Multiplexverfahren

Multiplexverfahren (multiplex (lat.) = vielfach, vielfältig) sind Methoden in der Nachrichtenübertragungstechnik mit denen mehrere Signale gleichzeitig über ein Medium (Kabel oder Funkstrecke) übertragen werden können.

Die Intentionen für die Anwendung von Multiplexing sind bei leitungsgebundener und bei Funkübertragung etwas unterschiedlich. Bei leitungsgebundener Übertragung werden die Signale aus mehreren Quellen durch einen so genannten Multiplexer gebündelt und gemeinsam über einen statt über mehrere parallele Wege übertragen. Der Demultiplexer entbündelt die Signale dann wieder. Ziel hierbei ist es, die Kosten für die Übertragungsstrecke möglichst niedrig zu halten. In der Funktechnik wird Multiplexing eingesetzt, um mehrere Teilnehmer, die meist auch räumlich verteilt sind, gleichzeitig mit einer zentralen Funkstation verbinden zu können.

Allgemein

Diese Verfahren wurden entwickelt, um eine optimale Ausnutzung von Leitungen und Frequenzen, die in der Kommunikationstechnik als Übertragungswege dienen, zu erreichen. Ebenfalls werden hierdurch die Kosten für Einrichtung und Wartung dieser Übertragungswege reduziert.

Die Übertragungswege werden bei einem Multiplexverfahren in mehrere Kanäle aufgeteilt, um so verschiedene Signale ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig zu übertragen.

In der technischen Kommunikation verwendet man hierzu die folgenden generellen Typen von Multiplexverfahren.

Raummultiplexverfahren - Übertragungskanäle (Leitungen, Richtfunkstrecken) werden zur parallelen aber exklusiven Nutzung durch mehrere Sender und Empfänger gebündelt.
Frequenzmultiplexverfahren - Bei Leitungsübertragung werden mehrere zu übertragende Signale in einem Frequenzbereich gebündelt; bei Funkübertragung werden unterschiedlichen Sendern unterschiedliche Frequenzen zugewiesen.
Zeitmultiplexverfahren - Mehrere Signale werden durch (meist periodisches) zeitversetztes Senden übertragen.
Wellenlängenmultiplexverfahren - Dies ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren für die Übertragung auf Lichtwellenleitern.
Codemultiplexverfahren - Dieses Verfahren wird nur in der Funktechnik eingesetzt. Mehrere Sender übertragen ihre Signale gleichzeitig und werden im Empfänger durch ihre unterschiedliche Codierung unterschieden.

Analogien aus dem täglichen Leben

Raummultiplexverfahren - Personen sprechen in verschiedenen Räumen miteinander. Akustische Signale können nicht von dem einen Raum zum anderen gelangen (zum Beispiel bei geschlossener Tür).
Frequenzmultiplexverfahren - Eine Hundepfeife erzeugt für den Menschen unhörbare Signale. Eine Konversation ist parallel dazu möglich.
Zeitmultiplexverfahren - Bei einer Pressekonferenz ist (im Idealfall) nur ein Sprecher gleichzeitig am Wort.
Codemultiplexverfahren - Bei vielen gleichzeitig gesprochenen Sprachen hört man seine Muttersprache sehr leicht heraus.

Begrifflichkeiten "Multiplexing" und "Multiple Access"

Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Multiplexverfahren wird teils von „Multiplexing“ und teils von „Multiple Access“ gesprochen. Um Multiplexing im engeren Sinne handelt es sich dann, wenn am Anfang eines Übertragungsweges ein Multiplexer mehrere Signale bündelt und am Ende ein Demultiplexer diese wieder entbündelt. Der Begriff Multiple Access hingegen wird eher dann verwendet, wenn mehrere Sender-Empfänger-Paare sich ein Übertragungsmedium (z. B. die Funkschnittstelle – also die Luft in der Umgebung einer Basisstation – beim Mobilfunk) teilen. Dort ist dann entweder eine zentrale Instanz erforderlich, die die Kanäle zuteilt, oder die Sender arbeiten mit einer Kollisionserkennung.

Die Verfahren zur gemeinsamen Nutzung des Übertragungsmediums sind bei Multiplexing und Multiple Access jedoch gleich und werden deshalb in diesem Artikel gemeinsam beschrieben.

