Multiplexing
Was ist Multiplexing?
Multiplexing oder Muxing ist ein Verfahren, bei dem mehrere Signale oder Informationsströme gleichzeitig als ein einziges komplexes Signal über eine Kommunikationsverbindung gesendet werden. Wenn das Signal seinen Bestimmungsort erreicht hat, werden die einzelnen Signale durch einen Prozess, der Demultiplexing oder Demuxing genannt wird, wieder getrennt und über einzelne Leitungen übertragen.
Multiplexing wird von Netzwerken verwendet, um mehrere Signale –- digital oder analog – zu einem einzigen zusammengesetzten Signal zu konsolidieren, das über ein gemeinsames Medium, zum Beispiel ein Glasfaserkabel oder ein Funksignal, übertragen wird. Wenn das zusammengesetzte Signal seinen Bestimmungsort erreicht, wird es demultiplext und die einzelnen Signale werden wiederhergestellt und für die Verarbeitung verfügbar gemacht.
In Netzwerken wird eine Vielzahl von Multiplextechniken eingesetzt, die jedoch alle auf konzeptioneller Ebene ähnlich funktionieren. Die einzelnen Netzwerksignale werden in einen Multiplexer (MUX) eingespeist, der sie zu einem zusammengesetzten Signal kombiniert, das dann über ein gemeinsames Medium übertragen wird. Wenn das zusammengesetzte Signal seinen Bestimmungsort erreicht, teilt ein Demultiplexer (DEMUX) das Signal wieder in die ursprünglichen Komponentensignale auf und gibt sie auf getrennten Leitungen für die Verwendung durch andere Prozesse aus.
Wofür wird Multiplexing eingesetzt?
Multiplexing wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, um sowohl analoge als auch digitale Kommunikation zu ermöglichen. Es wurde erstmals in den 1870er Jahren zur Unterstützung der Telegrafie eingeführt, hat sich aber inzwischen zu einem Grundpfeiler der Telekommunikation entwickelt, beispielsweise in den Bereichen Radio, Fernsehen und Telefonie. Es wird auch in Computernetzwerken eingesetzt, häufig zur Übertragung mehrerer Signale über ein Wide Area Network (WAN).
Organisationen setzen Multiplexing in ihren Netzwerken aus zwei Gründen ein:
- Um Netzwerkgeräten zu ermöglichen, miteinander zu kommunizieren, ohne dass eine dedizierte Verbindung zwischen jedem Gerätepaar erforderlich ist, obwohl Multiplexing immer noch gemeinsam genutzte Medien erfordert.
- Um knappe oder teure Netzwerkressourcen besser zu nutzen. Multiplexing kann zum Beispiel verwendet werden, um mehrere Signale über eine Satelliten-Uplink-Verbindung oder über eine Kabel- oder Glasfaserverbindung zwischen großen Ballungsräumen zu übertragen.
Welche Formen von Multiplexing gibt es?
Organisationen können zwischen verschiedenen Arten des Multiplexing wählen. Ihre Wahl hängt weitgehend von der Art der übertragenen Signale (analog oder digital) und den für die Übertragung verwendeten Medien wie Koaxialkabel, Glasfaserkabel oder Mikrowellenverbindungen ab.
Nachfolgend ein Überblick über einige der gebräuchlichsten Multiplextechniken.
Frequenzmultiplex (FDM)
Die Bandbreite einer Kommunikationsverbindung wird in Unterkanäle mit unterschiedlichen Frequenzbreiten aufgeteilt, von denen jeder ein Signal parallel zu den anderen überträgt. Bei der analogen Funkübertragung wird FDM häufig verwendet, um Signale über Funkwellen zu multiplexen. FDM wird auch beim analogen Kabelfernsehen verwendet, wo mehrere Kanäle über dieselben Adern des Koaxialkabels übertragen werden. Eine Abwandlung des FDM ist das Orthogonal Frequency-division Multiplexing (OFDM), bei dem die Frequenzen der Unterkanäle näher beieinanderliegen, sich aber überlappen können und dennoch getrennt bleiben.
