Entwicklung einer Lernumgebung für das Installieren, Einrichten, Inbetriebnehmen und Einbinden von Geräten und Systemen der Bürosystemtechnik in drahtlosen Netzen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Verwendung der Begriffe „Lernumgebung“, „Lernsituation“ und „Lernstation“

2. Hochschuldidaktische Einordnung

3. Fachsystematische Hintergründe der Lernumgebung
3.1 Grundlagen
3.1.1 Signalübertragung
3.1.2 Gegenüberstellung analoger und digitaler Signale
3.2 Telekommunikationstechnik
3.2.1 Endgeräte
3.2.2 ISDN
3.2.3 DSL
3.3 Netzwerktechnik
3.3.1 Grundlagen der Netzwerktechnik
3.3.2 Internet-Telefonie
3.3 WLAN
3.3.1 Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile
3.3.2 Rechtliche Rahmenbedingungen
3.3.3 Standards
3.3.4 Architekturen
3.3.5 Übertragungstechnik
3.3.6 Sicherheit

4. Erziehungswissenschaftliche Hintergründe der Lernumgebung
4.1 Beeinflussung der Berufsbildung durch strukturelle Änderungen
4.2 Ganzheitliche Berufsbildung
4.3 Erstellung von Lernsituationen und Lernumgebungen
4.4 Methodische Struktur eines ganzheitlichen Unterrichts

5. Darstellung der Lernumgebung
5.1 Schulcurriculare Einordnung und Lernzielanalyse
5.2 Räumliche und technische Voraussetzungen
5.3 Organisatorische Vorbereitungen
5.4 Lernszenario
5.5 Arbeitsauftrag
5.6 Beschreibung der Lernstation und der Handlungsschritte
5.7 Didaktische Begründung der Lernumgebung

6. Schlussbetrachtung
6.1. Ausblick
6.2. Schlussfolgerung

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Die Nachrichtenebene (Göbel, 97)

Abbildung 2: Analoges und digitales Signal (Göbel, 23)

Abbildung 3: Verformung eines digitalen Signals (Zitt, 29)

Abbildung 4: DECT-Signalformat beim schnurlosen Telefon (Frey, 510)

Abbildung 5: Blockschaltbild d. NTBA (Frey, 235)

Abbildung 6: S0-Bus-Installation mit Abschlusswiderständen (Frey, 389)

Abbildung 7: DSL-Frequenzbandaufteilung (Hübscher, 279)

Abbildung 8: Bandbreite im Verhältnis zur Entfernung für DSL über Kategorie 3 UTP
(Tanenbaum, 154)

Abbildung 9: OSI-Referenzmodell (Tanenbaum, 56)

Abbildung 10: Netzwerk-Klassen (Thiel/Theis, 17)

Abbildung 11: Extended Service Set (ESS) (Rech, 42)

Abbildung 12: Dimensionen von Handlungskompetenz und deren Zusammenhang (Bader, 39f)

Abbildung 13: Reflexionsstufen zur didaktischen Analyse (Bader, 42)

Abbildung 14: Phasen der Unterrichtsplanung und -durchführung (Martin/Pangalos, 157)

Abbildung 15: Vom Lehrerzentrierten zum Lernerzentrierten Lernen (Ott 2000, 101)

Abbildung 16: Handlungstheoretischer Ansatz f. d. Erreichung beruflicher Handlungskompetenz (Ott 2000, 187)

Abbildung 17: Arbeitsprozessmatrix (verändert übernommen aus Berben 2005, 363)

Abbildung 18: Schematische Darstellung der Lernstation

Abbildung 19: PCI-WLAN-Karte „DLink, DWL 520+“

Abbildung 20: Verwendete Hardware

„Es muß das Gehör mit dem Gesicht, die Sprache mit der Hand stets verbunden werden, indem man den Wissensstoff nicht bloß durch Erzählung vorträgt, daß er in die Ohren eindringe, sondern auch bildlich dargestellt, damit er sich durch das Auge der Vorstellung einpräge. Die Schüler ihrerseits sollen früh lernen, sich mit der Sprache und mit der Hand auszudrücken, und keine Sache soll beiseite gelegt werden, bevor sie sich dem Ohr, dem Auge, dem Verstand und dem Gedächtnis hinreichend eingeprägt hat.“

(Johann Amos Comenius, Didaktiker, 1592-1670; entnommen Jank/Meyer, 346)

1. Einleitung

Durch das Betrachten der Anforderungen, die von ausbildenden Betrieben in der freien Wirtschaft an Auszubildende und Angestellte gestellt werden, ist zu erkennen, dass neben der fachlichen Kompetenz „Schlüsselqualifikationen“ an Bedeutung gewonnen haben. Neben dem berufsspezifischen Wissen, werden von den Mitarbeitern^[1] mittlerweile

„Qualitäten wie Kommunikationsstärke, die Fähigkeit selbstständig und eigenverantwortlich zu lernen und zu arbeiten, aber auch im Team Verantwortung zu übernehmen“

(EADS, 2) verlangt. Die Facharbeiterausbildung wird vor dem Hintergrund des lebens­langen Lernens auch als „Erstausbildung“ (VW) bezeichnet.