Raummultiplexverfahren (SDM, SDMA)

Mit Raummultiplexverfahren (Abk. SDM für Space Division Multiplex oder SDMA für Space Division Multiple Access) bezeichnet man in der Nachrichtentechnik das Übertragen beziehungsweise das Vermitteln von mehreren Nachrichten über parallel installierte Übertragungswege, die den einzelnen Sendern und Empfängern jeweils zur exklusiven Nutzung bereitgestellt werden.

Man unterscheidet hierbei zwischen zwei verschiedenen Varianten:

drahtgebundenes Raummultiplexverfahren
drahtloses Raummultiplexverfahren

Drahtgebundene Raummultiplexverfahren

Kreuzschienenverteilung002.png Das drahtgebundene Raummultiplexverfahren ist das einfachste und älteste Multiplexverfahren. Hierbei werden zur gleichzeitigen Unterstützung von individuellen Verbindungen mehrere Leitungen parallel installiert. Diese parallelen Leitungen werden auch als Leitungsbündel (engl. trunk) bezeichnet.

Die einfachste Anwendung dieses Verfahrens sind die schon in der Anfangszeit der Telekommunikation und bis heute gebräuchlichen mehradrigen Kabel. Eine andere Methode des Raummultiplexverfahrens ist die Kreuzschienenverteilung (engl. cross bar switching), die auch als Koppelfeld bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um eine Matrix aus mehreren Leitungen mit vielen Schaltern. Hier zeigt sich einer der Vorteile des Raummultiplexverfahrens. Durch diese Matrix ist sichergestellt, dass jeder Sender jeden Empfänger erreichen kann, sofern die Leitung frei und der Schalter aktiv ist.

Drahtlose Raummultiplexverfahren

Beim drahtlosen Raummultiplexverfahren wird für jede Gruppe von Verbindungen eine eigene Richtfunkstrecke verwendet. Normalerweise erfolgt eine Mehrfachausnutzung einer Funkstrecke mit Hilfe des Frequenzmultiplexverfahrens oder des Zeitmultiplexverfahren oder einer Kombination aus beiden. Das Raummultiplexverfahren wird notwendig, wenn die Anzahl der zu übertragenden Verbindungen steigt und gleichzeitig Frequenzknappheit besteht. Dann wird die gleiche Frequenz mit ausreichendem räumlichen Abstand mehrfach benutzt. Der ausreichende räumliche Abstand ist notwendig, um zwischen den verschiedenen Sendern mit gleicher Sendefrequenz störende Interferenzen zu vermeiden. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren unter anderem in den Richtfunknetzen hinter den Sendestationen bei Rundfunk, Fernsehen und zellularem Mobilfunk.

Frequenzmultiplexverfahren (FDM, FDMA)

Das Frequenzmultiplexverfahren (Abk. FDM für Frequence Division Multiplex oder FDMA für Frequency Division Multiple Access) ist sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Ein erster Vorschlag zur Vielfachausnutzung von Leitungen durch Frequenzmultiplexverfahren wurde 1886 für die Telegraphie durch Elisha Gray gemacht. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Stereotonübertragung im UKW-Radio.

Frequenzmultiplex auf Leitungen

Frequenzmultiplex001.jpg Hierbei werden mehrere Signale mit jeweils einer schmalen Bandbreite zu einem breitbandigen Signal gebündelt und dann auf eine Trägerfrequenz moduliert. Man sagt auch, die Signale werden auf die Trägerfrequenz in unterschiedliche Frequenzbänder moduliert. Die Übertragung der Signale erfolgt dabei gleichzeitig und unabhängig von einander.

Durch die Modulation in unterschiedliche Frequenzbänder ist es beim Empfänger mit Hilfe von Filtern möglich, die Signale wieder in ihre ursprüngliches Frequenzlage zurück zu wandeln (demodulieren). Zur Vermeidung von Interferenzen und um eine bessere Trennung der Signale im Empfängerfilter zu erreichen, werden unbenutzte Schutzbänder (eng. Guard Bands) zwischen den einzelnen Frequenzbändern frei gelassen.

Angewendet wird Frequenzmultiplex auf vielen Leitungen im Telefonnetz. Auch bei der Übertragung von Informationen über Breitbandverteilnetze wie dem Kabelfernsehen kommt diese Technik zum Einsatz.

