FDMA, TDMA, and CDMA Multiple Access: Effective Utilization of Bandwidth (1)

1. Wesentliche Technologien, die eine effektive Nutzung der Signalbandbreite für die drahtlose Kommunikation ermöglichen

Jeden Tag senden und empfangen unsere Smartphones Audio, Bilder, Videos und andere Daten. Während viele Menschen zur gleichen Zeit dasselbe Signalband nutzen und riesige Datenmengen übertragen, halten wir dies für völlig normal. Möglich ist dies dank Technologien, die Probleme beim Senden und Empfangen verschiedener Datentypen verhindern, wie z. B. die Überschneidung von Daten oder Störungen durch Rauschen. In diesem Artikel werden anhand von grafischen Darstellungen zwei dieser Technologien beschrieben, die eine effiziente Nutzung der Frequenzbandbreite (kurz: Bandbreite) ^*1 ermöglichen, d. h. die effiziente Nutzung von Funksignalen:
- "Multiplexing", das die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme ermöglicht, und
- "Mehrfachzugriff", bei dem die Multiplextechnik genutzt wird, um gleichzeitige Verbindungen mit mehreren Nutzern zu ermöglichen.

Beachten Sie, dass der Mehrfachzugriff (auch "Multiaccess" genannt) eine wichtige Technik ist, die zum Mobilkommunikationssystem der 5. Generation (5G) beiträgt, das eine sehr große Anzahl gleichzeitiger Verbindungen (1 Million Verbindungen pro Quadratkilometer) unterstützen soll, einschließlich Verbindungen zu "Dingen" wie Haushaltsgeräten und IoT-Geräten.

*1 Je größer die für die drahtlose Kommunikation verwendete Frequenzbandbreite (Bandbreite) ist, desto höher ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit (Übertragungsgeschwindigkeit). Wir planen, den Zusammenhang zwischen Frequenzbandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit in einem anderen Artikel zu erläutern.

2. Übertragung mehrerer Datenströme durch drahtlose Kommunikation

2.1 Multiplexen: Effektive Ausnutzung eines einzelnen Übertragungsweges (Luft)

Das Grundmodell eines Kommunikationssystems, egal ob es sich um drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation handelt^{,*2 kann} wie in Abbildung 1 dargestellt werden (Grundkenntnisse der drahtlosen Kommunikation: Drahtloser Mechanismus (1)). In diesem Modell werden die Sendeseite, der Übertragungsweg und die Empfangsseite als eine Einheit betrachtet, und der zu einem bestimmten Zeitpunkt übertragene Datenstrom wird als eine Einheit betrachtet. (Wir werden dies im Folgenden als "einfache Kommunikation" bezeichnen.) Wenn nun der Sender mehrere Datenströme gleichzeitig an die Empfängerseite senden könnte, würde sich die Effizienz des Datenversands und -empfangs erhöhen. So kam man auf die Idee, mehrere Datenströme gleichzeitig über einen einzigen Übertragungsweg zu übertragen. Diese Technologie wird als Multiplexing bezeichnet.

*2 Im Allgemeinen besteht der Übertragungsweg eines Kommunikationssystems entweder aus Kabeln oder aus Luft, und solche Systeme werden je nach dem für die Telekommunikation verwendeten Übertragungsweg entweder als drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation klassifiziert.

2.2 Mehrfacher Zugang: Implementierung der drahtlosen Kommunikation zwischen mehreren Benutzern ohne Interferenzen

Wenn wir uns unter Multiplexing das gleichzeitige Senden mehrerer Datenströme vorstellen, die sich gegenseitig überlagern, können wir sagen, dass es beim Multiplexing die Elemente der Sende- und Empfangsseite nicht gibt. Bei der drahtlosen Kommunikation kann dem Multiplexing das Element des "Transceiving" (kombiniertes Senden und Empfangen) hinzugefügt werden, um mehreren Nutzern die gemeinsame Nutzung eines einzigen Übertragungsweges zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer Datenströme zu ermöglichen. Dies wird als Mehrfachzugriff bezeichnet^.*3

Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen Multiplexing und Mehrfachzugriff. Um einen Vergleich mit dem Mehrfachzugriff zu ermöglichen, werden wir sagen, dass das Multiplexing eine Sende- und eine Empfangsseite verwendet. Da das Multiplexing mehrere ^Kanäle*4 und der Mehrfachzugriff ebenfalls mehrere Kanäle hat, können wir sagen, dass der Mehrfachzugriff auf dem Multiplexing basiert.

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*3 In kommunikationsbezogenen Büchern und Dokumenten sowie im Inhalt von Websites werden Multiplexing und Mehrfachzugriff manchmal ohne Unterschied verwendet, je nachdem, was beschrieben wird. Im vorliegenden Artikel wird der Mehrfachzugriff als eine Technik beschrieben, die das Multiplexing nutzt, um mehreren Benutzern die gemeinsame Nutzung eines Übertragungsweges zum Senden und Empfangen von Daten zu ermöglichen.

*4 Kanal: Wie hier verwendet, kann man sich darunter einfach einen Weg (Kommunikationspfad) vorstellen, auf dem sich eine Funksignalwellenform mit einem einzelnen Datenstrom bewegt. Der Begriff Kanal wird in diesem Sinne als Bezeichnung für eine Signalleitung verwendet. Im Falle der drahtlosen Kommunikation kann man z. B. einen Fall, in dem 10 verschiedene Signalformen übertragen werden (Multiplex-Übertragung), als einen Kommunikationsweg mit 10 Kanälen bezeichnen.

In der tatsächlichen drahtlosen Kommunikation sind Fälle, in denen ein Übertragungspfad gemeinsam genutzt wird, um Daten von einem Benutzer zu einem anderen Benutzer oder von einem Benutzer zu mehreren anderen Benutzern zu übertragen, häufiger, in denen mehrere Benutzer eines mobilen Kommunikationssystems (Abbildung 2) oder eines Satellitenkommunikationssystems (Abbildung 3) einen Übertragungspfad gemeinsam nutzen. Daher konzentriert sich die folgende Diskussion auf die Funktionsweise des Mehrfachzugriffs. Multiplexing wird erklärt in < Kolumne > Wie Multiplexing funktioniert: FDM, TDM, und CDM.

3. Wie der Mehrfachzugriff funktioniert: FDMA, TDMA und CDMA

Wie im vorangegangenen Abschnitt erwähnt, ist der Mehrfachzugriff eine Technik, die es mehreren Benutzern ermöglicht, ohne Interferenzen zu kommunizieren, indem sie sich gemultiplexte Kanäle teilen.
Die grundlegenden Arten des Mehrfachzugriffs, von den einfachsten bis zu den fortschrittlichsten, sind die folgenden
- Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (FDMA)
- Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA)
- Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA)
Im Folgenden wird die Funktionsweise der einzelnen Arten des Mehrfachzugriffs anhand konzeptioneller Diagramme für jede Art von Mehrfachzugriff und konzeptioneller Diagramme auf der Grundlage von Abbildung 3 am Beispiel der Satellitenkommunikation erläutert^.*5

*5 Neuere drahtlose Kommunikationsstandards wie 4G-LTE-Mobilfunk oder Wi-Fi 6/6E und Wi-Fi 7 für die persönliche Kommunikation verwenden ein Verfahren namens OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), das auf einer Modulations- und Multiplextechnologie namens OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) beruht, die an dieser Stelle nicht näher erläutert wird, da sie Hintergrundwissen über komplexe Themen wie Datenmultiplikation, Quadraturamplitudenmodulation (QAM) und die orthogonalen Eigenschaften von Datensignalen in Frequenzspektren erfordern würde. Wir planen, dieses Thema in einem anderen Artikel zu behandeln.

