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Lokales Kommunikationssystem mit einem Sternnetz
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und optischen Kanälen Die Erfindung bezieht sich auf e.in lokales
Kommunikationssystem - LKS - mit einem Sternnetz und optischen Kanälen, in dem für
jede Teilnehmerstation für die Sende- und die Empfangsrichtung getrennte, in einem
zentralen Sternkoppler zusammengeführte Lichtwellenleiter vorgesehensind und die
Teilnehmerstationen solche Komponenten enthalten, die zur elektrischoptischen bzw.
optisch-elektrischen Signalumwandlung und für den Zugriff auf einen Kanal benötigt
werden.
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Als "Lokales Kommunikationssystem - LKS" werden sehr unterschiedliche
Systeme bezeichnet, die sich zudem in schneller Weiterentwicklung befinden. So wird
dieser Begriff beispielsweise im Bereich privater Nebenstellenanlagen verwendet.
Dort steht der Dienst "Fernsprechen" im Vordergrund, für den eine zentrale digitale
Vermittlungstechnik auf der Basis des 64 kbit/s-Kanal entsteht. Wird ein schneller
Verbindungsaufbau in ca.
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5 ms oder weniger eingeführt, läßt sich eine Fülle weiterer Schmalbanddienste
in solchen Nebenstellenanlagen abwickeln.
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Als Lokales Kommunikationssystem werden aber auch lokale Datenübertragungsanlagen
bezeichnet. Sie unterscheiden sich von Fernsprech-Nebenstellenanlagen durch die
Übertragungsrate (derzeit einige Plbit/s),teilnehmerzugeordnete Steuerungen, Paketvermittlung
usw. In der Regel fallen dort die zu übermittelnden Daten- in verhältnismäßig geringem
Umfang und in sehr unregel-
mäßigen Abständen an.
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Die nachfolgend aufgeführten, eine begrenzte Auswahl repräsentierenden
Veröffentlichungen spiegeln den derzeitigen Stand der Entwicklung optischer Kommunikationssysteme
wieder. Aus "Siemens Forsch.-u.Entwickl. -Ber." Bd. 9 (1980) Nr. 1 Seiten 32 bis
37 ist bekannt, unter welchen Voraussetzungen Sternkoppler-Konfigurationen für Lichtwellenleiter-Bussysteme
in einer verteilten Multimikrocomputerstruktur zum Einsatz kommen können. Einen
weiteren Uberblick zu optischen Datenbussen in verteilten Rechner-Systemen bietet
"Optische Informationsübertragung mit Lichtwellenleitern", VDE-Verlag Berlin 1982
(Kontakt & Studium Bd. 96), dort Kapitel 8, Seiten 119 bis 144. Das sich dort
anschließende Kapitel 9, Seiten 145 bis 173, befaßt sich mit der digitalen und analogen
optischen Breitband-Ubertragungstechnik. Eine weitere Darstellung von lokalen Kommunikationssystemen
auf der Basis der Technologie für faseroptische Kommunikation findet sich in "Siemens
Forsch.-u.Entwickl.-Ber." Bd. 12 (1983) Nr. 1, Seiten 3 bis 10. Uber ein digitales
integriertes Netz, insbesondere dessen Komponenten, Struktur und Organisation des
Systems wurde anläßlich des "1978 International Zurich Seminar on Digital Communication",
7./9.März 1978 - s. "Proceedings", S. B 7.1 bis B 7.6 - berichtet.
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Hieraus läßt sich folgende Tendenz ablesen: Für einige Anwendungsbereiche
liegen zahlreiche Vorschläge bzw.
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sogar marktfähige Systeme vor. Zukunftssichere Systeme beruhen auf
optischer Nachrichten- oder Datenübertragung. Die Einbeziehung von Diensten aller
Kategorien, d.h. von Schmal-, Mittel- und Breitbanddiensten in ein Lokales Kommunikationssystem
ist aber noch weitgehend ungeklärt.
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Die Erfindung geht davon aus, daß ein solches System große Flexibilität
aufweisen muß, um die sehr heterogenen Voraussetzungenr d.h. die Vielzahl branchenspezifischer
Anforderungen, erfüllen zu können, und daß hierzu die optische Nachrichtentechnik,
sowohl für die Übertragung als auch -für die Vermittlung, so weit wie möglich,eingesetzt
werden sollte. Dies wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein vollsynchrones Zeitmultiplexsystem
mit wahlfreiem Zugriff (TDMA-System) und einer maximalen Datenrate im Gbit/s-Bereich
für die integrierte Abwicklung mit schneller Leitungsvermittlung von unterschiedlichen
Diensten, d.h. Schmalbanddiensten mit einem Bandbreitenbedarf bis 64 kbit/s und
Mittelbanddiensten mit einem Bandbreitenbedarf weit über 64 kbit/s sowie gegebenenfalls
zumindest einer schmalbandigen Signalisierung bei Breitbanddiensten.
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Die einzelnen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung sind für sich
genommen zweifellos in diesem oder jenem Zusammenhang bereits bekannt. Dies ist
durchaus gewollt, da eingeführte und bewährte Techniken nicht unnötig aufgegeben
werden sollen. Da es aber für die integrierte Abwicklung von unterschiedlichen Diensten
schlechthin nicht möglich ist, es überall bei den bisherigen Konzepten zu belassen,
muß ein Mindestmaß solcher Details vorgegeben werden, die einheitlich für die verschiedenen
Dienste zur Anwendung kommen können.
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So ist beispielsweise für den Dienst t'Fernsprechen" ein vollsynchrones
Zeitmultiplexsystem nicht ungewöhnlich.
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Allein dafür würde man wohl aber eine Datenrate im Gbit/s-Bereich,
zumal in einem Lokalen Kammunikationssystem, nicht vorsehen. Weiterhin sind im Bereich
privater Nebenstellenanlagen zwar Sternnetze weit verbrei-
tet,
nicht jedoch solche mit optischen Kanälen, für die die einzelnen Teilnehmerstationen
für die Sende-und die Empfangsrichtung über getrennte, in einem zentralen Sternkoppler
zusammengeführte Lichtwellenleiter miteinander verbunden und mit solchen Komponenten
ausgerüstet sind, die für den Zugriff auf einen Kanal benötigt werden.