Dieses neue Qualifikationsprofil lässt sich nicht nur auf den industriellen Bereich beschränken, sondern kann insbesondere auf Handwerksbetriebe der Telekommunikations- und Informationsbranche übertragen werden. Diese Branche muss einer raschen technologischen Entwicklung folgen, wodurch Fachwissen schnell veraltet. Facharbeiter müssen deswegen die Fähigkeit und Bereitschaft zur ständigen Fortbildung besitzen. Durch die individuelle Erstellung technischer Systeme für den Kunden sind ihre Tätigkeiten außerdem zunehmend als Dienstleistungen anzusehen.

Mit der Einführung des Lernfeldkonzeptes wurde auf diesen Wandel reagiert und die Rahmenlehrpläne als Ordnungsmittel für den berufsbildenden Unterricht erneuert. In diesen wird a priori die Entwicklung von Handlungskompetenz als Bildungsauftrag der Berufsschule genannt, und der handlungsorientierte Unterricht als didaktisches Konzept für die Erreichung dieses Ziels hervorgehoben (vgl. RLP, 3). Die Berufsschule tritt hierbei als gleichberechtigter Partner im dualen Ausbildungssystem der Bundesrepublik Deutschland auf.

Damit die berufliche Bildung diesen Ansprüchen gerecht werden kann, ist es notwendig, auch die Lehrerausbildung hierauf auszurichten und bereits Lehramtsstudenten Lehr- und Lernmethoden zu schulen, die das Erreichen des Lernziels „Handlungskompetenz“ unterstützen (vgl. Jenewein, 181f).

Die Lehrerausbildung ist zweigeteilt und findet in der ersten Phase in Form eines wis­senschaftlichen Hochschulstudiums statt, in dem fach- und erziehungswissenschaftliche Inhalte in Vorlesungen und Seminaren vermittelt werden. Die zweite Phase ist das Refe­rendariat an einer berufsbildenden Schule. Es wird durch berufspädagogische und fach­didaktische Seminare begleitet.

In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Lernumgebung für das Installieren, Einrichten, Inbetriebnehmen und Einbinden von Geräten und Systemen der Bürosystemtechnik in drahtlosen Netzen dargestellt. Diese Lernumgebung soll im Seminar „Bürosystemtechnik“ eingesetzt werden, das an der TU Hamburg- Harburg (TUHH) vom Arbeitsbereich „Prozesstechnik und Berufliche Bildung“ (ATB) angeboten wird. Sie bildet den Rahmen einer handlungsorientierten Lernstation. Die Lernumgebung soll Studenten im Grundstudium des Studienganges „Lehramt an der Oberstufe – Berufliche Schulen“, mit dem Unterrichtsfach Informatik, fachsystematische Inhalte im Bereich der Bürosystemtechnik vermitteln. Sie übernehmen hierbei die Rolle von Auszubildenden im Beruf „Informations-elektroniker/-in“. Die Lernumgebung bezieht sich deshalb auf den berufsbildenden Unterricht und berufliche Handlungsfelder.

Das Erstellen von Lernumgebungen und Lernsituationen ist ein zukünftiges Handlungsfeld von Lehramtsstudenten. Ich stelle deswegen in dieser Arbeit erziehungswissenschaftliche Hintergründe dar, die Lehrer bei ihrer Planung berücksichtigen müssen. Somit möchte ich Studenten im Grundstudium einen Einblick in die Komplexität geben, die die Planung eines handlungsorientierten Unterrichts besitzt.

Da ich die Lernumgebung sowohl fachwissenschaftlich als auch erziehungswissenschaftlich begründe und darstelle, gliedert sich diese Arbeit in drei Hauptteile:

Kapitel 3 liefert einen technischen Überblick, welcher mir für die Erfassung der berufsbezogenen Problemsituation wichtig erscheint. Kapitel 4 stellt die erziehungswissenschaft­lichen Hintergründe dar. In Kapitel 5 beschreibe ich eine Lernumgebung, wie sie in der Lehrerausbildung der Gewerblich-Technischen-Wissenschaften an Universitäten eingesetzt werden kann. Sie wurde mithilfe der in den ersten beiden Teilen getroffenen Aussagen entwickelt.

1.1 Verwendung der Begriffe „Lernumgebung“, „Lernsituation“ und „Lernstation“

Die Begriffe Lernumgebung und Lernsituation werden in der Literatur nicht klar voneinander abgegrenzt.

Der Begriff „technische Lernumgebung“ (Martin/Pangalos, 158) beschreibt beispiels­weise die äußere Gestaltung einer Lernsituation. Darunter ist die Planung und Bereitstel­lung des Arbeitsraumes, der technischen Geräte und der Lernmittel zu verstehen.

Dadurch konzentriert sich der Begriff „Lernumgebung“ auf die Ressourcenplanung für eine Lern­situation (vgl. Berben 2005, 361).