3.1 Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (FDMA)

FDMA teilt die Datenströme von mehreren Nutzern auf und weist sie Kanälen zu, die verschiedene Frequenzbänder nutzen, die sich alle einen einzigen Übertragungsweg teilen (Abbildung 4-1). Die Einführung von FDMA begann in den 1980er Jahren und wurde für die Übertragung von Handy- und Autotelefonaten im Rahmen des analogen Mobilfunksystems der ersten Generation (1G) verwendet.

Abbildung 4-2 zeigt ein konzeptionelles Diagramm für die Verwendung von FDMA für die Satellitenkommunikation. Abbildung 4-2 zeigt eine auf Abbildung 3 basierende Anordnung, bei der eine Sendeseite (Erdstation E0) und mehrere Empfangsseiten (Erdstationen E1 bis E3) zur Übertragung gemultiplexter Datensignale verwendet werden.
Das von der Erdstation E0 ausgehende Datensignal, das aus auf die Erdstationen E1 bis E3 gerichteten Datenströmen besteht, die moduliert und verschiedenen Frequenzen zugewiesen sind, die in gleichmäßigen Abständen innerhalb der vom Satellitenrelais unterstützten Bandbreite angeordnet sind, wird so gesendet, dass sich die benachbarten Signalfrequenzbänder nicht überschneiden (um Störungen zu vermeiden). Wenn die Bodenstationen E1 bis E3 diese Signale empfangen, werden sie entsprechend der Frequenz, die jede Station empfangen kann, aufgeteilt, und die Datenströme werden extrahiert.

3.2 Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA)

TDMA teilt die Datenströme von mehreren Nutzern in einheitliche Zeitintervalle auf und weist sie Kanälen zu, die sich alle einen einzigen Übertragungsweg teilen (Abbildung 5-1). Die Einführung von TDMA begann in den 1990er Jahren und wurde für die Übertragung von Mobilfunkgesprächen (GSM, PDC, PHS usw.) im Rahmen des digitalen Mobilfunksystems der zweiten Generation (2G) verwendet.

Abbildung 5-2 zeigt ein konzeptionelles Schema für die Verwendung von TDMA für die Satellitenkommunikation. Wie im vorangegangenen Abschnitt zeigt Abbildung 5-2 eine auf Abbildung 3 basierende Anordnung, bei der eine Sendeseite (Erdstation E0) und mehrere Empfangsseiten (Erdstationen E1 bis E3) zur Übertragung gemultiplexter Datensignale verwendet werden.
Das Datensignal wird von der Erdstation E0 gesendet, ist durch Zeitrahmen abgegrenzt und besteht aus "Schlitzen", die als Kanäle verwendet werden, mit Ausnahme des in jedem Rahmen eingebetteten ^{Standard-Burst-Signals*6}, und jedem Kanal wird einer der Datenströme zugewiesen, die an die Erdstationen E1 bis E3 gerichtet sind. Dann wird das Signal an jeder Bodenstation von E1 bis E3 in einer Weise aufgeteilt, die mit dem Sendezeitpunkt der Bodenstation E0 synchronisiert ist, und die Datenströme werden extrahiert^.*6Anmerkung: TDMA wurde für die Satellitenkommunikation zusätzlich zu FDMA ab etwa 1985 eingeführt.

*6 Um die Stabilität zu gewährleisten und Störungen der Kommunikation zu vermeiden, erfordert TDMA, dass die Geschwindigkeit der Kanalumschaltung usw. zwischen der Sende- und der Empfangsseite synchronisiert wird. Die Bodenstation E0 fügt zu Beginn jedes Rahmens ein Signal ein, das als Burst bezeichnet wird, um die Synchronisation zu steuern.