Frequenzmultiplex bei Funkübertragung

Hierbei werden die unterschiedlichen Signale nicht vorher gebündelt, sondern jedes Signal wird direkt auf seine Trägerfrequenz moduliert.

Heutige Anwendungsbereiche sind die Richt- und Mobilfunktechnik in der Telekommunikation. Das russische Satellitennavigationssystem GLONASS verwendet ebenfalls das Frequenzmultiplexverfahren. Zudem ist dieses Verfahren mit dem Zeitmultiplexverfahren kombinierbar, zum Beispiel beim Global System for Mobile Communications(GSM), bei Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) oder bei Bluetooth.

Eine Weiterentwicklung des FDM ist das OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Jeder Kanal verwendet viele auf einander "senkrecht" stehende Frequenzen.

Anmerkung: Die Zuweisung unterschiedlicher Frequenzen zu unterschiedlichen (räumlich getrennten) Sendestationen (z.B. Mobilfunkzellen) bezeichnet man üblicherweise nicht als Multiplexing. Hier spricht man von Frequenzplanung oder Raummultiplex (SDM).

Zeitmultiplexverfahren (TDM, TDMA)

Beim Zeitmultiplexverfahren (Abk. TDM für Time Division Multiplex oder TDMA für Time Division Multiple Access) werden in bestimmten Zeitabschnitten (Time Slots) die Daten (Signale) verschiedener Sender auf einem Kanal übertragen. Das Zeitmultiplexverfahren unterscheidet zwischen dem synchronen und asynchronen Verfahren.

Synchrones Verfahren

Zeitmultiplex-synchron_1.jpg Beim synchronen Verfahren (Abk. STD für Synchronous Time Division) wird jedem Sender durch den Multiplexer ein fester Zeitabschnitt zur Übertragung seiner Daten (Signale) auf dem Übertragungskanal zugeordnet.

Dies hat den Vorteil, dass jede Verbindung eine konstante Datenübertragungsrate erhält. Zusätzlich ist jederzeit ein Sender durch seine Position auf dem Übertragungskanal identifizierbar. Dies vereinfacht am Ziel den notwendigen Prozess des Demultiplexen.

Der Nachteil ist, dass, wenn ein Sender keine Daten (Signale) sendet, der entsprechende Zeitabschnitt ungenutzt bleibt. Der Übertragungskanal wird in einem solchen Fall nicht optimal ausgelastet.

Asynchrones Verfahren

Zeitmultiplex-asynchron_1.jpg Durch das asynchrone Verfahren (Abk. ATD für Asynchronous Time Division) wird der Nachteil des synchronen Verfahren verhindert. Dies geschieht, indem nur die Sender durch den Multiplexer auf den Übertragungskanal gegeben werden, die Daten (Signale) auch wirklich senden. Hierzu ist es aber notwendig, jedem in einem Zeitabschnitt übertragene Datenpaket eine Kanalinformation (andere Bez. Header, Channel Identifier) hinzu zu fügen. Anhand dieser Kanalinformation kann der Demultiplexer am Ziel des Übertragungskanals die Datenpakete dem richtigen Empfänger wieder zuteilen. Deshalb wird das asynchrone Verfahren auch teilweise als Adressen-Multiplexen oder label-multiplexing bezeichnet. Durch diese bedarfsgerechte Zuweisung der Zeitabschnitte wird der Übertragungskanal sehr ökonomisch genutzt. Wenn alle Sender Daten (Signale) übertragen, erhalten alle eine konstante Datenübertragungsrate. Freie Zeitabschnitte durch nicht aktive Sender werden von den anderen Sendern mitbenutzt, wodurch deren Datenübertragungsrate steigt. Dies bezeichnet man dann auch als Dynamisches Multiplexen. Als Nachteil gilt, dass die Datenpakete durch die Kanalinformation sowie der Aufwand des Demultiplexens größer werden.

Das Zeitmultiplexverfahren ist, wie das Frequenzmultiplexverfahren, sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Die erste bekannte Anwendung des Zeitmultiplexverfahren wurde von dem Franzosen Jean-Maurice-Émile Baudot ^* entwickelt. Seine 1874 entwickelte Apparatur machte es möglich, 4-6 Telegrafiesignale über eine Leitung im synchronen Zeitmultiplexverfahren zu übertragen. Heutige Anwendungsbereiche sind Übertragungstechniken, wie Integrated Services Digital Network (ISDN), Digital Subscriber Line (DSL) oder Asynchronous Transfer Mode (ATM). Das GSM-Mobilfunknetz verwendet sowohl das Zeitmultiplexverfahren als auch das Frequenzmultiplexverfahren.

Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM, WDMA)

Das Wellenlängenmultiplexverfahren (Abk. WDM für Wavelength Division Multiplex oder WDMA für Wavelength Division Multiple Access) ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren, das bei der Übertragung von Daten (Signalen) über Glasfaserkabel (Lichtwellenleiter) verwendet wird.

Beim Wellenlängenmultiplexverfahren werden aus verschiedenen Spektralfarben (Lichtfrequenzen) bestehende Lichtsignale zur Übertragung in einem Lichtwellenleiter verwendet. Als Quelle für die Lichtsignale dienen vorwiegend lichtemittierende Dioden (LED) oder Laser. Jede dieser so erzeugten Spektralfarben bildet somit einen eigenen Übertragungskanal, auf den man nun die Daten (Signale) eines Senders modulieren kann. Die so modulierten Daten (Signale) werden dann durch optische Koppelelemente gebündelt und gleichzeitig sowie unabhängig voneinander übertragen. Am Ziel dieser optischen Multiplexverbindung werden die einzelnen optischen Übertragungskanäle durch passive optische Filter oder wellenlängensensible opto-elektrische Empfängerelemente wieder getrennt. Das Verfahren ist mit dem Zeitmultiplexverfahren kombinierbar.

Inzwischen existieren Techniken, einzelne optische Kanäle ohne vorherige Wandlung auf die elektrische Ebene zu verstärken und zu routen um somit reine optische Netze zu realisieren. Wesentliche Komponenten dieser Technik sind optische Multi- und Demultiplexer, optische Verstärker und optische Crossconnects, die die Kanäle durch Filter trennen. Siehe auch: Arrayed-Waveguide Grating

Das sogenannte Dichte Wellenlängen-Multiplex (Abk. DWDM für Dense Wavelength Division Multiplex)... ...gilt zur Zeit als leistungsstärkste Variante. Dies wird erreicht, indem die zur Übertragung verwendeten Wellenlängen (Spektalfarben) sehr "dicht" im Glasfaserkabel übertragen werden. Der Abstand der Wellenlängen liegt hierbei zwischen 1,6 nm (200 GHz) und 0,8 nm (100 GHz). Diese dichten Abstände können nur erreicht werden, indem teure, gekühlte Laser und hochwertige Filter eingesetzt werden. Hierdurch erhält man aber Datenübertragungsraten bis zu 160 Kanäle bei 10 Gbit/s oder mehreren Kanälen mit 40 Gbit/s pro Kanal. Je nach Hersteller, Netzdesign und Glasfasertyp sind optische Verstärker alle 80-200 km erforderlich, sowie eine elektrische Regeneration zwischen ~600 - ~2000 km. Aus diesem Grund ist der hauptsächliche Anwendungsbereich dieser Variante der Einsatz im Wide- und Global Area Network. Je höher die Datenrate auf einem Kanal um so größer werden Beeinflussungen durch Dispersion. Bei Wellenlängen ab 10 Gbit/s Datenrate müssen Beeinflussungen durch chromatische Dispersion ausgeglichen werden, bei Wellenlängen mit 40 Gbit/s Datenrate sind weitere nichtlineare Effekte wie z.B. Polarisationsmodendispersion (PMD) eine Herausforderung an das Systemdesign.

Eine kostengünstigere Variante stellt das Grobe Wellenlängenmultiplex (Abk. CWDM für Coarse Wavelength Division Multiplex) dar. Zur Übertragung werden Wellenlängen (Spektralfarben) mit einem Kanalabstand kleiner als 50 nm, aber größer als 1000 GHz (ungefähr 8 nm im dritten optischen Fenster bei 1550 nm und 5.7 nm bei 1310 nm im zweiten) verwendet. Auf der Singlemode-Glasfaser hat man ein Kanalraster von 20 nm mit 18 Kanälen (1270 nm bis 1610 nm) standardisiert. Diese "grobe" Aufteilung der Wellenlängen wurde gewählt, um ungekühlte und somit kostengünstige Lasertypen verwenden zu können. Mit dieser Variante des Wellenlängenmultiplex werden Datenübertragungsraten bis 2,5 Gbit/s und Leitungsreichweiten bis 70 km ohne Signalverstärkung pro Kanal erreicht. Als Einsatzgebiete gelten Verbindungen im Metro-Bereich.