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Merkmale wie Sternnetz, optische Kanäle, voneinander getrennte Lichtwellenleiter
für die Sende- und die Empfangsrichtung, deren Zusammenführung in einem zentralen
Sternkoppler sowie die Ausrüstung der angeschlossenen Stationen mit solchen Komponenten,
die zur elektrisch-optischen bzw. optisch-elektrischen Signalumwandlung und für
den Zugriff auf einen Kanal benötigt'werden,- sind - zumindest teilweise - von Rechnersystemen
her bekannt. Dafür sind dort vollsynchrone Zeitmultiplexsysteme, wahlfreier Zugriff,
schnelle Leitungsvermittlung sowie auch Datenraten im Gbit/s-Bereich für optische
Übertragung und Vermittlung nicht gebräuchlich.
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Bezüglich der Breitbanddienste sind, wie eingangs schon erwähnt, viele
Einzelheiten nicht geklärt. Die optische Ubertragung ist beherrschbar, sowohl in
analoger als auch in digitaler Technik. Deren Vermittlung erfolgt, wenn überhaupt,
bisher in Form elektrischer Signale. Ein auf dem Heterodyn-Prinzip beruhendes Konzept
- siehe EP - Al 0 077 292 (Erfinder: Strebel, B.; Bachus, E.-J.) - erfordert in
jedem Fall Monomodefasern und -Koppler. Bei einem größeren Angebot an Breitbanddiensten
sollte zumindest deren schmalbandige Signalisierung im selben Netz mit den Schmal-
und Mittel-
banddiensten durchgeführt werden. Bei Ausführungsformen
der Erfindung wird deshalb vom zentralen Sternkoppler zumindest der leere Zeitmultiplexrahmen
und die Signalisierung aller integrierten Dienste an die angeschlossenen Teilnehmer-
bzw. Uberwachungs-/Steuer-Stationen weiter geleitet.
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In Bezug auf Mittelbanddienste, im wesentlichen also Datenübermittlung
für Rechner, stellt ein vollsynchrones Zeitmultiplexsystem mit wahlfreiem Zugriff
und schneller Leitungsvermittlung einen beachtlichen Gegensatz zu der dort bisher
üblichen Paketvermittlung dar. Selbstverständlich ist hierbei eine schnelle Leitungsvermittlung,
also eine Durchschaltung einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung in etwa 5 ms oder weniger,
von besonderer Bedeutung. In Anbetracht dessen, daß bei einer schnellen TDMA-Vermittlung
keine Paketverluste auftreten, die für Sprach-, Ton- und Bewegtbildsignale ohnehin
nicht akzeptiert-werden könnten, dürfte eine solche, für Datenverkehr an sich bisher
unübliche Vermittlungstechnik, auch hier von Vorteil sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist ein Generator
- als solcher an sich bekannt - vorgesehen, der einen leeren Zeitrahmen erzeugt
und diesen über einen Lichtwellenleiter in den zentralen Sternkoppler einspeist.
Aus Sicherheitsgründen sollten dieser Sync.-Generator und der zentrale Sternkoppler
örtlich möglichst eng benachbart sein. Im Prinzip kann die Generierung und Einspeisung
des leeren Zeitrahmens aber auch Von einer entsprechend ausgerüsteten Teilnehmerstation
wahrgenommen werden.
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Kennzeichnend für eine weitere Ausführungsform der Er-
findung
sind Zeitschlitze des Zeitmultiplexrahmens mit Schutzzonen am Anfang und am Ende.
Hierdurch wird zwar die für die eigentliche Nachricht nutzbare Übertragungskapazität
verringert, aber verhindert, daß in zwei benachbarten Zeitschlitz-en, die von verschiedenen
Teilnehmerstationen in den zentralen Sternkoppler gesendet werden, bei ungenauer
Synchronisierung sich Zeitschlitzinhalte gegenseitig zerstören. Eine solche Schutzzone
kann beispielsweise am Anfang eines Zeitschlitzes von wenigen, d.h. ein, zwei oder
drei Leerbits und einem Startbit, am Ende entsprechend von einem Stopbit und wenigen
Leerbits,gebildet werden.
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An dieser Stelle soll kurz auf die Synchronisierung einer Teilnehmerstation
eingegangen werden. Hierzu sendet sie an sich selbst in einem freien Zeitschlitz
ein Prüfwort aus. Sie empfängt dieses Prüfwort nach der doppelten Laufzeit (2 mal
einfache Entfernung bis zum zentralen Sternkoppler). Die Teilnehmerstation braucht
ihren Sendezeitpunkt nur so zu verschieben, bis das Prüfwort zeitlich -richtig,
bezogen auf das Synchronisierwort des herrschenden Zeitrahmens, empfangen wird.
Sind Synchronisierwort und Prüfwort im empfangenen Zeitrahmen im richtigen Abstand,
so sind sie es auch im Sternkoppler und damit auch bei der Aussendung.
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Da der Synchronismus auch im Betriebszustand leicht überwacht werden
kann, benötigt man für die oben genannten Schutz zonen in einem Zeitschlitz tatsächlich
nur sehr wenige Leerbits.
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Einen besonderen Vorteil bieten Ausführungsformen der Erfindung mit'einer
beliebig wählbaren Bitrate innerhalb des Nutzbereichs eines Zeitschlitzes. Endeinrich-
tungen
für die verschiedenen Dienste brauchen also nichtauf dieselbe Bitrate ausgelegt
zu sein. Während der Aufbauphase einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung signalisieren sich
die betreffenden Teilnehmerstationen, mit welcher Bitrate sie ihre Nachrichten oder
Daten für die vorhandenen Endgeräte des betreffenden Dienstes senden bzw. empfangen
können. Hierdurch wird also eine nicht unbeachtliche Flexibilität erreicht, die
der Aufgabenstellung für. die Erfindung zugrunde liegt. Die Art der Daten und deren
Struktur, insbesondere die für sie gewählte Modulation oder Kodierung, innerhalb
des Nutzbereichs eines Zeitschlitzes ist bei Ausführungsformen der Erfindung ohnehin
nicht fest vorgegeben, d.h. Lokale Kommunikationssysteme entsprechend der Erfindung
sind diesbezüglich transparent.