3.3 Code-Division Multiple Access (CDMA)

CDMA erzeugt Signale, bei denen die Datenströme der Nutzer mit eindeutigen Identifizierungscodes gemischt und die Signale aller Nutzer innerhalb desselben Frequenzbandes überlagert und über einen einzigen Übertragungsweg übertragen werden (Abbildung 6-1). CDMA wird im Rahmen des in den 2000er Jahren eingeführten Mobilfunksystems der 3. Generation (3G) für die Übertragung von Mobiltelefonanrufen verwendet.

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Abbildung 6-2 zeigt ein konzeptionelles Schema für die Verwendung von CDMA für die Satellitenkommunikation. Wie im vorangegangenen Abschnitt zeigt Abbildung 6-2 eine auf Abbildung 3 basierende Anordnung, bei der eine Sendeseite (Bodenstation E0) und mehrere Empfangsseiten (Bodenstationen E1 bis E3) zur Übertragung gemultiplexter Datensignale verwendet werden.

Die Erdfunkstelle E0 mischt die den Erdfunkstellen E1 bis E3 auf der Empfangsseite zugewiesenen Identifizierungscodes mit den an die einzelnen Erdfunkstellen gerichteten Datensignalen, wobei Signale mit breiteren Frequenzbändern als die ursprünglichen Datensignale erzeugt werden, und addiert sie zu einem Multiplexsignal, das sie an das Satellitenrelais sendet.
Die Erdfunkstellen E1 bis E3 empfangen jeweils die gemultiplexten Signale vom Satellitenrelais, mischen die Kennungen der Erdfunkstellen hinzu, um die Signale aufzuteilen, und extrahieren nur die Daten aus dem Signal, das ihrer eigenen Kennung entspricht.
Die Einführung von CDMA für die Satellitenkommunikation begann in den 1990er Jahren.

4. Zusammenfassung

Wie wir gesehen haben, ist der Mehrfachzugriff eine wichtige Technik für die drahtlose Kommunikation unter dem Gesichtspunkt, dass die drahtlose Kommunikation zwischen mehreren Nutzern ohne Störungen möglich ist. Bevor wir diesen Artikel abschließen, möchten wir nun noch ein wenig ins Detail gehen.
Mehrfachzugriffsverfahren sind im Laufe der Zeit immer fortschrittlicher geworden, von FDMA über TDMA bis hin zu CDMA, aber es ist nicht übertrieben zu sagen, dass die mit diesen Fortschritten einhergehende höhere ^{Frequenznutzungseffizienz*7} ein Schlüsselaspekt für die Entwicklung der drahtlosen Kommunikation war. Durch eine bessere Frequenznutzungseffizienz in der Mobilkommunikation lassen sich beispielsweise sowohl die Zahl der Nutzer als auch die Gesamtdatenmenge, die übertragen werden kann, erhöhen.
Dies wird in diesem Artikel nur kurz angeschnitten, aber das von 4G, dem derzeit am weitesten verbreiteten Mobilkommunikationssystem, verwendete Mehrfachzugriffsverfahren ist der orthogonale Frequenzmultiplex (OFDMA), der eine doppelt so hohe Frequenznutzungseffizienz wie 3G mit CDMA bieten soll. 5G wiederum verwendet nicht-orthogonalen Mehrfachzugriff (NOMA), der eine noch bessere Frequenznutzungseffizienz als OFDMA bietet.
Um es noch einmal zu wiederholen: Der Mehrfachzugriff, der mit dem Ziel einer höheren Frequenznutzungseffizienz weiterentwickelt wurde, kann als unverzichtbar für künftige Entwicklungen in der drahtlosen Kommunikation und für eine breitere Akzeptanz angesehen werden.

*7 Frequenznutzungsgrad: Wie hier verwendet, kann dies einfach als die Datenübertragungsgeschwindigkeit (in Einheiten von Bits pro Sekunde (bps)/Hz) pro Einheit der Frequenzbandbreite verstanden werden. Beachten Sie, dass die Frequenznutzungseffizienz manchmal auch als Spektrumseffizienz oder Bandbreiteneffizienz bezeichnet wird.

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