Definition

Was ist TDMA (Time Division Multiple Access)?

| Autor / Redakteur: tutanch / Andreas Donner

(© aga7ta - Fotolia)

Time Division Multiple Access (TDMA) ist ein Zeitmultiplexverfahren, bei dem die Signale verschiedener Quellen auf einem gemeinsamen Übertragungskanal sequentiell nacheinander übertragen werden. Ein gemeinsamer Übertragungskanal kann beispielsweise eine bestimmte Trägerfrequenz sein.

Die Abkürzung TDMA steht für den Fachbegriff Time Division Multiple Access und bezeichnet ein Übertragungsverfahren, das sowohl auf leitungsgebundenen als auch funkbasierten Medien zum Einsatz kommen kann. Die Besonderheit von TDMA ist, dass sich die Daten verschiedener Sender auf einem gemeinsam genutzten Träger übermitteln lassen.

Hierfür bekommt jede Quelle einen festen oder variablen Zeitabschnitt, den so genannten Zeitschlitz oder Zeitslot zugeordnet. Abhängig davon, ob die Zuteilung immer in gleichen Zeitschlitzen oder flexibel stattfindet, unterscheidet man zwischen synchronen und asynchronen TDMA-Zeitmultiplexverfahren.

Time Division Multiple Access hat eine große Bedeutung für funktechnische Übertragungsverfahren. Andere Mehrfachzugangsverfahren sind Code Division Multiple Access (CDMA), Space Division Multiple Access (SDMA) oder Frequency Division Multiple Access (FDMA). Jeder TDMA-Benutzer bekommt dabei einen Bruchteil der insgesamt zur Verfügung stehenden Bandbreite für die Übertragung seiner Daten zugeordnet. Wichtig bei TDMA ist, dass die sendenden, empfangenden und übertragenden Systeme synchronisiert sind und gleiche Taktinformationen besitzen.

Erste Anwendungen des Zeitmultiplexverfahrens reichen bis in die Zeit der Telegrafie zurück. Bereits im Jahr 1874 gelang es mit Hilfe von Zeitmultiplexverfahren bis zu sechs unterschiedliche Telegrafiesignale über eine einzige Leitung zu übertragen.

Die verschiedenen Einsatzgebiete von Time Division Multiple Access

Time Division Multiple Access kommt in unterschiedlichen Einsatzbereichen zur Anwendung. Wichtige Bereiche sind die Mobilfunkkommunikation, die Satellitenübertragung oder der schnurlose Übertragungsstandard DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). Weitere Kommunikationssysteme, die das TDMA-Verfahren nutzen, sind ISDN (Integrated Services Digital Network) und ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Die Funktionsweise des synchronen Zeitmultiplexverfahrens (statisches Time Division Multiple Access)

Beim synchronen Zeitmultiplexverfahren, teilweise auch als statisches TDMA bezeichnet, ordnet der Multiplexer jedem Sender einen bestimmten Zeitabschnitt des Übertragungskanals fest zu. Es handelt sich hierbei um ein recht einfaches Zeitmultiplexverfahren, bei dem jede Datenquelle auf eine ihr fest zugeteilte Bandbreite des Gesamtspektrums zugreifen kann.

Der Sender ist alleine aufgrund der Position seines Zeitslots und seiner Daten innerhalb des Übertragungskanals eindeutig zu identifizieren. Um die Signale zu demultiplexen, genügt es, die einzelnen Zeitschlitze aus dem Gesamtsignal senderabhängig wieder zusammenzusetzen. Kennen die Stationen ihren zugewiesenen Zeitschlitz, treten keine Kollisionen auf dem Übertragungsmedium auf und die Sendezeiten können exakt eingehalten werden.

Im Mobilfunkbereich führt die Basisstation die Zuteilung der Zeitschlitze durch. Die Duplex-Übertragung lässt sich realisieren, indem jeweils eigene Zeitschlitze für die verschiedenen Übertragungsrichtungen reserviert werden. Es findet kein tatsächlich gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten statt, sondern die Übertragungsrichtungen sind durch die Timeslots zeitlich versetzt realisiert.

Ein Nachteil des synchronen Zeitmultiplexverfahrens ist, dass die Zeitschlitze selbst dann für den Sender reserviert sind, wenn gerade keine Daten zur Übertragung anstehen. Dadurch ist die Auslastung der zur Verfügung stehenden Gesamtbandbreite oft nicht effizient. Der zugewiesene Zeitschlitz bleibt einfach ungenutzt und steht nicht für andere Daten zur Verfügung.

