Die physikalische Übertragung von Informationen zwischen Netzwerkgeräten bildet die Grundlage jeder Netzwerkkommunikation. Um digitale Daten über verschiedene Medien zu transportieren, müssen Signale in einer Weise erzeugt, moduliert und kodiert werden, die den Eigenschaften des jeweiligen Übertragungsmediums optimal entspricht und eine zuverlässige Rekonstruktion der Daten am Empfänger ermöglicht.
Signale lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptkategorien einteilen:
Analoge Signale: - Kontinuierlicher Signalverlauf mit stufenlosen Übergängen - Typischerweise durch physikalische Größen wie Spannung, Stromstärke oder elektromagnetische Wellen repräsentiert - Können beliebige Werte innerhalb eines bestimmten Bereichs annehmen - Anfällig für Störungen und Verzerrungen, die zur Signaldegradation führen - Beispiele: Schallwellen, Radiowellen, analoge Telefonsignale
Digitale Signale: - Diskrete Signalzustände mit definierten Übergängen - Typischerweise durch binäre Werte (0 und 1) dargestellt - Basieren auf definierten Spannungspegeln, Frequenzen oder Phasenlagen - Besser regenerierbar und weniger störanfällig als analoge Signale - Beispiele: Ethernet-Signale, USB-Kommunikation, digitale Telefoniesignale
In der Netzwerktechnik arbeiten wir primär mit digitalen Signalen, selbst wenn das Übertragungsmedium analog ist (z.B. bei DSL oder Mobilfunk). Die Umwandlung zwischen digitalen und analogen Signalen erfolgt durch Modulation und Demodulation.
Für die Charakterisierung von Signalen sind folgende Parameter von Bedeutung:
Amplitude: - Die Höhe oder Stärke des Signals - Bei elektrischen Signalen typischerweise in Volt gemessen - Bei optischen Signalen als Lichtintensität oder Leistung ausgedrückt - Bestimmt die Übertragungsreichweite und Störfestigkeit
Frequenz: - Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit (gemessen in Hertz, Hz) - Bestimmt zusammen mit der Bandbreite die maximal mögliche Datenrate - Höhere Frequenzen ermöglichen höhere Datenraten, haben aber geringere Reichweite - Unterschiedliche Übertragungsmedien eignen sich für unterschiedliche Frequenzbereiche
Phase: - Beschreibt die Position innerhalb eines Signalzyklus - Wird zur Modulation und Multiplex-Techniken genutzt - Basis für komplexe Modulationsverfahren wie QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Polarisation (bei elektromagnetischen Wellen): - Beschreibt die Orientierung der Schwingungsebene - Relevant bei Funksystemen und Glasfaserübertragung - Kann zur Erhöhung der Kanalkapazität genutzt werden (Polarisationsmultiplex)
Signaldämpfung: - Abnahme der Signalamplitude mit zunehmender Entfernung - Abhängig vom Übertragungsmedium und der Signalfrequenz - Limitiert die maximale Übertragungsdistanz - Wird in Dezibel (dB) gemessen - Beeinflusst direkt die Bitfehlerrate (BER)
Signalrauschen und Signal-Rausch-Verhältnis (SNR): - Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignalen (Rauschen) - Höheres SNR bedeutet bessere Signalqualität - Wird in Dezibel (dB) gemessen - Bestimmt die maximale zuverlässig erreichbare Datenrate - Berechnung: SNR = 10 × log₁₀(Signalleistung/Rauschleistung) [dB]
Bandbreite: - Bereich von Frequenzen, den ein Signal belegt oder ein Medium übertragen kann - Gemessen in Hertz (Hz) - Bestimmt die maximal mögliche Datenrate (Shannon-Hartley-Theorem) - Theoretische maximale Datenrate: C = B × log₂(1 + SNR) - C: Kanalkapazität in bit/s - B: Bandbreite in Hz - SNR: Signal-Rausch-Verhältnis (linear, nicht in dB)
Jitter: - Zeitliche Schwankung der Signalübergänge - Führt zu Fehlern bei der Signalabtastung - Besonders kritisch bei hohen Datenraten und synchronen Übertragungen - Wird durch Taktwiederherstellung (Clock Recovery) kompensiert
Die Eigenschaften des Übertragungsmediums bestimmen maßgeblich die Art der Signalübertragung und die erreichbaren Leistungsparameter.