Wavelength-division Multiplexing (WDM)
Bei WDM werden mehrere Kommunikationskanäle zusammengefasst und auf Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge übertragen. Vom Konzept her ähnelt dies dem FDM, mit dem Unterschied, dass FDM in Bezug auf Frequenzen beschrieben wird (beispielsweise bei Radio- oder Fernsehsendungen) während WDM wellenlängenspezifisch ist. Der WDM-Ansatz wird häufiger in Telekommunikationssystemen und Computernetzwerken verwendet, bei denen Lasersysteme zur Übertragung von Lichtsignalen über Glasfaserkabel zum Einsatz kommen. Zu den WDM-Varianten gehören Coarse WDM (CWDM) und Dense WDM (DWDM), bei denen weniger bzw. mehr Informationskanäle gleichzeitig über das Medium übertragen werden.
Time-division Multiplexing (TDM)
Mehrere digitale Signale werden über denselben Kanal in abwechselnden Zeitschlitzen übertragen. TDM arbeitet auf der Zeitebene, im Gegensatz zu FDM und WDM, die auf der Frequenz- oder Wellenlängenebene funktionieren. Obwohl TDM seinen Ursprung in der Telegrafie hat, wird es heute häufig in der digitalen Telefonie eingesetzt, um mehrere Gespräche über ein gemeinsames Medium zu übertragen. TDM wird auch für synchrone optische Netzwerkverbindungen (SONET) verwendet, die früher die Hauptstütze der WAN- und Internetkonnektivität von Unternehmen waren. TDM kann synchron oder asynchron sein.
Code-division Multiplexing (CDM)
Bei CDM wird jedem Signal eine Bitfolge zugewiesen, die als Spreizcode (Spreading Code) bezeichnet wird, um ein Signal von einem anderen zu unterscheiden. Der Spreizcode wird mit dem ursprünglichen Signal kombiniert, um einen neuen Strom codierter Daten zu erzeugen, der dann auf einem gemeinsam genutzten Medium übertragen wird. Ein Demultiplexer, der den Code kennt, kann dann die ursprünglichen Signale abrufen, indem er den Spreizcode herausrechnet, ein Prozess, der als Entspreizung (Dispreading) bezeichnet wird. CDM wird häufig im digitalen Fernsehen und Rundfunk sowie in 3G-Mobilfunknetzen eingesetzt. 4G und 5G verwenden hauptsächlich OFDM. CDM kann auch mehrere Signale von mehreren Quellen unterstützen, eine Technik, die als Code-division Multiple Access (CDMA) bekannt ist.
Space-division Multiplexing (SDM)
Bei SDM werden die Signalwege durch die Verwendung mehrerer Leiter, wie zum Beispiel Lichtwellenleiter oder elektrische Drähte, räumlich getrennt. Die Leiter werden in einem einzigen Transportmedium gebündelt, sind aber physikalisch getrennt, wobei jeder Leiter einen Übertragungskanal bedient. Einzelne Leiter können durch FDM, TDM oder andere Techniken weiter gemultiplext werden. SDM kommt häufig in Unterseekabelsystemen zur Erhöhung der Kapazität zum Einsatz, kann aber auch für die drahtlose Kommunikation verwendet werden.
Polarization-division Multiplexing (PDM)
Eingehende elektromagnetische Signale werden in orthogonale Kanäle polarisiert, die über ein gemeinsames Medium übertragen werden. PDM wird häufig in der Glasfaserkommunikation sowie in der Funk- und Mikrowellenübertragung eingesetzt. Zum Beispiel verwenden Satellitenfernsehanbieter oft PDM, um Fernsehsignale an Satellitenschüsseln zu senden.
Fazit
Multiplexing ist heute ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Kommunikationsnetze. Insbesondere in 5G-Netzen, optischen Backbone-Infrastrukturen und Rechenzentren spielt Multiplexing eine zentrale Rolle für die effiziente Bandbreitennutzung und die Skalierbarkeit von Verbindungen.
