Netzwerk-Grundlagen – Optimale Auslastung von Übertragungswegen durch Mehrfachausnutzung

Moderne Multiplexverfahren arbeiten mit dynamischer Verteilung noch effizienter

06.11.2007 | Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Andreas Donner

Multiplexer konzentrieren Nutzdaten auf einen einzigen Übertragungspfad (Quelle: Pixelio)
Multiplexer konzentrieren Nutzdaten auf einen einzigen Übertragungspfad (Quelle: Pixelio)

Um Informationen vom Sender zum Empfänger zu transportieren, werden Übertragungswege benötigt. Dafür stehen verschiedene Medien (Kupfer, Glas und Funk) sowie spezielle Verfahren (Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt, Leitungs- und Paketvermittlung) zur Verfügung. Um die Kapazität der Verbindungswege optimal nutzen zu können, werden Multiplexverfahren wie CDM, FDM, OFDM, TDM, STDM, SOFDM und WDM eingesetzt. Dabei werden je nach verfügbarem Übertragungsmedium jeweils bestimmte Multiplextechniken bevorzugt.

Grundsätzlich lassen sich Multiplexverfahren in zwei Kategorien unterteilen: solche, die eine konstante Bandbreite garantieren und andere, die variable Bandbreiten bereitstellen. Beispiele für Multiplexverfahren mit konstanter Bandbreite sind TDM (Time Division Multiplex), FDM (Frequency Division Multiplex), MIMO (Multiple Input Multiple Output) und WDM (Wavelength Division Multiplex), die praktisch bei PDH (Plesiochrone Digitale Hierarchie), SDH (Synchronous Digital Hierarchy), ISDN (Integrated Services Digital Network), DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) und WLAN (Wireless Lokal Area Network) eingesetzt werden.

Mit variablen Bandbreiten arbeiten hingegen die statistischen Verfahren wie STDM (Synchronous Time Division Multiplex), FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) und OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), die praktisch bei X.25, IP, WLAN und WiMAX benutzt werden.

Während sich bei der leitungsgebundenen Datenübertragung die Gesamtkapazität relativ einfach durch Hinzufügen weiterer Übertragungsmedien erhöhen lässt, müssen bei den funkbasierten Technologien besondere Maßnahmen ergriffen werden, um ein Plus an Bandbreite zu erzielen. Denn Frequenzen lassen sich nicht vervielfachen und sind zudem eine rare Ressource.

Klassische Multiplextechnologien

Die Überlegung, wie auf einer Übertragungsstrecke mehrere Datenströme zur gleichen Zeit transportiert werden können führte zu Lösungen, die eine parallele Übertragung ermöglichen. Die klassischen Multiplexverfahren arbeiten dafür mit den Parametern Raum, Frequenz und Zeit. Weil diese Methoden mit starren Kapazitäten arbeiten, die keine dynamische Anpassung ermöglichen, wurde mit dynamischen Multiplexverfahren Abhilfe geschaffen. Diese erlauben es, augenblicklich nicht benötigte Kapazitäten von inaktiven Benutzern anderen Anwendern dynamisch zuzuteilen. Ist beispielsweise nur ein einziger Benutzer aktiv, so kann er theoretisch die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite für sich alleine nutzen.

Unabhängig von der Beschaffenheit des physikalischen Übertragungsmediums − Kupfer, Glas oder Funk − unterscheidet man bei der Wahl des passenden Multiplexverfahrens zunächst, ob die Kommunikation richtungsabhängig ist. Wie in Abbildung 1 gezeigt, kann der Informationsaustausch zwischen den Endgeräten (T = Terminal) grundsätzlich Simplex, Halb-Duplex oder Duplex erfolgen.

In der Betriebsart Simplex fließen die Informationen nur in einer Richtung, nämlich vom Sender zum Empfänger (Beispiel: Anzeigetafel am Bahnhof oder Flughafen). Halb-Duplex Verbindungen gestatten den Informationsfluss jeweils nur in eine Richtung, d.h. es kann zu einem Zeitpunkt entweder nur gesendet oder empfangen werden (Beispiel: CB-Funk). Die Betriebsart Duplex hingegen erlaubt die gleichzeitige Kommunikation in beiden Richtungen. Für Echtzeitanwendungen mit guter Qualität wie bei der Sprach- oder Videokommunikation werden in der Regel Duplex-Verbindungen vorausgesetzt.

Aber auch hier bestätigen Ausnahmen die Regel: Auch für drahtlose Netzwerke (WLANs) sind praktisch einsetzbare Lösungen für die Sprachkommunikation verfügbar − obwohl WLANs bekanntlich nur im Halb-Duplex-Modus arbeiten.