Ich verwende dagegen den Begriff „Lernumgebung“ erweitert in dem Sinne, wie er von Reinmann-Rothmeier/ Mandl (2001) zur Bezeichnung einer konstruktivistisch geprägten, problemorientierten und situierten Lernumgebung verstanden wird. Demnach ist die Lernumgebung so zu gestalten, dass

- sie den Umgang mit realistischen Problemen und authentischen Situationen ermög­licht und anregt, um einen hohen Anwendungsbezug beim Lernen zu sichern,
- das Gelernte in ähnlichen Situationen angewendet werden kann,
- kooperatives Lernen und Problemlösen in Gruppen ermöglicht und gefördert wird,
- neben dem eigenständigen Lernen in komplexen Situationen, die Lernenden auch angeleitet und bei Problemen gezielt unterstützt werden
(vgl. Reinmann-Rothmeier/Mandl, 627f).

Die Gestaltung der „Lernsituation“ konkretisiert demgegenüber „die Frage nach Metho­den und Medien, um die angestrebten Kompetenzen und Inhalte zu entwickeln bzw. zu erarbeiten“ (Berben/Hägele/Pangalos, 98). Sie wird in der Regel fächerübergreifend durch Lehrerteams (auch: „Bildungsgangteams“) durchgeführt. Mit der Lernsituation werden Unterrichtsschritte detailliert geplant, indem die jeweiligen Lerninhalte und -ziele, Unterrichtsmethoden und Sozialformen festgelegt werden. Dieser Prozess ist komplex, da er u. a. die anthropogenen und soziokulturellen Bedingungsfelder des Unterrichts berücksichtigt (vgl. Bader/Schäfer, 231).

Die „Lernstation“ ist ein Modul innerhalb einer Lernsituation. Mithilfe der Lernstation können die Lernenden einen Unterrichtsgegenstand bearbeiten. Sie erwerben Fachwissen indem sie ein technisches Problem lösen. Eine Lernstation ist primär auf das Erreichen von Fachkompetenz ausgerichtet.

Lernsituation und Lernumgebung beeinflussen sich gegenseitig. Eine Lernsituation kann nur gestaltet werden, wenn die Möglichkeiten der Lernumgebung bekannt sind. Umgekehrt hat sich die Gestaltung der Lernumgebung an der Lernsituation zu orientieren. Für die Entwicklung einer Lernumgebung sollte die Lernsituation also zumindest skizziert und ihre Lerninhalte bekannt sein. Eine Lernsituation kann im Rahmen dieser Arbeit nicht so komplex wie durch die Arbeit eines Bildungsgangteams entwickelt werden.

Ich konkretisiere die Lernumgebung deshalb mithilfe der Darstellung einer Lernstation, und beschreibe, wie sie sich in den Ablauf einer Lernsituation einbetten kann.

2. Hochschuldidaktische Einordnung

Das Curriculum des Unterrichtsfachs Informatik im Arbeitsbereich ATB der TUHH um­fasst 80 Semesterwochenstunden (SWS), von denen im Grundstudium zehn SWS dem Themenblock „T2-A - Informationstechnische Querschnittsinhalte beruflicher Facharbeit“ zugeordnet werden. Vier SWS entfallen davon auf das Seminar „Bürosystem­technik“, das als „integrierte Veranstaltung“ fachdidaktische, fachpraktische und fachwissenschaftliche Bereiche abdeckt. Ziele der Veranstaltung sind der Erwerb grundlegender Kompetenzen im Bereich der Analyse, Einrichtung, Erweiterung, Anwendung und Pflege von Bürosystemtechnik sowie die Identifizierung „beruflicher Handlungsfelder, in denen die Informatisierung von Arbeit und Technik, insbesondere im Bereich der Bürokommunikation, eine wesentliche Bedeutung besitzt bzw. gewonnen hat“ (Veranstaltung „Bürosystemtechnik“, Anhang). Somit soll ein fachsystematischer Überblick erlangt und Methoden zur Problemlösung erarbeitet werden. Die Studenten haben die Aufgabe, vor dem Hintergrund berufsfeldtypischer Arbeitsprozesse schulische Lernsituationen zu entwickeln, zu begleiten und auszuwerten. Hierbei fördert das projektorientierte Arbeiten „sowie weitgehend selbstständiges und arbeitsteiliges Vorgehen […] die Bereitschaft und Fähigkeit der Studierenden zu Austausch und Zusammenarbeit mit anderen und steigert ihre Teamfähigkeit“ (ebd.).

Die Aufgabenstellung gliedert sich vor dem Hintergrund einer vollständigen Handlung in die Phasen Einführung, Einarbeitung, Vorbereitung, Umsetzung und Auswertung.

In der Einführungsphase werden den Studenten „Konzepte, Verfahren und Instrumente zur Erfassung und Beschreibung von beruflichen Handlungssystemen, zur Analyse von beruflichen Arbeitsprozessen sowie zur Gestaltung von arbeitsprozessorientierten Lern­situationen präsentiert“(ebd.).