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Im allgemeinen wird aus wirtschaftlichen Gründen,aber auch im Hinblick
auf Erweiterungsmöglichkeiten oder höhere Ausbaustufen lokaler Kommunikationssysteme
eine getrennte Führung der Breitband- und der übrigen Dienste vorgesehen sein. Für
eine derartige getrennte Führung kommen beispielsweise gesonderte Lichtwellenleiter
oder auch die Wellenlängenmultiplextechnik in Betracht. Insoweit ist es auch für
Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft, ein eigenes transparentes optisches
Koppelfeld mit einer Raumstufe für die Durchschaltung von Breitbanddiensten vorzusehen.
Zeitstufen oder Zeit-/Raum-Stufen in Koppelfeldern müssen taktabhängig geschaltet
werden. Da dies der Idee des transparenten Kanals entgegensteht, muß ein Koppelfeld
in einem Lokalen Kommunikationssystem, das die gewünschte Flexibilität aufweisen
soll, als reine Raumstufe ausgebildet sein.
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Zweckmäßig sind optische Schalter in LiNb03-Technik, aus denen das
Koppelfeld für die Durchschaltung der Breitbanddienste aufgebaut ist. Derartige
.optische Schalter lenken durch ein angelegtes elektrisches Feld die Lichtwelle
um, wirken also im Prinzip wie eine Weiche oder Abzweigung im Transportwesen oder
wie ein Fluid-Schalter für strömendergasförmige oder flüssige Medien. Sie lassen
sich, wenn auch nicht in beliebigem Umfang, kaskadieren, so daß von einem Eingang
eines Koppelfeldes aus mehrere Ausgänge erreichbar sind. Sofern ein ausreichend
großes Koppelfeld mit derartigen optischen Schaltern nicht verfügbar ist, können
bei Ausführungsformen der Erfindung auch mehrere kleinere Koppelfelder und mehrere
Wellenlängen für die Ubertragung von Breitbanddi-ensten vorgesehen werden. Während
der im Schmalbandsystem stattfindenden Signalisierung für eine Breitband-Punkt-zu-Punkt-Verbindung
findet dann hierfür eine entsprechende Zuweisung der zu benutzenden Wellenlänge
und des einzuschaltenden Koppelfeldes statt.
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Aus den bisherigen Erläuterungen ist zu entnehmen, daß die Vermittlung
in einem Lokalen Kommunikationssystem gemäß der Erfindung im wesentlichen dezentral
erfolgt.
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Dazu sind die Teilnehmerstationen mit solchen Komponenten ausgerüstet,
die für den Zugriff auf einen Kanal benötigt werden. Bei bislang bekanntgewordenen
Systemen mit dezentraler Vermittlung werden häufig Eigenschaften der verwendeten
Netzstruktur und des Vermittlungsprinzips zur Beurteilung des einen - d.h. der Netzstruktur
- und des anderen - d.h. der dezentralen Vermittlungstechnik - in unzulässiger Weise
miteinander verknüpft. Eine dezentrale Vermittlung erfordert
beispielsweise,
den Summenverkehr allen angeschlossenen Teilnehmerstationen zuzuführen. Hierfür
scheinen Ring- oder Linien-Strukturen für das Netz geeigneter zu sein als ein Sternnetz.
Sicherheitsüberlegungen führen demgegenüber zu einer Sternstruktur. Hierbei sind
wiederum höhere Kabellängen pro Teilnehmer nötig als bei Ringstruktur.
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Bei der Erfindung sind für die Festlegung auf ein Sternnetz und optische
Nachrichtentechnik für die Übertagung und die Vermittlung folgende Gründe ausschlaggebend:
- Bei einem Lokalen Kommunikationssystem sind die zu überbrückenden Entfernungen
gering. Kabel- und Kabelverlegungskosten spielen also eine untergeordnete Rolle.
Auswirkungen eines Kabelbruchs oder eines ähnlichen Defekts sind in Sternnetzen
am geringsten.
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- Optische Nachrichtentechnik für die Übertragung und die Vermittlung
bedeutet, eine Signalumwandlung in den elektrischen Bereich kann, und sollte deshalb
auch, möglichst nur' im Bereich der Teilnehmerstationen erfolgen. Ausnahmen, die
diese Regel bestätigen, sind deshalb auf zentrale Einrichtungen für Uberwachungs-,
Steuerungs- und ähnliche Aufgaben zu beschränken.
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- Damit ergibt sich ein System mit dezentraler Vermittlung, d.h. die
einzelnen Teilnehmerstationen müssen so autonom ausgerüstet sein, daß sie von sich
aus auf einen benötigten Kanal zugreifen können.
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Aus dieser Konsequenz folgt allerdings ein Problem, das
ebenfalls
gelöst werden muß, nämlich die Verhinderung eines unberechtigten Zugriffs auf einen
Kanal, sowohl im Hinblick auf Abhörsicherheit als auch auf Störung von fremden Kanälen
bzw. des gesamten Systems. Hierzu ist naturgemäß ein gewisser Aufwand erforderlich,
der sich jedoch gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
auf optische Schalter an den Anschlüssen der Lichtwellenleiter für die Sende- und
die Empfangsrichtung am zentralen Sternkoppler und auf eine als Überwachungseinrichtung
für den Belegungszustand der Kanäle ausgebildete Station beschränkt, die die optischen
Schalter dem Belegungszustand entsprechend steuert. Aufgrund dieser Maßnahmen ist
es also möglich, nur den jeweiligen Teilnehmerstationen die ihnen zugeordneten Zeitsc-hlitze,
sowohl in der Sende- als auch in der Empfangsrichtung, durchzulassen. Signalisierunsen
können alle angeschlossenen Teilnehmerstationen über einen - oder mehrere - ständig
für diesen Zweck freigegebene(n) Zeitschlitz(e) in den zentralen Sternkoppler absetzen.
