Multiplexing

Mehrere digitale Bitströme mit variabler Bitrate können mit Hilfe von statistischem Multiplexing effizient über einen einzigen Kanal mit fester Bandbreite übertragen werden.

Digitale Bitströme können über einen analogen Kanal mittels Code-Division-Multiplexing-Techniken wie Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS) übertragen werden.

In der drahtlosen Kommunikation kann das Multiplexing auch durch abwechselnde Polarisation (horizontal/vertikal oder im Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigersinn) auf jedem Nachbarkanal und Satelliten oder durch ein phasengesteuertes Mehrfachantennen-Array in Kombination mit einem MIMO-Schema (Multiple-Input-Multiple-Output-Kommunikation) erreicht werden.

Raum-MultiplexingEdit

In der drahtgebundenen Kommunikation ist Raummultiplexing, auch Raummultiplex-Vielfachzugriff (SDMA) genannt, die Verwendung separater elektrischer Punkt-zu-Punkt-Leitungen für jeden übertragenen Kanal. Beispiele sind ein analoges Stereo-Audiokabel mit einem Adernpaar für den linken und einem weiteren für den rechten Kanal, ein mehrpaariges Telefonkabel, ein geschaltetes Sternnetz wie ein Telefonanschlussnetz, ein geschaltetes Ethernet-Netz und ein Maschennetz.

In der drahtlosen Kommunikation wird das Raummultiplexing mit mehreren Antennenelementen erreicht, die eine phasengesteuerte Antenne bilden. Beispiele sind MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output), SIMO (Single-Input and Multiple-Output) und MISO (Multiple-Input and Single-Output) Multiplexing. Ein drahtloser IEEE 802.11g-Router mit k Antennen ermöglicht im Prinzip die Kommunikation mit k gemultiplexten Kanälen, jeder mit einer Spitzenbitrate von 54 Mbit/s, wodurch sich die gesamte Spitzenbitrate um den Faktor k erhöht. Verschiedene Antennen würden unterschiedliche Mehrwegeausbreitungssignaturen (Echo) ergeben, so dass digitale Signalverarbeitungstechniken die verschiedenen Signale voneinander trennen können. Diese Techniken können auch für Raumdiversität (verbesserte Robustheit gegenüber Fading) oder Strahlformung (verbesserte Selektivität) anstelle von Multiplexing eingesetzt werden.

FrequenzmultiplexingBearbeiten

Frequenzmultiplexing (FDM) ist von Natur aus eine analoge Technologie. Bei FDM werden mehrere Signale in einem Medium kombiniert, indem Signale in mehreren unterschiedlichen Frequenzbereichen über ein einziges Medium gesendet werden. Eine der häufigsten Anwendungen für FDM ist die herkömmliche Rundfunk- und Fernsehübertragung über terrestrische, mobile oder Satellitenstationen oder Kabelfernsehen. Nur ein Kabel erreicht das Wohngebiet eines Kunden, aber der Dienstanbieter kann mehrere Fernsehkanäle oder Signale gleichzeitig über dieses Kabel an alle Abonnenten senden, ohne dass es zu Störungen kommt. Die Empfänger müssen sich auf die entsprechende Frequenz (Kanal) einstellen, um das gewünschte Signal zu empfangen.

Eine andere Technologie, das so genannte Wellenlängenmultiplexing (WDM), wird in der optischen Kommunikation verwendet.

ZeitmultiplexingBearbeiten

Zeitmultiplexing (TDM) ist eine digitale (oder in seltenen Fällen analoge) Technologie, bei der zur Trennung der verschiedenen Datenströme die Zeit und nicht der Raum oder die Frequenz verwendet wird. Beim TDM werden Gruppen von einigen Bits oder Bytes aus jedem einzelnen Eingangsstrom nacheinander und so angeordnet, dass sie dem entsprechenden Empfänger zugeordnet werden können. Wenn dies schnell genug geschieht, werden die empfangenden Geräte nicht feststellen, dass ein Teil der Leitungszeit für einen anderen logischen Kommunikationspfad verwendet wurde.