In der Einarbeitungsphase erarbeiten sie sich eigenverantwortlich das Fachwissen eines Themenschwerpunktes. Sie entwickeln auf dieser Basis eine Lernumgebung und eine Lernstation, die später vor dem Hintergrund einer praxisbezogenen Problemstellung bearbeitet werden soll. Das Problem kann durch die Formulierung eines Szenarios realistisch dargestellt werden. Für die Bearbeitung ist die notwendige Technik und geeignetes Infor­mationsmaterial auszuwählen und bereitzustellen.

In der Vorbereitungsphase wird die Lernstation den Kommilitonen vorgestellt und ihre technischen Hintergründe werden in einem Vortrag erläutert.

In der Umsetzungsphase werden die Stationen an jeweils einem Veranstaltungstermin absolviert. Hierdurch erhalten die anderen Seminarteilnehmer einen Einblick in den Themenschwerpunkt. Ein Gruppenmitglied tritt hierbei als Experte des jeweiligen Themengebietes auf und kann die Lernenden bei der Bearbeitung der Lernstation begleiten und unterstützen. Es übernimmt somit die Rolle des Lehrers und kann die hierfür notwendigen Kompetenzen erfahren. Da hier auf zukünftige Handlungssituationen einer Lehrtätigkeit vorbereitet wird, können fachsystematische Inhalte zugunsten der Erprobung zukünftiger Lehr-/ Lern­situationen zurücktreten.

In der Auswertungsphase werden die einzelnen Lernstationen und das Verhalten des Lehrers während des Lehr-/ Lernprozesses evaluiert.

3. Fachsystematische Hintergründe der Lernumgebung

Die hier dargestellten Inhalte vermitteln einen fachsystematischen Überblick im Bereich der Telekommunikations- und Informationstechnik. Da das Seminar „Bürosystemtech­nik“ eine Veranstaltung im Grundstudium ist, die außerdem von Studenten fachfremder Hauptfächer (Bautechnik, Ernährung- und Haushaltswissenschaften, etc.) besucht wird, wird von einem geringen Vorbildungs- und Erfahrungsgrad ausgegangen. Dieser Teil der Arbeit soll den Lernenden zur inhaltlichen Vorbereitung auf die Bearbeitung der Lern­station dienen. Er ist somit ein Teil der Lernumgebung.

Für die Erlangung vertiefender Informationen muss aufgrund der Einschränkung des Umfangs dieser Arbeit auf entsprechende Fachliteratur aus dem Bereich der Elektrotechnik und der Informatik verwiesen werden.

Die technische Darstellung ist in zwei Sequenzen unterteilt. Zum einen wird auf technische Grundlagen bezüglich der Vernetzung von Kommunikationsendeinrichtungen, wie Telefon, Fax, usw., eingegangen (Telekommunikationstechnik). Zum anderen werden Grundlagen der Netzwerktechnik behandelt, die für die Vernetzung von PCs als multifunktionale Endgeräte im SoHo („Small Office/ Home Office“)-Bereich eingesetzt wird. Der Schwerpunkt wird dabei auf die drahtlose Übertragungstechnik gelegt. Es ist jedoch nicht immer möglich, eine strikte Trennung zur drahtgebundenen Bürosystemtechnik einzuhalten, da Kabel als physikalisches Übertragungsmedium auch in Funknetzwerken verwendet werden. Ziel der drahtlosen Übertragungstechniken ist vielmehr, durch eine funkgestützte Verbindung zum Endgerät, dessen Mobilität zu gewährleisten. Die eingesetzten Sendeanlagen („Access Points“) werden dagegen oft über die herkömmliche kabelgestützte Infrastruktur miteinander verbunden.

Abb. A.1 (Anhang) verdeutlicht, wie die Verbindung ausgewählter Endgeräte untereinander hergestellt werden kann, und welche Kopplungselemente dazu i. A. notwendig sind. Es wird zunächst davon ausgegangen, dass für jede Funktion ein eigenständiges Gerät nötig ist. Später zeigt sich, dass moderne TK- Anlagen einen Großteil davon vereinen, wodurch sich deren Funktionalitäten bzw. deren Einsatzmöglichkeiten ergeben (s. Tabelle T.3 im Anhang).

Der Facharbeiter, der mit der Auswahl einer auf dem Markt erhältlichen Anlage beauftragt ist, kann sich vor diesem Hintergrund einen Überblick über die jeweilige Funktionalität verschaffen und den Anforderungen des Kunden entsprechend eine Entscheidung treffen.

3.1 Grundlagen

3.1.1 Signalübertragung

Um ein Gespräch zwischen zwei analogen Telefonen zu führen, müssen sie physikalisch verbunden werden. Im einfachsten Fall ist dazu ist nur ein Kabel mit zwei Adern erfor­derlich, das eine gewisse Länge nicht überschreitet. Dabei ist unerheblich, ob diese Ver­bindung direkt hergestellt wird oder über eine Vermittlungsstelle läuft, in der ursprüng­lich nur die beiden von den Telefonen ankommenden Kabelenden mechanisch verbunden wurden. Durch das Anlegen einer Spannung fließt über die beiden Adern ein Gleich­strom. Ein in den Stromkreis integriertes Mikrofon erzeugt beim Hineinsprechen eine Wechselspannung, die von der Gegenstelle wieder in Schall umgewandelt wird. Da die­ser Prozess an beiden Endgeräten erfolgt, kann ein Gespräch im Vollduplexbetrieb statt­finden, d. h. beide Teilnehmer können gleichzeitig sprechen und hören. Die Sprach­signale werden dabei im jeweils eigenen Hörer nur gedämpft wiedergegeben.