Von dort aus kann dann die Überwachungseinrichtung nach Art einer zentralen Vermittlungssteuerung
für die Durchschaltung der gewünschten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sorgen.
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Selbstverständlich sind hierzu weitergehende, auf demselben Grundprinzip
beruhende Alternativen möglich.
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Beispielsweise ist jeder Teilnehmerstation auf der Empfangsfaser das
Synchronisierzeichen zuzuführen. Dementsprechend ist ein optischer Schalter am Lichtwellenleiter
für die Empfangsrichtung so zu steuern, daß einerseit's - wie oben - ein einer Teilnehmerstation
spezifisch zugeordneter Zeitschlitz, dazu ein allgemein allen Teilnehmerstationen
zugeordneter Zeitschlitz,
nämlich das Synchronisierzeichen, und
andererseits in den verbleibenden Zeitschlitzen weitere Synchronisierr zeichenzugeführtwerden.
Auf diese Weise empfängt eine Teilnehmerstation nur die für sie selbst bestimmten,
individuellen und geheim bleibenden Nachrichten, während Nachrichten in anderen
Kanälen, die für andere Teilnehmerstationen bestimmt si-nd, bei ihr nicht mehr eintreffen
bzw. infolge Nebensprechen möglicherweise an sie gelangende, fremde Nachrichten
von einem S-ynchronisierzeichen überdeckt werden.
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Speziell auf ein Sternkoppler-TDMA-System gemäß der Erfindung angepaßt
ist eine weitere Alternative. Die Schalter zwischen den Lichtwellenleitern und dem
Sternkoppler lassen dabei natürlich auf den Empfangsleitungen den Zeitschlitz mit
dem Synchronisierzeichen sowie alle leeren, d.h. nicht belegten Zeitschlitze, in
beiden Richtungen durch. Wird ein Zeitschlitz für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung
belegt, werden für die Dauer eines solchen Zeitschlitzes die Schalter an den Empfangs-und
Sendefasern aller anderen, an dieser Verbindung nicht beteiligten Teilnehmerstationen
geöffnet bzw. an den Empfangsfasern auf einen Besetztzeichen-Generator umgeschaltet.
Diese Alternative liegt wieder näher am Prinzip der dezentralen Vermittlung, gewährleistet
dennoch volle Abhörsicherheit und ermöglicht weiterhin, Urheber von Störungen in
kürzester Zeit zu lokalisieren und diese sodann vom System abzuschalten.
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Dies sei anhand eines Beispiels näher erläutert: Hierzu wird zunächst
angenommen, der Zeitmultiplexrahmen sei noch völlig leer, d.h. alle Teilnehmerstationen
empfangen das Synchronisierzeichen, senden aber nicht. Alle Teilnehmerstationen
haben jetzt die Möglichkeit, auf
einen beliebigen Zeitschlitz zuzugreifen.
Eine Signalisierung der Teilnehmerstation A an die Teilnehmerstation B wird von
allen Teilnehmerstationen und der als Überwachungseinrichtung ausgebildeten Station
empfangen. Ebenso verläuft die Rückmeldung, wobei diese in einem zweiten Zeitschlitz
von jeder beliebigen Teilnehmerstation, die vom Berechtigten als Teilnehmerstation
B definiert worden ist (Rufumlenkung), ausgesendet werden kann. Nunmehr öffnet die
Uberwachungseinrichtung die optischen Schalter an den Sendeleitungen aller anderen
Teilnehmerstationen für die Dauer- dieses Zeitschlitzes und legt die Schalter an
den zugehörigen Empfangs leitungen auf den Besetztzeichengenerator um.
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Während die Teilnehmerstationen A und B nun über die betreffenden
Zeitschlitze ihre Nachrichten austauschen, können also alle anderen Teilnehmerstationen
in diesen Zeitschlitzen keine Signale in den zentralen Sternkoppler absetzen, die
bestehende Verbindung also in keiner Weise stören. Sie können die für sie nicht
bestimmten Nachrichten auch nicht auswerten, vielmehr erhalten sie an deren Stelle
durch das Besetztzeichen die Information, daß es zwecklos ist, auf diese Zeitschlitze
zugreifen zu wollen.
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Eine Störung, für die eine noch unbekannte Teilnehmerstation der Urheber
ist, läßt sich leicht dadurch lokalisieren, daß entweder zunächst alle Sendefaserschalter
geöffnet und einzeln nacheinander wieder geschlnssen oder einzeln nacheinander geöffnet
werden, bis der Urheber entdeckt ist. Die Teilnehmerstation, der die Störquelle
zugeordnet worden ist, wird bis zur Beseitigung der Störquelle vom Sendebetrieb
ausgeschlossen, d.h. ihr Sendefaserschalter bleibt solange geöffnet.
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Für Datenverkehr, bei dem nur eine Teilnehmerstation sendet und eine
andere empfängt, kann übrigens nach abgeschlossener Signalisierung der zweite Zeitschlitz
wieder freigegeben werden. Auch diese Tatsache ist hinsichtlich der gewünschten
Transparenz für Ausführungsformen der Erfindung von Bedeutung.
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In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß zweckmäßig auch
hier die optischen Schalter in LiNb03 -Technik, vorzugsweise zusammen mit dem-zentralen
Sternkoppler als integriertes Bauteil, ausgebildet werden.
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Wie für Kommunikationssysteme, insbesondere Lokale Kommunikationssysteme
allgemein bekannt und gebräuchlich, ist es auch für Ausführungsformen der Erfindung
sinnvoll und vorteilhaft, eine als Überleiteinrichtung zu einem anderen, insbesondere
öffentlichen Netz sowie eine für Uberwachungs-, Steuerungs- und insbesondere Gebührenerfassungsaufgaben
ausgebildete Station vorzusehen. Diese Stationen sollten sich möglichst an zentraler
Stelle, also zusammen mit dem Sternkoppler und Koppelfeldern für Breitbanddienste,
an einem gemeinsamen Ort befinden.