Betrachten Sie eine Anwendung, bei der vier Terminals auf einem Flughafen einen zentralen Computer erreichen müssen. Jedes Terminal kommuniziert mit 2400 Baud. Anstatt vier einzelne Schaltkreise für eine solche langsame Übertragung zu erwerben, hat die Fluggesellschaft ein Paar Multiplexer installiert. Ein Paar Modems mit 9600 Baud und ein dedizierter analoger Kommunikationskreislauf vom Flughafenschalter zurück zum Datenzentrum der Fluggesellschaft sind ebenfalls installiert. Einige Web-Proxy-Server (z. B. polipo) verwenden TDM für das HTTP-Pipelining mehrerer HTTP-Transaktionen über dieselbe TCP/IP-Verbindung.

Carrier-Sense-Multiple-Access- und Multidrop-Kommunikationsverfahren ähneln dem Zeitmultiplexverfahren, da mehrere Datenströme auf demselben Medium zeitlich getrennt werden. Da die Signale jedoch getrennte Ursprünge haben und nicht zu einem einzigen Signal kombiniert werden, sind sie eher als Kanalzugangsverfahren denn als eine Form des Multiplexens zu betrachten.

TD ist eine alte Multiplextechnik, die immer noch das Rückgrat der meisten nationalen Festnetztelefonnetze in Europa bildet und die 2m/Bit-Sprach- und Signalisierungsanschlüsse an Schmalband-Telefonzentralen wie der DMS100 bereitstellt. Jeder E1- oder 2m/Bit-TDM-Port bietet entweder 30 oder 31 Sprachzeitschlitze im Falle von CCITT7-Signalisierungssystemen und 30 Sprachkanäle für kundenseitig angeschlossene Q931-, DASS2-, DPNSS-, V5- und CASS-Signalisierungssysteme.

PolarisationsmultiplexingEdit

Polarisationsmultiplexing nutzt die Polarisation der elektromagnetischen Strahlung zur Trennung orthogonaler Kanäle. Es wird in der Praxis sowohl in der Funk- als auch in der optischen Kommunikation eingesetzt, insbesondere in Glasfaserübertragungssystemen mit 100 Gbit/s pro Kanal.

Orbitales DrehimpulsmultiplexingBearbeiten

Orbitales Drehimpulsmultiplexing ist eine relativ neue und experimentelle Technik zum Multiplexen mehrerer Kanäle von Signalen, die mit elektromagnetischer Strahlung über einen einzigen Pfad übertragen werden. Es kann möglicherweise zusätzlich zu anderen physikalischen Multiplexverfahren eingesetzt werden, um die Übertragungskapazität solcher Systeme erheblich zu erweitern. Im Jahr 2012 befand sich das Verfahren noch in der frühen Forschungsphase, wobei in kleinen Laborversuchen Bandbreiten von bis zu 2,5 Tbit/s über einen einzigen Lichtweg nachgewiesen wurden. In der akademischen Gemeinschaft ist dies ein umstrittenes Thema, da viele behaupten, es handele sich nicht um ein neues Multiplexverfahren, sondern um einen Spezialfall des Raummultiplexverfahrens.

Code-Division-MultiplexingEdit

Code-Division-Multiplexing (CDM), Code-Division-Multiple-Access (CDMA) oder Spread-Spectrum (Spreizspektrum) ist eine Klasse von Techniken, bei denen sich mehrere Kanäle gleichzeitig dasselbe Frequenzspektrum teilen, und diese spektrale Bandbreite ist viel höher als die Bit- oder Symbolrate. Eine Form ist das Frequenzsprungverfahren, eine andere das Direktsequenz-Spreizspektrum. In letzterem Fall überträgt jeder Kanal seine Bits als kodierte kanalspezifische Impulsfolge, die Chips genannt wird. Die Anzahl der Chips pro Bit oder Chips pro Symbol ist der Spreizfaktor. Diese kodierte Übertragung wird in der Regel durch die Übertragung einer eindeutigen zeitabhängigen Folge von kurzen Impulsen erreicht, die innerhalb von Chipzeiten innerhalb der größeren Bitzeit platziert werden. Alle Kanäle, jeder mit einem anderen Code, können auf demselben Glasfaser- oder Funkkanal oder einem anderen Medium übertragen und asynchron demultiplexiert werden. Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren sind, dass eine variable Bandbreite möglich ist (wie beim statistischen Multiplexen), dass die große Bandbreite ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis nach dem Shannon-Hartley-Theorem ermöglicht und dass die Mehrwegeausbreitung in der drahtlosen Kommunikation durch Rake-Empfänger bekämpft werden kann.

Eine wichtige Anwendung von CDMA ist das Global Positioning System (GPS).