Das akustische Signal wird bei diesem Verfahren direkt in ein elektrisches umgewandelt und über das Kabel weitergeleitet.

Störung

Durch die Übertragung wird das Signal jedoch gestört und abgeschwächt, so dass sie nur bis zu einer gewissen Entfernung möglich ist. Das Stören erfolgt, indem ein Störsignal durch das Übertragungsmedium oder den Empfänger aufgenommen wird („additives Stören“). Es wird in Rauschen, Nebensprechen und Verzerrung unterteilt.

Das Rauschen beschreibt Störsignale, die durch elektrische Spannungschwankungen in der Umgebung hervorgerufen werden. Deren Ursachen sind sehr vielfältig und können hier nicht näher erläutert werden.

Funkübertragungen sind vom Rauschen besonders betroffen, weil sie Signale mit relativ geringen Leistungen verwenden (vgl. Göbel, 351ff). Der Einfluss des Rauschens auf kabelgebundene Übertragungen kann durch eine geerdete Abschirmung verringert werden.

Nebensprechen bezeichnet die Übertragung von Signalen auf ein eng benachbartes Kabel. Ist diese Störung sehr stark, können Teile eines Telefongespräches von einer anderen Leitung aufgenommen und auf dieser mitgehört werden („verständliches Nebensprechen“). Es wird durch das Verdrillen zusammengehöriger Adernpaare reduziert.

Verzerrungen sind durch die Komponenten der Übertragungsleitung verursachte Signalverfälschungen. Sie werden in linear und nicht linear unterschieden.

Bis auf die linearen Verzerrungen können die genannten Störungen elektronisch nicht erfasst und somit auch nicht herausgefiltert werden.

Redundanz und Relevanz

Je stärker der Übertragungskanal gestört ist, desto redundanter und irrelevanter muss die gesendete Nachricht sein. Irrelevant („nicht zur Sache gehörend“) sind die Teile einer Nachricht, die keinen Informationsgehalt besitzen. Redundant („bekannt“) sind die Teile, die sich aus den anderen Informationen der Nachricht ergeben. Nachrichten, die über einen nahezu ungestörten Kanal übertragen werden, können dadurch „auf das Wesentliche beschränkt werden“. Dieses Prinzip wird bei der Datenkomprimierung angewendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Die Nachrichtenebene (Göbel, 97)

Dämpfung

Die Energie eines Signals wird während der Übertragung an das Übertragungsmedium abgegeben. Dieser Vorgang wird als Dämpfung bezeichnet.

Funkgestützte Signale regen dabei die Moleküle des Mediums zum Schwingen an. Das Medium wird dadurch erwärmt. Aufgrund ihrer größeren Dichte dämpfen massive Körper das Funksignal stärker als Gase.

Die Energie kabelgestützter Signale wird aufgrund des Ohmschen Widerstandes ebenfalls in Wärme umgewandelt. Elektrisch lange Leitungen sind jedoch mit einem zusätzlichen frequenzabhängigen Widerstand belegt. Der elektrische Widerstand erhöht sich deshalb proportional zur Frequenz der angelegten Wechselspannung, und Signale mit hoher Frequenz werden stärker gedämpft als Signale mit niedriger Frequenz.

Durch die Dämpfung wird die maximale Signalamplitude der elektrischen Wechselspannung bei zunehmender Länge der Übertragungsleitung immer geringer. Die Dämpfung einer Leitung wird durch die Messung der maximalen Spannungsamplitude an zwei ausgewählten Punkten (U1, U2) nach folgender Formel bestimmt:

Relativer Spannungspegel PSr = 20 lg U1/ U2 [dB].

Die Gesamtbezugsdämpfung darf im analogen Telefonnetz maximal 29dB, und im digitalen Telefonnetz maximal 10dB betragen. Das Signal muss deswegen immer wieder verstärkt werden. Allerdings werden die Störsignale auf diese Weise auch verstärkt. Das zusätzliche Eigenrauschen des Verstärkers bewirkt dabei eine Verringerung des Rauschabstandes. Die Sprachqualität einer analogen Telefonverbindung verschlechtert sich deshalb bei zunehmender Leitungslänge stetig.

Datenübertragungsrate, Rauschabstand, Bandbreite:

Maximale Datenübertragungsrate, Rauschabstand und Bandbreite sind neben der Dämpfung wichtige Eigenschaften eines Übertragungsmediums.

