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Grundkenntnisse der drahtlosen Kommunikation: Drahtloser Mechanismus (2)
Index: Drahtloser Mechanismus (1)
# 1. Definition der drahtlosen Kommunikation
2. Beispiele für Anwendungen der drahtlosen Kommunikation
3. Grundlegende Konfiguration und Elemente von drahtlosen Kommunikationssystemen
4. Drahtlose Kommunikationsmethode: Modulation und Demodulation
Kolumne: Radiowellen und ihre Frequenzen
Index: Drahtloser Mechanismus (2)
5. Datenübertragungsrichtung: Duplex (Vollduplex und Halbduplex) und Simplex
6. Was ist ein Kommunikationsprotokoll?
Kolumne: Geschichte und Entwicklung der drahtlosen Kommunikation
5. Datenübertragungsrichtung: Duplex (Vollduplex und Halbduplex) und Simplex
Das Übertragungsformat in Bezug auf die Richtung, in der die Daten übertragen werden, ist eine wichtige Spezifikation bei Kommunikationsanwendungen, unabhängig davon, ob sie drahtlos oder drahtgebunden sind. Dieses Format wird in Duplex-Übertragung und Simplex-Übertragung unterteilt. Darüber hinaus kann die Duplex-Übertragung weiter in Vollduplex-Übertragung und Halbduplex-Übertragung unterteilt werden. Im Folgenden werden die einzelnen Übertragungsmethoden erläutert.
5.1 Duplex-Übertragung
Die Duplex-Übertragung*5 ist ein Übertragungsformat, das in einem sehr großen Teil der heutigen digitalen Kommunikationsgeräte verwendet wird. Es gibt zwei Arten von Duplex-Übertragung: Vollduplex-Übertragung und Halbduplex-Übertragung.
Voll-Duplex-Übertragung
Wie in Abb. 8-1 dargestellt, ist die Vollduplex-Übertragung ein Übertragungsformat, das Datenkommunikation und Sprachverbindungen auf zwei Wegen (duplex) gleichzeitig ermöglicht: von Gerät A zu Gerät B und von Gerät B zu Gerät A. Wenn die empfangenen und gesendeten (manchmal auch als "Rx" und "Tx" bezeichneten) Signale unterschiedlichen Frequenzen zugeordnet sind, werden die elektronischen Bauteile in Orange, die diese trennen, als Duplexer bezeichnet.
Anwendungsbeispiele: Festnetztelefone, Mobiltelefone, Smartphones, usw. (direkte Verbindung zwischen Geräten)
*5: Die Begriffe Download/Upload und Downlink/Uplink werden oft im Zusammenhang mit der Duplex-Übertragung verwendet. Nehmen wir an, das von Ihnen verwendete Endgerät oder der PC ist Gerät A. In diesem Fall wird der Empfang von Daten von Gerät B als Download bezeichnet; umgekehrt wird die Übertragung von Daten von Gerät A zu Gerät B als Upload bezeichnet. Wenn außerdem nur die Verbindung zwischen Gerät A und Gerät B wichtig ist und nicht die Datenübertragung selbst, spricht man von einem Downlink/Uplink.
Halbduplex-Übertragung
Wie in Abb. 8-2a und Abb. 8-2b gezeigt, handelt es sich bei der Halbduplex-Übertragung um ein Format, bei dem Gerät A und Gerät B Daten durch gegenseitiges Umschalten zwischen Senden und Empfangen übertragen. Dieses Format unterscheidet sich von der Vollduplex-Übertragung, da Daten nicht auf zwei Wegen gleichzeitig übertragen werden können.
Anwendungsbeispiel: Sende- und Empfangsgeräte
5.2 Simplex-Übertragung
Wie in Abb. 8-3 dargestellt, handelt es sich bei der Simplex-Übertragung um ein Format, bei dem Daten zwischen Gerät A (Sender) und Gerät B (Empfänger) nur in einer Richtung (Simplex), von Gerät A zu Gerät B, übertragen werden.
Anwendungsbeispiele: AM/FM-Radiosender, Fernsteuerung über Funkwellen usw.
6. Was ist ein Kommunikationsprotokoll?
Bislang haben wir einen Überblick über die drahtlose Kommunikation unter dem Aspekt der Hardware gegeben. Andererseits ist auch der Software-Aspekt wichtig, um Telekommunikation aufzubauen, egal ob drahtlos oder drahtgebunden. Diese Software wird als Kommunikationsprotokoll oder einfach als Protokoll bezeichnet.
Ein Protokoll bezieht sich auf Verfahren und Regeln, die festgelegt werden, um z. B. Daten zwischen verschiedenen Systemen in Datenkommunikationssystemen (digitale Kommunikation), einschließlich Computern, fehlerfrei zu übertragen. Abbildung 9 zeigt ein Beispiel für die Rolle von Protokollen bei der Datenübertragung.
Es ist notwendig, eine Vielzahl von Rollen- und Funktionsprotokollen wie Kontrollverfahren, Datenstrukturen und Schnittstellen festzulegen, um die Übertragung von Daten zu gewährleisten. Dies erfordert jedoch eine große Anzahl von Protokollen. Nehmen wir an, dass ein Protokoll auf ein Modell festgelegt ist. Wenn es dann notwendig wird, das Protokoll zu aktualisieren, z. B. durch Hinzufügen von Inhalten oder Ändern von Inhalten, ist es schwierig, dies zu bewältigen. Dementsprechend wird jeder Rolle und Funktion ein Protokoll zugeordnet, und diese Protokolle werden dann in einer mehrschichtigen Struktur organisiert, um sicherzustellen, dass sie leicht aktualisiert werden können. Diese systematisch organisierte Protokollstruktur wird als Protokollstapel bezeichnet. (Manchmal wird sie auch als Protokollsuite oder Netzarchitektur bezeichnet.)