Das Gesamtsystem ist nur bedingt in der Lage, auf sich verändernden oder schwankenden Bedarf an Übertragungskapazität einzelner Quellen zu reagieren. Beispielsweise sind die sich ständig verändernden Bandbreiteanforderungen von Internetanwendungen mit Hilfe des statischen TDMA-Verfahren nur schlecht abbildbar. Für solch ein dynamisches Sende- und Empfangsverhalten ist das asynchrone Zeitmultiplexverfahren besser geeignet.

Die Funktionsweise des asynchronen Zeitmultiplexverfahrens (dynamisches Time Division Multiple Access)

Das asynchrone Zeitmultiplexverfahren, auch dynamischen Zeitmultiplexen genannt, verhindert die Nachteile von ungenutzten Zeitslots des synchronen Verfahrens dadurch, dass nicht belegte Zeitschlitze von anderen Quellen verwendet werden dürfen. Nur Sender, die aktuell tatsächlich Daten zu übermitteln haben, dürfen auf einen Zeitabschnitt des Trägersignals zugreifen. Durch diese flexible Zuordnung der Zeitslots entsteht der Nachteil, dass der Sender nicht mehr alleine aufgrund der Position seiner Daten im Datenstrom zu identifizieren ist. Es müssen für jeden einzelnen Datenkanal zusätzlich Informationen zur Identifikation hinzugefügt werden.

Dies übernehmen so genannte Channel Identifier im Header der einzelnen Datenpakete. Am anderen Ende der Übertragungsstrecken ist der Demultiplexer anhand dieser Zusatzinformationen in der Lage, die einzelnen Datenpakete dem jeweiligen Übertragungskanal zuzuordnen. Dank der flexiblen Ausnutzung von Zeitschlitzen sind asynchrones Zeitmultiplexverfahren effizienter im Umgang mit der vorhandenen Gesamtübertragungskapazität. Als Nachteil lässt sich aufführen, dass der Protokolloverhead und der Aufwand für das Multiplexen und Demultiplexen steigt.

Das Time Division Multiple Access-Verfahren im Mobilfunkstandard GSM (2G)

Große Bedeutung hat Time Division Multiple Access für den 2G-Mobilfunkstandard GSM (Global System for Mobile Communications). Der Standard nutzt neben Time Division Multiple Access auch Frequenzmultiplexverfahren und Raummultiplexverfahren. GSM verwendet die Phasenmodulaton GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) und die nach dem Frequenzmultiplexverfahren aufgeteilten unterschiedlichen Trägerfrequenzen des Frequenzbands.

Jeder der Frequenzträger lässt sich mit Hilfe von TDMA wiederum in einzelne, in der Regel meist acht Zeitschlitze unterteilen. Dadurch ist es möglich, in jedem der einzelnen GSM-Frequenzträger bis zu acht unterschiedliche Verbindungen unterzubringen und eine Vielzahl an Endsysteme über eine einzelne Basisstation zu bedienen. Die einzelnen Zeitschlitze wiederum besitzen zweimal 57 Datenbits und eine Präambel mit einer Länge von 26 Bit. Da der Empfänger die Präambel kennt, kann er sich mit deren Hilfe auf das Empfangssignal synchronisieren. Control-Bits geben Auskunft über den Inhalt der Datenpakete eines Zeitschlitzes.

TDMA und TETRA (Terrestrial Trunked Radio)

Terrestrial Trunked Radio (TETRA) ist ein Standard für den digitalen Bündelfunk und kommt für betriebliche Mobilfunk-Anwendungen bei Behörden, in der Industrie- oder im Nahverkehr zum Einsatz. Wie GSM nutzt auch TETRA die Zeitmultiplextechnik TDMA. Pro Trägerkanal werden mit Time Division Multiple Access vier Zeitschlitze als Gesprächskanäle bereitgestellt. Gegenüber GSM ist der Kanalabstand wesentlich geringer und die Frequenzökonomie dadurch höher. Mit Hilfe des Frequenzmultiplexverfahrens (FDMA) erfolgt in den HF-Kanälen eine Unterteilung in Uplink und Downlink.

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