Codemultiplexverfahren (CDM, CDMA)

Beim Codemultiplexverfahren (Abk. CDM für Code Division Multiplex oder CDMA für Code Division Multiple Access) werden die Daten (Signale) mehrerer Quellen oder Sender gleichzeitig auf derselben Frequenz übertragen. Um ein Datenbit zu übertragen, wird eine dem Sender zugewiesene Bitfolge (der Spreizcode) übertragen. Die Datenrate auf dem Übertragungskanal, auch als chip rate bezeichnet, ist somit ein Vielfaches der Datenrate des Quellensignals. Zur Übertragung des Bitwerts "1" wird der Spreizcode selbst, für den Bitwert "0" der inverse Spreizcode übertragen. Sind mehrere Sender gleichzeitig aktiv, entsteht hierdurch ein Signalgemisch.

Der Empfänger filtert das Signal eines bestimmten Senders aus dem Signalgemisch heraus, indem er die Korrelation zwischen dem ihm bekannten Codemuster des Senders und dem Signalgemisch berechnet. Einfach ausgedrückt wird hierbei das Signalgemisch mit dem Codemuster (binär) durchmultipliziert. Die Korrelationsfunktion liefert den Wert "1" für das Datenbit "1" und "-1" für das Datenbit "0". Wenn der Sender gar nicht sendet, liefert die Korrelation den Wert "0".

Um eine gegenseitige Beeinflussung der Signale der unterschiedlichen Sender zu vermeiden, müssen Codemuster zugewiesen werden, die unabhängig voneinander sind. Man bezeichnet solche Codemuster dann als orthogonal. Ein Empfänger, der das Codemuster eines bestimmten Senders sucht, "sieht" Sendesignale mit orthogonalem Codemuster als Rauschen auf dem Übertragungskanal.

Die Kapazität des Systems erhöht sich durch das parallele Senden mehrerer Signale a priori nicht, da dies mit einer höheren Chiprate und damit mit einem breitbandigeren Signal erkauft werden muss. Es ergeben sich aber trotzdem Vorteile, weil Störungen in einem engen Frequenzbereich nicht ein Signal komplett unterbrechen, sondern alle Signale nur leicht stören.

Eingesetzt wird das Codemultiplexverfahren beim neuen Mobilfunkstandard der dritten Generation, dem Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), unter der Bezeichnung WCDMA für Wideband - Code Division Multiple Access das derzeit europaweit aufgebaut wird. Die hierbei eingesetzte Bandbreite liegt, je nach Netzbetreiber, bei 4,4 - 5 MHz.

Bei UMTS können unterschiedlichen Sendern unterschiedlich lange Codemuster zugewiesen werden. Je länger der Code um so geringer die Nutzdatenrate, aber auch um so geringer die benötigte Sendeleistung. Für eine Bruttodatenrate von 1920 kbps im Uplink wird beispielsweise ein Codemuster mit der Länge 4 bit verwendet; bei 30 kbps Bruttodatenrate ist der Code 256 bit lang. Dabei wird eine konstante chip rate von 3,84 Mcps und das Modulationsverfahren QPSK verwendet.

Auch beim Amerikanischen 3G Standard cdma2000 ist CDMA, wie der Name schon impliziert, das Multiplexverfahren der Wahl. Weltmarktführer für CDMA-Technologie ist Qualcomm. Die Firma besitzt auch die Rechte an den meisten wichtigen CDMA-Patenten.

Die Firmen Alcatel Shanghai Bell und Datang Mobile haben in Zusammenarbeit mit Siemens zwischen November 2001 und August 2005 einen dritten CDMA-Standard für die mobile Kommunikation der dritten Generation entwickelt, TD-SCDMA, der auf dem chinesischen Markt in den Einsatz kommen soll.

Eine weitere Anwendung für CDMA sind die Satellitennavigationssysteme GPS und Galileo.

Literatur

Ohm, Jens R.; Lüke, Hans D.: Signalübertragung - Grundlagen der digitalen und analogen Nachrichtenübertragungssysteme. Springer Verlag, Berlin 2002 ISBN 3-540-67768-2

Siehe auch

Weblinks

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