Ein Strom von Datenpaketen von einer Quelle zum Ziel wird als Datenfluss („Flow“) bezeichnet (vgl. Tanenbaum, 437). Die Geschwindigkeit des Datenflusses wird durch die Datenübertragungsrate ausgedrückt. Sie wird in Bit pro Sekunde [bit/s] angegeben.

Werden diesem Ausdruck die Präfixe Kilo und Mega vorangestellt, stellen sie in dieser Arbeit die Zehnerpotenzen 10³ und 106 dar, wie es in der Netzwerktechnik üblich ist (vgl. Rech, 27). Die Begriffe Datenübertragungsrate, Datenrate und Übertragungsrate werden in der Fachliteratur synonym gebraucht. Ich verwende im Folgenden ausschließlich den Begriff Übertragungsrate.

Der dimensionslose Quotient S/N beschreibt das Verhältnis des Sendesignalpegels zum Pegel des Rauschsignals und wird als Rauschabstand bezeichnet. Er wird oft logarithmisch mit SNRdB = 10 lg (Nutzsignalleistung/Rauschsignalleistung) in Dezibel (dB) dargestellt. Je größer der Rauschabstand ist, desto besser sind die Übertragungseigenschaften des Übertragungskanals.

Die Bandbreite beschreibt den Abstand zwischen der unteren und der oberen Grenzfrequenz der zu übertragenden Signale. Die Bandbreite des im analogen Telefondienst übertragenen Fernsprechbandes ist durch den Einsatz von Frequenzfiltern auf 3100 Hertz [Hz] begrenzt und beträgt 300 Hz bis 3400 Hz. Innerhalb dieser Grenzfrequenzen wird eine maximale Empfangsbezugsdämpfung des Teilnehmersystems von 3 Dezibel [dB] garantiert. Eine Dämpfung von 3 dB entspricht einem Energieverlust des Signals von 50 Prozent.

Die Bandbreitenbeschränkung eines Übertragungskanals hat direkte Auswirkungen auf seine maximale Übertragungsrate, wie es der von Shannon aus dem „Nyquist-Theorem“ (vgl. Tanenbaum, 109) abgeleiteten Aussage zu entnehmen ist:

C = H log₂ (1+ S/N) [bit/s] (Shannon-Hartley-Gesetz).

Je größer Bandbreite (H) und Rauschabstand (S/N) eines Kanals sind, desto größer ist demnach seine maximale Übertragungsrate (C). Diese Aussage gilt unabhängig vom verwendeten Übertragungsmedium. Beispielsweise kann ein Kanal mit einer Bandbreite von 3000 Hz und einem Rauschabstand von 30 dB, wie er im Telefonsystem denkbar ist, eine Übertragungsrate von höchstens 30000 bit/s erreichen.

3.1.2 Gegenüberstellung analoger und digitaler Signale

Während ein analoges Signal prinzipiell unendlich verschiedene Werte annehmen kann, können und sollen durch ein digitales Signal nur definierte Werte übertragen werden. Ein binäres Signal kann beispielsweise nur die beiden Zustände 1 und 0 darstellen. Diese Zustände werden durch ein Bit (von „Binary Digit“) erfasst, das die kleinste Informationseinheit in der Datentechnik ist. Für beide Werte muss zu Beginn einer Übertragung genau festgelegt sein, welche Frequenz bzw. welche angelegte Spannung dem Zustand 1, und welche dem Zustand 0 zugeordnet wird, und in welchem Zeitraum ein Signal übertragen wird. Digitale Signale sind somit wert- und zeitdiskret, analoge Signale dagegen wert- und zeitkontinuierlich.

Abbildung 2: Analoges und digitales Signal (Göbel, 23)

Es ist deswegen bei digitalen Übertragungsverfahren möglich, Störsignale herauszufiltern, da nur die bekannten Zustände erfasst werden müssen und alle undefinierten Werte verworfen werden. Jedoch unterliegt auch dieses Signal der Dämpfung und kann nicht unendlich weit übertragen werden, da es auf der Empfängerseite evt. nicht mehr ausgewertet werden kann. Digitale Signale werden im Unterschied zu analogen Signalen regenerativ verstärkt, ohne dass dabei der Rauschabstand verringert wird. Eine Verbindung zwischen zwei digitalen Endgeräten weist deswegen eine durchgehend gute Qualität auf und bricht beim Überschreiten der maximalen Leitungslänge ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Verformung eines digitalen Signals (Zitt, 29)

Um ein analoges Signal in ein digitales umzuwandeln, wird es in regelmäßigen Abständen abgetastet. Die während des Abtastvorgangs gemessene Amplitude des analogen Signals wird der Stufe eines digitalen Signals zugeordnet. Je mehr Stufen ein digitales Signal hat, desto mehr Informationen kann es aufnehmen. Ein zweistufiges Signal enthält beispielsweise die Information eines Bits, ein sechzehnstufiges die von vier Bits.

Wie viele Signale innerhalb einer Sekunde über einen Kanal übertragen werden wird durch die Signalrate oder Baudrate ausgedrückt und in Baud [Bd] angegeben.