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In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt. Dabei zeigen: Fig. 1: ein PrinzipSchaltbild für ein Lokales Kommunikationssystem
- LKS - mit Sternnetz und optischen Kanälen;
Fig. 2: ein Blockschaltbild
einer vereinfachten Vermittlungsstelle für schnelle Durchschaltevermittlung bei
Schmalbanddiensten und schnellem Datenverkehr; Fig. 3: ein Schaubild für Aufbau
und Organisation eines Zeitrahmens für das TDMA-System mit einigen detaillierten
Beispielen für dessen Zeitschlitze; Fig. 4: ein Schaubild zur Erläuterung der Funktion
einer Synchronisierungs-Einstellung/ Überwachung; Fig. 5: ein Schaubild zur Erläuterung
der Funktion der Schaltstellungen von optischen Schaltern an einer Vermittlungsstelle
in einem LKS gemäß Fig. 1 und der Zugriffsmöglichkeiten auf Schmalband- und schnelle
Datenkanäle; Fig. 6: eine Prinzipskizze eines bekannten Lithiumniobatschalters auf
der Grundlage eines Richtkopplers; Fig. 7: eine Prinzipskizze eines bekannten Lithiumniobatschalters-
auf der Grundlage einer schaltbaren Wellenleiterkreuzung und Fig. 8: ein Blockschaltbild
mit den wesentlichen Bestandteilen, die für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung in' nur
einer Ubertragungsrichtung in einem LKS benötigt werden.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist wesentliches Kernstück eines Lokalen
Kommunikationssystems LKS mit optischen Kanälen gemäß der Erfindung ein optischer
Sternkopp-
ler 1. An ihm sind über getrennte Sendeleiter 2 und
Empfangsleiter 3 die einzelnen Teilnehmerstationen 4 angeschlossen. Direkt in den
Sternkoppler 1 wird über eine eigene Sendeleitung 5' von einem Synchronisierzeichen-Generator
6 ein leerer Zeitrahmen eingespeist.
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Er wird an alle Teilnehmerstationen 4 verteilt und gilt als gemeinsame
Referenz für das Zeitmultiplexsystem.
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Dieser Teil des.Systems ist mit schneller Leitungsvermittlung für
die Abwicklung von Schmal- und Mittelband-Diensten ausgelegt.
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Zur Verhinderung eines unbefugten Zugriffs auf Zeitschlitze sind zwischen
dem Sternkoppler 1 und den Sende- und Empfangsleitern 2, 3, die zu den einzelnen
Teilnehmerstationen 4 sowie zu einer Uberleiteinrichtung 7 führen, optische Schalter
8 vorgesehen. Diese werden, entsprechend dem Belegungszustand der'einzelnen Zeitschlitze
für die verschiedenen Verbindungen von einer Oberwachungs- und Steuer-Einrichtung
9 gesteuert.
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Die betreffenden Informatìonen bezieht die Uberwachungs-und Steuereinrichtung
9 über eine individuelle Empfangsleitung 5'' vom Sternkoppler 1, ähnlich wie ein
Empfangsteil einer Teilnehmerstation bzw. der Oberleiteinrichtung 7, und wertet
diese nach Art einer Vermittlungssteuerung aus.
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Für Breitbanddienste, die als solche getrennt von den Schmal- und
Mittelbanddiensten übermittelt werden, sind entsprechende Komponenten für eine getrennte
Führung vorgesehen. Außer der dargestellten Variante für Wellen-
längenmultiplex
sind beispielsweise auch weitere getrennte Sende- und Empfangsleiter in den Teilnehmeranschlußleitungen
möglich. Während die Signalisierung, auch bei Breitbanddiensten, im Sternkoppler-TDMA-System
abgewickelt wird, erfolgt die Durchschaltung von Breitbanddiensten in einem optischen
Breitband-Koppelfeld 10.
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Das erfindungsgemäße System ist transparent in dem Sinne, daß bis
auf die Länge (Dauer) eines Zeitschlitzes keine weiteren Vorgaben bezüglich Art
und Struktur der Daten, Modulation, Kodierung usw. gemacht werden. Im Breitbandbereich
entfällt darüber hinaus die Festlegung auf eine Zeitschlitzlänge. Die Breitbanddienste
können sogar als analoge optische Signale übertragen und in einem transparenten
Breitband-Koppelfeld 10 durchgeschaltet werden.
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Das Netz hat Sternstruktur. Es ist im dargestellten Beispiel durch
Anwendung der Wellenlängen-Multiplextechnik in zwei Subsysteme untergliedert. Schmalbanddienste
und schneller Datenverkehr werden über eine erste Lichtwellenlänge A1 im einen,
Breitbanddienste über mindestens eine andere Lichtwellenlänge 2 im an deren Subsystem
abgewickelt. Dem entsprechend befinden sich an den Enden der Teilnehmeranschlußleitungen
mit jeweils einem Sendeleiter 1 und einem Empfangsleiter 2 Wellenlängen-Multiplexer
11 bzw. -Demultiplexer 12. Im Subsystem für Schmalbanddienste und schnellen Datenverkehr
werden die Kanäle nach dem Prinzip der dezentralen Vermittlung, im Subsystem für
Breitbanddienste nach dem Prinzip der zentralen Vermittlung durchgeschaltet.
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Für ein Koppelfeld 10 zur Breitband-Vermittlung können
Matrizen
verwendet werden, die aus optischen LiNbO3-Schaltern aufgebaut sind. Ein Vorteil
der optischen Vermittlung ist die Bitratenunabhängigkeit für die übermittelten Daten,
was insbesondere'der für ein LKS erforderlichen Flexibilität entgegenkommt, d. h.,
für die Teilnehmer sind in diesem System verschiedene Breitbanddienste gleichzeitig
möglich. Beispielsweise können jeweils ein Paar oder eine Gruppe von Teilnehmern
4 an einem Dienst "hochaufgelöstes Fernsehen" (high definition television - HDTV),
andere am Dienst "Bildtelefon", -hierbei entweder mit herkömmlichem Standard, mit
TV-Qualität, mit Studio-Qualität, usw.
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teilnehmen.
