Fundamentals (5): Grundlegendes zu Multiplexverfahren

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Teil 6 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Bei gegebenen Parametern eines Übertragungskanals besteht oft der Wunsch, die mögliche Kapazität in Gruppen zu verwalten. Das ist besonders wichtig bei drahtlosen Übertragungssystemen. So möchte ein Provider gerne viele Telefongespräche auf einem Übertragungskanal, den diese gemeinsam benutzen, organisieren. Dazu stehen grundsätzlich drei Dimensionen zur Verfügung: die Zeit, die Frequenz und die Amplitude. In diesem Teil besprechen wir die grundsätzlichen Gegebenheiten, bei den Funksystemen werden wir dann auch differenziertere Möglichkeiten kennenlernen.

Ziel aller Bemühungen mit Übertragungssystemen ist die Übertragung einer Folge von Repräsentationen der Elemente der Menge B = {0,1}. Diese Folge ist das, was der physikalischen Schicht von den höheren Schichten mit dem Auftrag der ordnungsgemäßen Übertragung übergeben wurde. Bevor die Folge, die wir als s bezeichnen, ein Übertragungsmedium erreicht, wird sie gegebenenfalls noch einer Codierung mit einem fehlererkennenden und fehlerkorrigierenden Code unterzogen (siehe dazu das Übertragungsmodell). Das Ergebnis ist ebenfalls eine Folge von Elementen aus B, die wir c(s) nennen. In Frage kommende Codierungen betrachten wir in weiteren Teilen der Reihe.

Die Folge c(s) wird einem Wandler zugeführt, der sie im Hinblick auf das zu benutzende Übertragungsmedium modifiziert. Dabei gibt es vier verschiedene Alternativen:

  1. Exklusive Benutzung des Mediums: c(s) bekommt eine andere Repräsentation, die im einfachsten Falle auf jedes Element der Folge einzeln angewandt wird, im komplexeren Falle auf Gruppen von Elementen. c(s) wird überführt in r(c(s)).
  2. Exklusive Benutzung eines Teils des Mediums (Raummultiplex):
    Das Medium ist a priori in nichtüberlappende Teilbereiche aufgeteilt, von denen jeder in der Lage ist, eine Folge wie c(s) zu übertragen. Über solche Aufteilungen sprechen wir später. c(s) bekommt einen (Raum-) Kanal zugeteilt, der nur mittels eines Trägers t, einer Schwingung, deren Parameter derart sind, dass sie genau zu dem Raumkanal passen, erreichbar ist. Der Informationsgehalt von c(s) wird durch Modifikationen eines oder mehrerer Parameter von t auf den Träger geprägt. Diesen Vorgang nennt man Modulation. Randbedingung ist, dass der Träger nach Aufnahme des Informationsgehaltes von c(s) immer noch zum Kanal passt. Übertragen wird also mt (c(s)).
  3. Gebündelte Ausnutzung des Mediums:
    s ist nur Teil einer Menge von Folgen s1, . . . sk. s sei hier sj. Die Codierung kann sich auf jede Folge oder auf die ganze Menge beziehen. Es muss also entweder c (s1, . . . sk) oder c (s1), . . . c(sk) über ein Medium übertragen werden. Der erste Fall ist aus der Sicht des Mediums äquivalent zu a), da der Zeitmultiplex bei der Berechnung von c erfolgt und danach eine geschlossene Folge entsteht, die, wie oben, behandelt werden kann. Im zweiten Fall werden die verschiedenen Folgen einem Multiplexverfahren unterzogen, dessen Ergebnis im allgemeinen Fall mx(c(sl), . . . c(sk)) ist und das auf das Medium geht.
  4. Gebündelte Ausnutzung eines Teils des Mediums (Raum- und Zeitmultiplex):
    Die Situation ist die gleiche wie unter c) mit der Randbedingung der Einschränkung auf einen Kanal wie unter b). Die erste Alternative wird durch Modulation eines Trägers mit c (s1, . . . sk) behandelt, so dass mt (c(sl, . . . sk)) übertragen wird. Bei der zweiten Alternative von c ist die Modulation ebenfalls die letzte Operation, so dass mt (mx(c(sl), . . . c(sk))) übertragen wird.

Die Rückgewinnung der ursprünglichen Folge aus den auf dem Medium übertragenen Signalen ist eine weitere Aufgabe einer ordnungsgemäßen Nachrichtenübertragung. Wurde Modulation benutzt, so steht an erster Stelle des rückgewinnenden Systems ein Demodulator, dessen Aufbau im Wesentlichen unkritisch ist.

Ein gemultiplextes Signal muss zunächst entbündelt werden. Die Hauptfehlerursachen in Demultiplexern sind die eventuell falschen Zuordnungen von Signalelementen zu den »Ausgängen« des Demultiplexers.

Wird die zweite Alternative von b) bzw. d) benutzt, muss dem Demultiplexer ein Decodierer nachgeschaltet werden. Bei der ersten Alternative von b) bzw. d) sind Demultiplexer und Decodierer integriert.

Der Fall a) ist wieder der einfachste; hier muss lediglich r invertiert werden, was ein trivialer Rückwandler bewirken kann.

Neben den Fehlern, die in Wandler und Rückwandler gemacht werden können, gibt es auch noch Störungen auf dem Übertragungsweg. Es ist Aufgabe einer jeden Konstruktion für einen Netzwerkanschluss, diese Fehler so früh wie möglich zu erkennen und zu beheben oder präventiv zu arbeiten. In einer Implementierung werden die Fehler von Schicht zu Schicht mit immer komplexeren Methoden abgefangen.

Dennoch sollte die Konstruktion von Übertragungsgeräten und Übertragungssystemen die Möglichkeiten für das Auftreten von Fehlern minimieren.

Wie auch immer muss ein verwendetes Multiplexverfahren den Gegebenheiten angepasst werden, das heißt dem durch den Kanal gegebenen »Übertragungsfenster«.

Bei Lokalen Netzen werden heute üblicherweise die Alternativen a) und b) benutzt. Die oft auch als »Multiplexverfahren« bezeichneten Verfahren wie CSMA/CD oder Token zur Aufteilung eines Übertragungsmediums an mehrere Benutzer, die ja charakteristisch für LANs sind, liegen nach dem OSI-Modell auf der Schicht 2 und haben mit dem Datenstrom auf der physikalischen Schicht strenggenommen nichts zu tun, wenn dies auch oft anders dargestellt wird. Gerade im Zuge der immer höheren Flexibilisierung der Zuordnung von Elementen der einzelnen Schichten untereinander muss man stärker auf solche »Feinheiten« achten.

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