Nach dem „Nyquist-Theorem“ ist die Erhöhung der Baudrate nur bis zu dem Wert sinnvoll, der dem doppelten Wert der verfügbaren Bandbreite entspricht. Für einen Kanal mit einer Bandbreite von beispielsweise 3000 Hz ist dies eine Baudrate von 6000 Bd. Wenn dieser Fall eingetreten ist, kann eine höhere Übertragungsrate nur durch eine Erhöhung der möglichen Zustände eines Signals erreicht werden.

Um Signale über einen Kanal mit begrenzter Bandbreite zu übertragen, werden sie durch eine „Sinusschwingung“ dargestellt und übermittelt. Die Frequenz, die Amplitude und die Phase dieser Schwingung können verändert werden, um die verschiedenen Stufen des Signals auszudrücken.

Diese Signalumwandlung wird Modulation, der umgekehrte Prozess Demodulation genannt, weshalb das entsprechende Gerät mit dem Akronym „Modem“ bezeichnet wird. Die Verfahren zur Modulation von Signalen werden in Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und Phasenmodulation unterschieden, wobei moderne Modems diese Verfahren miteinander kombinieren, um möglichst viele Bits mit nur einem gesendeten Signal darzustellen. Modems arbeiten i. d. R. mit einer Signalrate von 2400 Bd. Ein Modem, das im V.34bis-Standard arbeitet, kann durch Modulation 14 Bits pro Signal darstellen. Durch die Übertragung der Signale kann hierbei eine Übertragungsrate von 33600 Bit pro Sekunde erreicht werden (vgl. Tanenbaum, 148ff). Dies setzt durch das Shannon-Hartley-Gesetz wiederum einen Rauschabstand von mindestens 33 dB voraus.

Erfüllt der Übertragungskanal dieses Qualitätsmerkmal nicht, wird ein anderer Modulationsstandard angewendet, und die Übertragungsrate damit herabgesetzt.

3.2 Telekommunikationstechnik

3.2.1 Endgeräte

Zu den Endgeräten werden hier Telefone (fest und schnurlos), Anrufbeantworter und Faxgeräte gezählt. Sie werden in analog und digital unterschieden. Analoge Geräte können an einem analogen Anschluss direkt und an einem digitalen Anschluss über einen Terminaladapter betrieben werden. Digitale Geräte funktionieren nur an einem digitalen Anschluss. Der PC nimmt als multifunktionales Endgerät eine Sonderstellung ein. Er kann durch entsprechende Hard- und Software-Ausstattung die Funktionen aller Endgeräte vereinen. Sein Betrieb ist über eine ISDN-Karte am digitalen Anschluss und über ein Modem am analogen Anschluss möglich.

Die schnurlosen Telefone werden hier hervorgehoben, weil sie die drahtlose Kommunikation in der Bürosystemtechnik unterstützen. Sie werden als analoge Endgeräte betrachtet, da sie direkt an einem analogen Anschluss betrieben werden können. Die drahtlose Übertragung ist dagegen digital.

Moderne schnurlose Telefone bestehen i. d. R. aus der Basisstation und mehreren Mobilteilen. Sie verwenden den DECT („Digital European Cordless Communication“)-Standard des ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Dieser Standard verwendet zehn Trägerfrequenzen im Bereich von 1,88 GHz bis 1,90 GHz. Durch das Zeitmultiplexverfahren TDD („Time Division Duplex“) wird ein Zeitrahmen von 10ms in 24 Zeitschlitze („Bursts“) aufgeteilt. Jedem Mobilteil wird jeweils ein Zeitschlitz für die Übertragung des Signals zur Basisstation und zum Empfang des Signals von der Basisstation zugeordnet. Dadurch können auf einer Trägerfrequenz bis zu 12 Mobilteile über eine einzelne Basis­station betrieben werden (vgl. Abb.4). Diese kann durch das Herstellen interner und externer Gespräche sowie das Vermitteln von Gesprächen einige Funktionen einer TK-Anlage übernehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: DECT-Signalformat beim schnurlosen Telefon (Frey, 510)

3.2.2 ISDN

Die Übertragung zwischen den Vermittlungsstellen verläuft mittlerweile mit hohen
Übertragungsraten ausschließlich digital. Die Leitung zwischen der Teilnehmervermittlungsstelle und dem System des Kunden („Letzte Meile“) überträgt nach der Freischaltung eines ISDN-Anschlusses ebenfalls digital. ISDN ermöglicht somit eine vollständig digitale Kommunikation zwischen zwei Endgeräten. Es stellt verschiedene Telekommunikationsdienste, wie Sprache, Text, Bildtelefon und Datenübertragung über einen einzigen Anschluss bereit, die bis dahin nur in jeweils eigenen Netzen verfügbar waren.

„Diese Integration der einzelnen Dienste in einem digitalem Netz führte auch zur englischen Bezeichnung „Integrated Services Digital Network“ (auf deutsch: Dienstintegrierendes digitales Fernmeldenetz)“ (Frey, 192).

