist zum Beispiel bei allen swissvoice Telefonapparaten der Fall). Auf dem Display der Mobilstation können Sie die Bezeichnung des Dienstes sehen; sie müssen lediglich eine einzige Taste betätigen, um ihn zu aktivieren – das Telefon selbst wird dann die benötigte Tastenkombination aus den Zeichen "Stern, Ziffer, Doppelkreuz" identifizieren und sie an das Netz senden.

 Anschluss von digitalen Geräten an das PSTN
DECT-Telefonapparate, Faxgeräte und Modems sind einige der Beispiele für digitale Benutzer-Endgeräte, die an ein PSTN-Netz angeschlossen werden können. Damit diese Geräte funktionieren können, muss das digitale Signal zuerst in ein analoges Signal umgewandelt oder "moduliert" werden. Diese Umwandlung muss auch auf dem Übertragungsnetz vorgenommen werden, wenn es sich wie z.B. bei ISDN, ATM oder um ein digitales Netz handelt. Es können verschiedene Modulationstechniken eingesetzt werden. Während vieler Jahrzehnte erfolgte die A/D-Umwandlung der Sprache mit der sogenannten PCM-Codierung. Dies ist eine reine Amplitudencodierung, die zu einer bidirektionalen Verbindung mit einer Bitrate von 64 kbit/s führt.

Im Falle von
DECT wird die Adaptive Differenz-PCM-Codierung (Adaptive Differential Pulse Code Modulation, ADPCM) verwendet, die in der ITU-T-Empfehlung G.726 beschrieben ist. ADPCM ergibt eine Bitrate von 32 kbit/s mit der gleichen Information (und daher der gleichen Qualität) wie sie mit der gewöhnlichen 64-kbit/s-PCM-Codierung erreicht wird.

Im Falle des Telefax erfolgt das digitale Scannen nach dem sogenannten Gruppe-3-Fax-Standard, der 1980 spezifiziert wurde – die ersten Fax-Standards verwendeten noch analoge Scanverfahren und wurden als Standards der Gruppe 1 (1968) und Gruppe 2 (1976) bezeichnet. Der verwendete Codierungs-Standard ist eine Art von Quadratur-Amplitudenmodulation (Quadrature Amplitude Modulation, QAM), wie ITU-T V.27ter/V.29, der acht Phasen und zwei Amplitudenwerte definiert. Er stellt eine maximale Bitrate von 9600 bit/s zur Verfügung. Die Kapazität wurde jedoch seit der Einführung von Gruppe 3 erhöht. V.17 ist ein Fax-Standard, der Geschwindigkeiten bis zu 14,4 kbit/s zulässt. Der für die Datenkommunikation entwickelte V.34-Standard stellt die gleiche Kapazität zur Verfügung. Es wird immer Fallback verwendet, was bedeutet, dass das sendende Faxgerät immer mit der höchstmöglichen Übertragungsrate zu senden beginnt und dann die Rate herabsetzt, wenn zu viele Fehler auftreten oder das empfangende Faxgerät die höhere Übertragungsrate nicht verarbeiten kann.

Für Modems ist die Anzahl der benutzten Codierungs-Standards sogar noch grösser. Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist die erreichbare Datengeschwindigkeit. Die International Telecommunication Union (ITU-T) spezifiziert eine Anzahl von Modems für höhere Geschwindigkeiten (über 48 kbit/s), die im Frequenzbereich von 60 bis 108 kHz verwendet werden können. Die Standards für diese Modems sind V.36 und V.37. Es ist auch üblich, Modem-Standards mit einem Kompressionsstandard zu kombinieren, der für eine spezifische Anwendung geeignet ist (Fax oder File-Transfer), um die verfügbare Übertragungskapazität weiter zu steigern. V.42bis und MNP 5 sind zwei verbreitete Kompressions-Standards.