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Obwohl sich die verschiedensten Dienstekategorien definieren lassen
und entweder dem einen oder dem anderen Subsystem zuordnen lassen würden, sind Ubereinstimmungen
oder zumindest Ähnlichkeiten in Teilaspekten in so großem Umfang vorhanden, daß
hierdurch eine Verknüpfung und eine gewisse Abhängigkeit eines Subsystems vom anderen,
d. h. also ein integriertes LKS gemäß der Erfindung sinnvoll ist. Da Schmal- und
Breitbanddienste stark unterschiedliche Übertragungsbandbreite erfordern, wird hierfür
allerdings kein gemeinsames Zeitmultiplexsystem vorgesehen. Dies würde einen unangemessen
hohen Aufwand bezüglich der Schmalbanddienste verursachen und zudem infolge einer
dazu notwendigen|leistungsintensiven, schnellen Elektronik einen Notbetrieb für
Schmalbanddienste bei Ausfall der Spannungsversorgung praktisch unmöglich machen.
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Das Zeitmultiplexsystem mit wahlfreiem Zugriff (TDMA-System) im Subsystem
für Schmalbanddienste und schnel-
len Datenverkehr ermöglicht einen
schnellen Aufbau von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen in einer Aufbauzeit von weniger
als 5 msec. Hierdurch ist der Vorteil einer effektiven Kanalausnutzung begründet.
Die Kanäle brauchen nämlich praktisch nur für die Dauer eines Datentransfers und
deshalb jeweils für verhältnismäßig kurze Zeit belegt zu werden. Es ist auch eine
hohe Sicherheit bei Datenverkehr gegeben, da Kollisionen nur während der sehr kurzen
Phase des Verbindungsaufbaus, nicht jedoch während der sich daran anschließenden
Phase der Datenübertragung, auftreten können. Im Vergleich zu anderen Datentransfersystemen
kann damit bei Ausführungsformen der Erfindung auch Redundanz zur Markierung, Sicherung
etc. entfallen.
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Im Hinblick auf die Entwicklung optischer Nachrichtensysteme befassen
sich die Auführungsformen der Erfindung insbesondere mit Verfahren und Einrichtungen,
mit denen auch die Vermittlung der Signale auf optischem Wege durchzuführen ist.
Wenn nämlich die Übertragung der Signale ausschließlich auf optischem Wege erfolgt,
sind im wesentlichen nur bei den Teilnehmerstationen 4 elektro-optische bzw. opto-elektrische
Wandler 19, 20 (vgl. Fig. 8) erforderlich. Bei zentralen Einrichtungen, insbesondere
für die Steuerung von Vermittlungsstellen, sowie an Übergängen in andere, insbesondere
öffentliche Netze, sind derartige Wandler natürlich ebenfalls erforderlich. Funktionselemente
in einem LKS zur Signalregeneration, Verstärkung etc. von Signalen sollten außerhalb
von Teilnehmerstationen 4 nach Möglichkeit entfallen können oder ebenfalls auf optischer
Signalverarbeitung beruhen. Hierdurch ergeben sich insbesondere für die Vermittlung
von Breitbandkanälen
erheblich günstigere Lösungen als bei Vermittlung
solcher Signale auf elektrischem Wege.
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Der Einsatz von optischen LiNbO3-Schaltern setzt insgesamt Monomode-Technik,
auch für die Ubertragungsleitungen 2, 3 also Monomodefasern voraus. Ein auch für
Multimode-Technik geeignetes LKS, bei dem am zentralen Sternkoppler 1 auf optische
Schalter 8 an den Anschlussen der Sendeleiter 2 und Empfangsleiter 3 verzichtet
wird, kann-mit einer Vermittlungsstelle für Schmalbanddienste gemäß Fig. 2, ansonsten
entsprechend Fig. 1, aufgebaut werden. An den Sternkoppler 1 sind dann die einzelnen
Teilnehmeranschlußleitungen 2, 3 sowie über die Sendeleitung 5' der Synchronisierzeichen-Generator
6, auch eine Empfangsleitung 5'', die zur Steuereinrichtung 9 eines Breitbandkoppelfeldes
führt, und Sende- und Empfangsletter 2, 3 für die Uberleiteinrichtung 7, direkt
angeschlossen. Bei dieser Ausfuhrungsform läßt sich allerdings nicht mehr die Abhr-und
Ausfallsicherheit so leicht gewährleisten wie bei einer Ausführungsform, die vollständig
Fig. 1 entspricht. Selbstverständlich kann aber auch eine Ausführungsform gemäß
Fig. 2 in Monomode-Technik aufgebaut sein.
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Optische Koppelfelder 10 für öffentliche Netze mit entsprechend großer
Teilnehmerzahl lassen sich nach dem derzeitigen Stand der Entwicklung in Lithium-Niobat-Technik
noch'nicht realisieren. Substrate in herkömmlicher Größe (2-Zoll-Wafer) erlauben
nur eine Kaskadierung von fünf Ebenen aus LiNbO3-Schaltern auf Richtkopplerbasis
und geben somit die maximale Größe einer Schaltmatrix, z. B. 4 x 4- oder 3 x 5-Matrizen,
vor.
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Ein weiterer Grund, der einen Einsatz von LiNbO3-Komponenten in komplexen
Koppelfeldern derzeit noch erschwert, ist die vergleichsweise hohe Durchgangsdämpfung
einer einzelnen bekannten Schaltmatrix. Für die oben erwähnte, bekannte 4 x 4-Matrix
werden 6,25 dB Durchgangsverlust angegeben. Die Kaskadierbarkeit derartiger Koppelmatri
zen ist damit auf maximal 6 Stufen beschränkt. Blockierungsfreie "Clos'sche" optische
Koppelfelder der Größe 36 x 36 sind also durchaus realisierbar. Mittels Konzene
tration und Expansion und einer Inkaufnahme der dadurch begründeten Blockierungen
können immerhin rund 100 Teilnehmerstationen 4 an ein solches optisches Koppelfeld
10 in einem LKS angeschlossen werden.