Die ISDN- Technik nutzt die physikalischen Möglichkeiten der vorhandenen Leitungen, auch höhere Frequenzen zu übertragen, wenn der erwähnte Frequenzfilter auf der Seite der Vermittlungsstelle deaktiviert wird. Dadurch wird die Bandbreite erhöht und nach dem Shannon-Hartley-Gesetz eine höhere Übertragungsrate ermöglicht. Die Bandbreite beträgt im ISDN 120 kHz und die Signalrate 120 kBd. Durch das Umsetzen von vier
Binärzeichen in drei Ternärzeichen („4B3T-Code“) kann damit eine Übertragungsrate von 160 kbit/s erreicht werden.

Jeweils 27 Ternärzeichen bilden eine Ternärgruppe. Eine Gruppe kann 36 Bit darstellen, von denen jeweils 16 Bit den B-Kanälen und 4 Bit dem Steuerkanal (D-Kanal) zugeordnet werden. Vier Ternärgruppen ergeben einen Rahmen der Uk0-Schnittstelle. Dieser ist je nach Übertragungsrichtung unterschiedlich aufgebaut und wird durch Steuerzeichen auf insgesamt 120 Ternärzeichen ergänzt. Die Dauer einer Übertragung für einen Rahmen beträgt eine Millisekunde. Für die zweiadrige Uko-Schnittstelle ergeben sich somit Übertragungs­raten von jeweils 64 kBit/s für die B-Kanäle und 16 kBit/s für den D-Kanal.

Auf der Seite des Teilnehmers wird der Anschluss mit dem NTBA („Network Termination Basic Access“) vom ankommenden zweiadrigen Uk0- Bus in den 4-adrigen S0-Bus überführt. Dieser stellt auch die hoheitliche Grenze zwischen dem öffentlichen Fernsprechnetz und dem privaten Netz dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Blockschaltbild d. NTBA (Frey, 235)

Die B- Kanäle können gleichzeitig für die Sprach- bzw. Datenübertragung genutzt werden. Der D-Kanal dient der Übermittlung von Steuersignalen zwischen den Endgeräten und zwischen Endgerät und Vermittlungsstelle. Auf diese Weise können spezifische ISDN-Leistungsmerkmale in Anspruch genommen werden, wie z. B. das Makeln oder das Anklopfen. Außerdem kann das anrufende Gerät erkennen, ob die geforderten Funktionen von der Gegenstelle unterstützt werden. Auf die ISDN- Merkmale soll hier jedoch nicht weiter eingegangen werden.

Am S0-Bus können bis zu 12 Anschlusseinheiten (UAE-/IAE-Dose) parallel angeschlossen werden. An ihnen können maximal acht ISDN- Endgeräte betrieben werden, deren Stromversorgung über den NTBA erfolgt. Ohne zusätzliche Stromversorgung, beispielsweise während eines Stromausfalls, wird maximal ein Gerät im Notbetrieb über die Vermittlungsstelle versorgt. Sollen analoge Endgeräte verwendet werden, müssen diese über einen Terminaladapter (auch: „a/b-Wandler“) mit dem S0-Bus verbunden werden. Die beiden Adernpaare des S0-Busses müssen mit jeweils einem 100-Ohm-Abschlusswiderstand terminiert werden, um Rückkopplungen zu vermeiden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Der passive S0-Bus mit dem NTBA am Leitungsende (Frey, 389)

Für den S0-Bus sind folgende Architekturen möglich, die abhängig von den örtlichen Begebenheiten ausgewählt werden müssen:

- Passiver Bus mit dem NTBA am Leitungsende (s. Abb.6)
- Passiver Bus mit dem NTBA in der Leitungsmitte
- Verlängerter oder erweiterter passiver Bus
- Punkt-zu-Punkt-Verbindung zur TK-Anlage, von dort sternförmige Verteilung auf die Endgeräte.

Zur Übertragung der Steuersignale auf dem D-Kanal werden derzeit noch zwei unterschiedliche Protokolle eingesetzt:

Das 1TR6-Protokoll wurde entwickelt, um ISDN national umsetzen zu können solange es noch keine europa-einheitlichen Standards gab. Mit der Verabschiedung dieser Standards auf europäischer Ebene wurde das DSS1- Protokoll eingeführt, so dass in das „nationale“ und das „Euro-ISDN“ unterschieden werden muss.

3.2.3 DSL

Mit DSL (engl.: „digital subscriber line“, dtsch.: „digitale Teilnehmerleitung“) wird ein Breitbanddienst bezeichnet, der die derzeit höchsten Übertragungsraten für Privatkunden und kleine Betriebe wirtschaftlich zur Verfügung stellt. Dieser Dienst benutzt ähnlich dem ISDN die Eigenschaft der vorhandenen Kupferleitungen, ein großes Frequenzspektrum zu übertragen. Während für ISDN jedoch nur eine Bandbreite von 120 kHz beansprucht wurde, beträgt die Bandbreite des DSL- Dienstes 1104 kHz.

[...]

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^[1] Aus Gründen der besseren Lesbarkeit werden im Folgenden nur die männlichen Bezeichnungen verwendet. Die weibliche Form ist jeweils mit inbegriffen.