Der Protokollstapel orientiert sich an internationalen Normen. Es handelt sich dabei um das grundlegende OSI-Referenzmodell (Tabelle 4). In der Praxis wird dieses Modell nicht verwendet; stattdessen wird ein Protokollstapel mit für die jeweilige Anwendung geeigneten Spezifikationen (gute Datenübertragungseffizienz und hohe Zuverlässigkeit der Datenübertragung usw.) übernommen. Tabelle 5 beschreibt die Entsprechung zwischen dem TCP/IP-Modell, das im Internet als Standard verwendet wird, und dem OSI-Referenzmodell am Beispiel des Protokollstapels im Bluetooth® LE-Modell. Wir haben auf eine Erläuterung der einzelnen Schichten im TCP/IP-Modell und im Bluetooth® LE-Modell verzichtet. Sie können sehen, dass die Anzahl der Schichten gering ist und dass einige Schichten weggelassen wurden.
Der Mechanismus ist so, dass die Kommunikation bei 4G LTE und 5G über eine Basisstation läuft. Daher werden ihre Kommunikationsprotokolle komplizierter als das TCP/IP-Modell und das Bluetooth® LE-Modell.
Kolumne: Geschichte und Entwicklung der drahtlosen Kommunikation
Die Geschichte der drahtlosen Kommunikation geht auf das Jahr 1864 zurück. Der britische theoretische Physiker J.C. Maxwell sagte die Existenz von Radiowellen in seinem Aufsatz "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" voraus. Allerdings war das Papier damals sehr schwer zu verstehen. Infolgedessen wurde sein Inhalt nicht verstanden. Die Existenz von Radiowellen wurde von dem Deutschen H. R. Hertz nachgewiesen. Hertz gelang es 1888, Radiowellen künstlich zu erzeugen. Die Demonstration zeigte, dass Radiowellen in Bezug auf Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und andere Punkte die gleichen Eigenschaften wie Licht haben. Der italienische Erfinder G. Marconi war der erste, der die drahtlose Telekommunikation mit Hilfe von Funkwellen in die Praxis umsetzte. Im Jahr 1896, etwa 60 Jahre nach S. Morses Erfolg mit der drahtgebundenen Telekommunikation im Jahr 1837, gelang es Marconi in Großbritannien, drahtlose Kommunikation über eine Entfernung von etwa 3 km mit Hilfe des Morsecodes zu übertragen. Außerdem gelang ihm 1899 die drahtlose Kommunikation über die Straße von Dover und 1901 über den Atlantischen Ozean (Abb. 10-1).
Es lag nahe, die drahtlose Kommunikation in Schiffen zu nutzen, um eine mobile Kommunikation von Land zu Meer, von Meer zu Land und von Meer zu Meer zu ermöglichen - etwas, das bis dahin nicht möglich gewesen war. Ein entsprechender Test wurde 1897 durchgeführt. Der Untergang der Titanic im Jahr 1912 war das historischste Ereignis in den Anfängen dieser drahtlosen Kommunikation. Bekanntlich kollidierte die Titanic während ihrer Jungfernfahrt mit einem Eisberg und sank. Damals wurde das Notsignal "SOS" noch im Morsecode über Funk gesendet. Die in der Nähe fahrende Carpathia fing dieses Signal auf, eilte zum Unglücksort und rettete 711 Menschen.
Auch die drahtlose Übertragung von Audio- und Videodaten, die nicht dem Morsealphabet entsprachen, wurde möglich, wie z. B. bei Radio- und Fernsehübertragungen in den frühen 1900er Jahren. Der Rundfunk wurde erstmals 1906 in Amerika realisiert. Das Tokyo Broadcasting System (NHK) wurde 1925 in Japan eröffnet. Zur gleichen Zeit wurde das Schwarz-Weiß-Fernsehen erfunden. Die Ausstrahlung von Fernsehprogrammen begann um 1950. Drei Jahre nach der Erfindung des Schwarz-Weiß-Fernsehens kam das Farbfernsehen auf den Markt. Das Farbfernsehen wurde in den entwickelten Ländern in den 1960er Jahren eingeführt. Damit wurde der Grundstein für die Fernsehübertragung gelegt. Danach wurde das Fernsehen bis Anfang der 2000er Jahre im analogen Format ausgestrahlt. Seit der zweiten Hälfte der 2010er Jahre wird es weltweit auf das digitale Format umgestellt.
Die drahtlose Kommunikation hält nun auch in anderen Bereichen als dem Rundfunk Einzug in unser Leben. Der Einsatzbereich der drahtlosen Kommunikation hat sich mit der Verbreitung von Funkgeräten, die für bestimmte Zwecke eingesetzt werden (kommerzieller Funk), wie z. B. bei der Polizei, der Feuerwehr, dem Katastrophenschutz, der Bahn und auf Flughäfen, und mit der Verbreitung von Mobiltelefonen, die für den persönlichen Funkverkehr stehen, stark erweitert. Die Digitalisierung der Mobiltelefone begann in den Ländern um 1993 (zweite Generation: 2G). Seitdem sind Geschwindigkeit und Kapazität rapide gestiegen. Mit dem Aufkommen von 4G in Übersee im Jahr 2009 und in Japan im Jahr 2012 hat sich das Niveau dramatisch erhöht. Wir befinden uns jetzt in der Phase der 5G-Ausbreitung in den 2020er Jahren (Abb. 10-2). Darüber hinaus werden Diskussionen über das Konzept von Beyond 5G und 6G in den darauf folgenden Generationen geführt.