Die bekannten Muliplexverfahren sind in Abbildung 2 zusammengefasst und wie folgt charakterisiert:

  • Raum-Multiplex (SDM; Space Division Multiplex) – die miteinander kommunizierenden Endgeräte sind jeweils mit eigenen Übertragungswegen dediziert verbunden. Die damit offerierte Bandbreite ist für jede Verbindung zu jeder Zeit garantiert.
  • Zeitscheiben-Multiplex (TDM; Time Division Multiplex) – auf dem Übertragungsweg wird ein fester Transportrahmen bereitgestellt, der aus einer festgelegten Anzahl von einzelnen Timeslots zusammengesetzt ist. Jedem Teilnehmer wird damit ein garantierter Teil der gesamten Übertragungskapazität zur Verfügung gestellt.
  • Frequenz-Multiplex (FDM; Frequency Division Multiplex) – das für die Übertragung bereitgestellte Frequenzband wird in Teilbereiche aufgeteilt, innerhalb derer wieder feste Kapazitäten garantiert werden können.
  • Statistisches Muliplex (STDM; Synchronous Time Division Multiplex) – hierbei wird die Gesamtkapazität dynamisch den einzelnen Benutzern zugeteilt. Um auch bei hohem Verkehrsaufkommen jedem Teilnehmer den Zugang zu der Übertragungstrecke gewähren zu können, ist z.B. eine zyklische Abfrage der einzelnen Stationen vorgesehen.
  • Wellenlängen-Multiplex (WDM; Wavelength Division Multiplex) – auch Glsfasern lassen sich mehrfach für die gleichzeitige Übertragung von Informationen nutzen, indem für die einzelnen Kanäle jeweils eine bestimmte Wellenlänge (Lambda; λ) bereitgestellt wird. DWDM-Systeme (Dense Wavelength Division Multiplex) arbeiten heute schon mit über 100 Wellenlängen parallel. CWDM-Systeme (Coarse Wavelength Division Multiplex; typisch nur vier Wellenlängen) sind preiswerter und vor allem für den Einsatz im Campusgelände konzipiert.
  • Code Division Multiplex (CDM) – innerhalb des Übertragungskanals werden den einzelnen Verbindungen unterschiedliche Codierverfahren zugeteilt. Alle Daten der kommunizierenden Teilnehmer können so gleichzeitig übertragen werden.

Funktechnologien erfordern komplexe Multiplexverfahren

Die WiMAX-Standardisierung (Worldwide Interoperability for Microwave Access) berücksichtigt insbesondere Echtzeitanwendungen und stellt auf der Funkstrecke zur Trennung von Downlink- und Uplinkverkehr Duplex-Verbindungen bereit. Diese können wahlweise mit TDD (Time Division Duplex) oder mit FDD (Frequency Division Duplex) bzw. HFDD (Half Frequency Division Duplex) realisiert werden. In Abhängigkeit von den jeweiligen Applikationen bieten beide Verfahren ihre besonderen Vorteile. FDD und TDD werden auch als Multiplexverfahren FDMA (Frequency Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access) bezeichnet.

Ein weiteres Multiplexverfahren, das in den 2G- und 3G-Mobilfunknetzen eingesetzt wird heißt CDMA (Code Division Multiple Access).

Das modernste Multiplexverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) – entwickelt für WiMAX – führt zu einer besonders hohen spektralen Effizienz. Es ist ein Modulationsverfahren, das nicht nur einen einzelnen Signalträger sondern eine Vielzahl von Subträgern gleichzeitig moduliert.

In Verbindung mit der MIMO-Antennentechnik sollen bei WiMAX-Systemen schon bald Werte von bis zu 8 Bit/s/Hz erreicht werden. Die Besonderheit von OFDM liegt darin, dass auf dem Scheitelpunkt einer Trägerfrequenz alle anderen Träger einen Nulldurchgang aufweisen (siehe Abbildung 4). OFDM eignet sich besonders gut für Übertragungskanäle mit frequenzselektiven Auslöschungen, die z.B. bei Übertragungsstrecken ohne Sichtverbindungen auftreten.

Eine Weiterentwicklung von OFDM heißt OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access; siehe Abbildung 5) und wird bei der Realisierung von mobilen WiMAX-Systemen eingesetzt. Damit wird eine weitere Aufteilung für die Uplink- und Downlink-Kanäle möglich. Für diese unterschiedlichen Teilkanäle werden in Abhängigkeit von der Qualität der Funkstrecke verschiedene Modulationsverfahren eingesetzt. Eine Verfeinerung des Subkanalprinzips wird schließlich mit SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplex) − Bestandteil des WiMAX-Standards 802.16e − ermöglicht. Diese skalierbare Variante von OFDMA erlaubt wahlweise variable Kanalbandbreiten von 1,25, 2,5, 5, 10 und 20 MHz. Die Subcarrier in diesen Bändern sind flexibel modulierbar mit QAM, QPSK oder BPSK.

Weitere Erläuterungen

Aus Platzgründen können die in dem Beitrag verwendeten Abkürzungen hier nicht erklärt werden. Zum Nachschlagen wird deshalb ein Blick in die umfangreiche Sammlung von Abkürzungen und Begriffen aus der ITK-Welt auf der Webseite ITWissen empfohlen.

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München

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