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In Fig. 3 ist zur näheren Eruterung des Zeitmultiplex-Systems mit
wahlfreiem Zugriff - TDMA-System -die Folge von Zeitschlitzen SO, ..., S(N-1) eines
Zeitrahmens sowie der Aufbau einzelner Zeitschlitze in diesem Zeitrahmen anhand
von vier Beispielen dargestellt. Ein solches TDMA-System herrscht in dem "Subsystem"
für Schmalbanddienste und schnellen Datenverkehr, und beinhaltet auch die Signalisierung
für alle imLKS abwickelbaren Dienste, also-auch die Signalisierung für Breitbanddienste.
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Bei einem Rahmentakt entsprechend 2 kHz und N = 256 Zeitschlitzen
pro Rahmen hat jeder Zeitschlitz die Dauer von 0,5 msec = 1,953125 psec.
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256 Ausgehend von einer Bitrate - brutto - von 48 bit pro Zeitschlitz
und einer Nutzbitrate von 32 bit pro Zeit-
schlitz, die auch in
der Signalisierungsphase zumindest zu Beginn aller abwickelbaren Dienste zugrundegelegt
wird, sowie einem Synchronisierbit SS zur Kennzeichnung des Beginns eines Zeitschlitzes,
einem Startbit ST zur Kennzeichnung des Nutzbereichs und einem direkt darauf folgenden
Signalisierungsbit SG zur Kennzeichnung einer Signalisierung im Nutzbereich, verbleibt
pro Zeitschlitz netto die Dauer entsprechend 13 bit = 0,529 sec, im Falle eines
Stop-bits SP von ca. 41 nsec am Ende des Nutzbereichs entsprechend 12 bit = 0,488
sec. zur Verwendung als Schutzzone GT, die jeweils auf Beginn und Ende eines Zeitschlitzes
in GT1 und GT2 aufgeteilt werden kann, ist der maximale Toleranzbereich vorgegeben,
innerhalb dessen eine Nachricht oder Signalisierung im Zeitschlitz zeitlich in beiden
Richtungen verschiebbar ist, ohne die Information eines benachbarten Zeitschlitzes
zu zerstören. Innerhalb des Nutzbereichs (und zwar nur dort), der in jedem der1256
Zeitschlitze die Dauer von 1,302 psec hat, können z. . B. für einen 64 kbit/sec-Kanal
32 bit zu je ca. 40 nsec, für einen 512 -kbit/sec-Kanal.8 x 32 bit zu je cå. 5 nsec
untergebracht werden.
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Im Zeitschlitz SO eines jeden Zeitrahmens befindet sich das Rahmen-Synchronisierzeichen
FS, dessen 32 bit einem fest für das System vereinbarten Muster entsprechen.
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Dabei nimmt das davor befindliche Sighalisierungsbit SG auf jeden
Fall- den Zustand für Signalisierung ein. Sofern das Ende des Nutzbereiches noch
durch ein Stop-bit SP markiert wird, kann auch dieses als zum Muster des Rahmen-Synchronisierzeichens
FS gehörend angesehen werden. Dies gilt gleichfalls für das Startbit -ST, so daß
für das Muster dieses Zeichens FS praktisch insgesamt 35 bit zur Verfügung stehen.
Der Synchronisierzeichen-
Generator 6 - vgl. Fig. 1 - setzt dieses
Rahmen-Synchronisierzeichen FS zeitlich so in den Sternkoppler 1 ab, daß die Schutz
zonen GT1 und GT2 am Anfang und am Ende des Zeitschlitzes SO z. B. gleich lang sind.
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Für einen Zeitschlitz S1 ist der Aufbau als Beispiel für einen 512
kbit/s-Kanal dargestellt, für einen Zeitschlitz S2 hingegen für einen 64 kbit/s-Kanal.
Dort ist zudem der zeitliche Bereich am Ende des Nutzbereichs, in dem sich bei Zeitschlitz
SO und S1 das Stopbit SP befindet, offen dargestellt. Dies soll bedeuten, daß das
Stopbit auch entfallen darf.
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Schließlich ist als Beispiel der Zeitschlitz S3 als leerer oder freier
Zeitschlitz dargestellt. Dies ist für eine Teilnehmerstation, die auf diesen Zeitschlitz
zugreifen will, erst nach Ablauf der Gesamtdauer GT für die Schutzzonen sicher erkennbar.
Sollte eine andere Teilnehmerstation zur selben Zeit, d. h. während der betreffende
Zeitrahmen im System herrscht, ebenfalls auf diesen freien Zeitschlitz S3 zugreifen,
entsteht im Sternkoppler 1 ein undefinierbarer Zeitschlitzinhalt.
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Aufgrund einer solchen -Kollision werden die betreffenden Teilnehmerstationen
den Versuch, diesen Zeitschlitz für sich zu belegen, aufgeben und den Aufbau einer
gewünschten Verbindung erneut in einem anderen Zeitschlitz versuchen. Diese Vorgehensweise
ist sinnvoll und durchaus zumutbar.
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Anhand der Fig. 4, in der in zwei Zeilen Ausschnitte des bei einer
Teilnehmerstation 4 herrschenden Zeitrahmens gemäß Fig 3 dargestellt sind, wird
nun der Ablaufeiner Synchronisation einer Teilnehmerstation auf diesen Zeitrahmen
erläutert. In der oberen Zeile R ist
über der Zeit t aufgetragen,
wann auf der Empfangsseite R der Teilnehmerstation welcher Zeitschlitz - SO, S(N-1)
- detektiert wird. Um im Sternkoppler den Synchronismus zu erreichen, muß die Sendeseite
T früher beginnen. In der zweiten Zeile T ist diese Differenz 2At gegenüber der
Zeile R angegeben. Sie wird bei der Installation der Teilnehmerstation ermittelt
und entsprechend eingestellt. Infolge Temperaturschwankungen oder dergleichen kann
sich die Laufzeit jedoch etwas ändern. Von der Sendeseite wird deshalb z. B. im
Zeitschlitz S4 ein Prüfwort C ausgesendet, das in derselben Teilnehmerstation ebenfalls
im Zeitschlitz 4 der Zeile R, also auf der Empfangsseite, erwartet wird. Dies ist
in Fig. 4 im Zeitschlitz S4 der Zeile R durch ein Fragezeichen "?" dargestellt.
Trifft dort das Prüfwort C nicht innerhalb des zugelassenen Nutzbereichs des Zeitschlitzes
S4 ein, so muß nur der Sendezeitpunkt auf der Sendeseite der Teilnehmerstation entsprechend
verschoben werden. Um eventuelle Kollisionen während eines solchen Synchronisierungsvorganges
zu vermeiden, kann das Prüfwort C, einschließlich Startbit ST und Signalisierungsbit
SG, kürzer als der eigentliche Nutzbereich eines Zeitschlitzes sein und von vornherein
etwas später als sonstige Information (Signalisierung, Nachrichten) ausgesendet
werden. D. h., die Schutzzone GT wird bei Prüfung des Synchronismus entsprechend
länger und bietet dadurch die notwendige SicherhEit.
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Die Fig. 5 zeigt für den Anschluß einer Teilnehmerstation 4, hier
nur grob in Empfangsteil R und Sendeteil T untergliedert, über den Sendeleiter 2
und den Empfangsleiter 3 sowie die entsprechend bezeichneten Schalter 8(R), 8(T)
an den Sternkoppler 1 das darunter dargestellte
Zeitdiagramm für
die Zustände im Sendeteil T der Teilnehmerstation 4, im Sternkoppler 1 und im Empfangsteil
R der Teilnehmerstation 4. Ein Zeitschlitz SX, der vom Sendeteil T ausgesendet wird,
befindet sich um die Laufzeit At verschoben-im Sternkoppler 1, nochmals um die Laufzeit
At verschoben im Empfangsteil R derselben Teilnehmerstation (auch - wenn hier nicht
dargestellt -beim anderen Teilnehmer). Während dieser Zeit befinden sich die Schalter
8(R), 8(T)' in Stellung a. In einem späteren Zeitschlitz SZ setzt dieselbe Teilnehmerstation
eine weitere Nachricht ab. Im Sternkoppler 1 ist diese Zeitlage jedoch bereits für
eine andere Verbindung, an der dieser Teilnehmer nicht beteiligt ist, mit einem
Zeitschlitz SY belegt. Die Steuerung 9 hat deshalb für diese Zeitdauer die Schalter
8(R), 8(T) in Stellung b umgeschaltet. Der Schalter 8(R) ist in der Stellung b an
einen Besetztzeichen-Generator 13 angeschlossen, so daß die hier betrachtete Teilnehmerstation
in dieser Zeitlage weder ihren ausgesendeten Zeitschlitz SZ noch den "fremden" Zeitschlitz
SY, sondern einen mit einem Besetztzeichen versehenen Zeitschlitz SB empfängt. In
Richtung- von den Teilnehmerstationen zum Sternkoppler werden also vom Schalter
8(T) Störungen des Systems ferngehalten, in Richtung vom Sternkoppler zu Teilnehmerstationen
vom Schalter 8(R) unberechtigtes Mithören verhindert. Infolge'des in dieser Zeitlage
empfangenen Besetztzeichens SB kann zudem die Teilnehmerstation das weitere Aussenden
von Zeitschlitzen SZ in dieser Zeitlage abstellen.
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Die Schalter 8(R) und 8(T) befinden sich in der Ruhelage in Stellung
a. Das bedeutet, das System bleibt als solches funktionsfähig, wenn die Steuerung
der Schalter
8(R), 8(T) oder dgl. ausfällt. Sie werden nur in Stellung
b geschaltet, wenn zum betreffenden Zeitpunkt die zugehörige Teilnehmerstation nicht
auf einen Zeitschlitz zugreifen soll oder darf.
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In den Fig. 6 und 7 sind zwei bekannte Ausführungsformen für LiNbO3-Schalter
schematisch dargestellt. Nähere Angaben hierzu finden sich in den entsprechenden
Veröffentlichungen, nämlich bezüglich Fig. 8 in "IEEE Journal of Quantum Electronics"
Vol. QE-18, No. 10 (1982), 1759 bzw. Fig. 9 im Vortrag der Verfasser: Neyer, K.
und Mevenkamp, W. anläßlich des 7. DFG-Kolloquiums am 4./5. Mai 1983 in D - Ludwigsburg.
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Die Fig. 8 zeigt für nur eine Übertragungsrichtung, da die andere
identisch damit ist, die wichtigsten erforderlichen Einrichtungen für einen transparenten
optischen Kanal eines LKS gemäß der Erfindung. Von einem Endgerät 16', z. B. einer
Kamera, wird das abgegebene elektrische Signal einem Interface 17', z. B. auch zur
Analog/Digital-Wandlung zugeführt. Daran schließt sich ein elektronisches Gerät
18', z. B. zur Formatwandlung des Digitalsignals und zur Leitungscodierung, an.
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Diese Einrichtungen sind dienstespezifisch ausgebildet.
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Zur Sendeseite T der Teilnehmereinrichtungen einerseits, bereits zum
transparenten optischen Kanal andererseits gehört ein elektro-optischer Wandler
19, z. B. ein Laser, der mit dem vom Gerät 18' kommenden Ausgangssignal moduliert
wird und ein entsprechendes optisches Signal in den Sendeleiter 2 einspeist. Von
dort gelangt dieses optische Signal in das Koppelfeld 10 und wird dort auf den Empfangs
leiter 3 durchgeschaltet, der zur Partner-Teilnehmerstation führt. Dort wird in
dem einerseits.
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bereits zum Empfangsteil R, andererseits noch zum transparenten optischen
Kanal gehörenden opto-elektrischen Wandler 20, z. B.einer Photodiode, das empfangene
Signal wieder in ein elektrisches Signal umgesetzt, einem elektronischen Gerät 18
zugeführt; wo auch eine Taktregeneration sowie die zum Gerät 18' reziproken Vorgänge
- Formatwandlung, Leitungsdecodierung - stattfinden. Danach wird das Signal in einem
Interface 17" wiederum einem zum Interface 17' reziproken Vorgang unterzogen und
schließlich dem Endgerät 16", z. B. einem Monitor, zugeführt. Auch hier sind die
Einrichtungen 16", 17" und 18" dienstespezifisch ausgebildet.
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