In kupferbasierten Medien erfolgt die Signalübertragung durch elektrische Impulse, die auf unterschiedliche Weise erzeugt und moduliert werden können.
Übertragungsmechanismen in Twisted-Pair-Kabeln: - Differenzielle Signalübertragung: - Signal wird als Spannungsdifferenz zwischen zwei Leitern übertragen - Gemeinsame Störungen (Gleichtaktstörungen) werden unterdrückt - Basis für Standards wie Ethernet über Twisted-Pair - Reduziert elektromagnetische Abstrahlung
Übertragungsmechanismen in Koaxialkabeln: - Single-Ended-Signalübertragung: - Signal wird als Spannungsdifferenz zwischen Innenleiter und Schirm übertragen - Konzentrische Anordnung sorgt für definierte Impedanz - Schirmwirkung reduziert externe Störungen und Abstrahlung
In Glasfasern erfolgt die Signalübertragung durch die Modulation von Licht, was grundlegend andere Übertragungseigenschaften mit sich bringt.
Übertragungsprinzipien in Glasfasern: - Lichtführung durch Totalreflexion: - Licht wird an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel reflektiert - Unterschiedliche Brechungsindizes ermöglichen die Führung des Lichts im Kern - Singlemode: Nur ein Ausbreitungspfad (Mode), hohe Bandbreite über lange Distanzen - Multimode: Mehrere Ausbreitungspfade, geringere Bandbreite über mittlere Distanzen
Bei der drahtlosen Übertragung werden elektromagnetische Wellen im freien Raum zur Signalübertragung genutzt.
Übertragungsmechanismen bei Funktechnologien: - Ausbreitung elektromagnetischer Wellen: - Wellen breiten sich im Freiraum in alle Richtungen aus (Kugelwelle) - Signalstärke nimmt mit Quadrat der Entfernung ab (Freiraumdämpfung) - Hindernisse führen zu Reflexion, Beugung, Streuung und Absorption - Multipath-Ausbreitung führt zu Interferenzen und Fading-Effekten
Modulation ist der Prozess, bei dem digitale Informationen auf Trägersignale aufgeprägt werden, um sie über verschiedene Medien zu übertragen.
Die drei grundlegenden Arten der Modulation verändern jeweils einen der Hauptparameter eines Signals:
Amplitudenmodulation (AM): - Variation der Signalamplitude zur Darstellung digitaler Werte - Im einfachsten Fall: Hohe Amplitude für “1”, niedrige für “0” (ASK - Amplitude Shift Keying) - Einfach zu implementieren, aber anfällig für Störungen und Dämpfung - Geringe spektrale Effizienz - Beispiel: Frühe Modemstandards
Frequenzmodulation (FM): - Variation der Signalfrequenz zur Darstellung digitaler Werte - Im einfachsten Fall: Höhere Frequenz für “1”, niedrigere für “0” (FSK - Frequency Shift Keying) - Robuster gegenüber Amplitudenschwankungen und Rauschen - Höhere Bandbreitennutzung als AM - Beispiel: Bluetooth Basic Rate nutzt GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
Phasenmodulation (PM): - Variation der Signalphase zur Darstellung digitaler Werte - Im einfachsten Fall: Phasensprung um 180° für Wertwechsel (BPSK - Binary Phase Shift Keying) - Gute Balance zwischen Robustheit und spektraler Effizienz - Höhere Varianten wie QPSK, 8PSK erlauben mehrere Bits pro Symbol - Beispiel: QPSK wird in WLAN, Satellitenübertragung und Mobilfunk eingesetzt
Moderne Kommunikationssysteme kombinieren verschiedene Modulationsarten, um höhere Datenraten bei begrenzter Bandbreite zu erreichen:
Quadraturamplitudenmodulation (QAM): - Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation - Darstellung der Modulationszustände in einem Konstellationsdiagramm - Ermöglicht mehrere Bits pro Symbol (16-QAM: 4 Bits, 64-QAM: 6 Bits, 256-QAM: 8 Bits usw.) - Höhere Ordnungen erfordern besseres Signal-Rausch-Verhältnis - Beispiele: Kabelmodems (DOCSIS), WLAN, moderne Mobilfunkstandards
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): - Aufteilung des Frequenzbandes in viele schmale Unterträger - Jeder Unterträger kann individuell moduliert werden (typischerweise mit QAM) - Robustheit gegenüber frequenzselektiven Störungen und Mehrwegeausbreitung - Effiziente Spektrumsnutzung durch überlappende, aber orthogonale Unterträger - Beispiele: WLAN (802.11a/g/n/ac/ax), LTE, 5G, DVB-T, DSL-Technologien
Spreizspektrumverfahren: - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS): - Spreizung des Signals über einen größeren Frequenzbereich mittels Spreizcode - Erhöhte Robustheit gegenüber Störungen und Abhören - Beispiel: Ältere WLAN-Standards (802.11b)
Moderne Übertragungstechniken nutzen mehrere Antennen, um die Übertragungszuverlässigkeit und Datenrate zu erhöhen:
MIMO (Multiple Input Multiple Output): - Nutzung mehrerer Antennenpaare für parallele Datenströme - Steigerung der Datenrate proportional zur Antennenzahl (unter idealen Bedingungen) - Ausnutzung von räumlicher Diversität und Multiplex-Gewinn - Beispiele: WLAN 802.11n/ac/ax, LTE, 5G
Beamforming: - Gezielte Ausrichtung des Signals durch Phasensteuerung mehrerer Antennen - Erhöhung der Signalstärke in Richtung des Empfängers - Reduktion von Interferenzen für andere Nutzer - Besonders wichtig bei höheren Frequenzen (5 GHz WLAN, 5G mmWave)
MU-MIMO (Multi-User MIMO): - Gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Empfängern über räumliche Trennung - Erhöhung der Gesamtsystemkapazität - Erfordert komplexe Signalverarbeitung und Kanalkenntnis - Beispiele: WLAN 802.11ac/ax (Wave 2), LTE-Advanced, 5G
Digitale Kodierung beschreibt, wie binäre Daten in tatsächliche Signalzustände auf dem Übertragungsmedium umgesetzt werden.
Leitungskodierung definiert, wie binäre Informationen (Bits) in physikalische Signale auf dem Übertragungsmedium umgewandelt werden:
NRZ-Kodierung (Non-Return-to-Zero): - Direkteste Form der binären Kodierung - Logisch “1” als positiver Spannungspegel, logisch “0” als negativer (oder umgekehrt) - Kein Rückgang auf Null zwischen gleichen Bitwerten - Problem: Keine Taktinformation bei längeren gleichen Sequenzen - Einfache Implementierung, aber begrenzte Distanz ohne Taktrückgewinnung
Manchester-Kodierung: - Kombiniert Daten und Taktsignal - Logisch “1” als Übergang von niedrig nach hoch, logisch “0” als Übergang von hoch nach niedrig - Garantiert mindestens einen Übergang pro Bit für zuverlässige Taktrückgewinnung - Selbsttaktend, aber doppelte Bandbreite im Vergleich zu NRZ - Beispiel: Einsatz in 10BASE-T Ethernet
4B/5B-Kodierung: - Kodiert 4 Datenbits in 5 Übertragungsbits - Vermeidet lange Sequenzen ohne Signaländerung - Ermöglicht zuverlässige Taktrückgewinnung ohne doppelte Bandbreite wie bei Manchester - Wird oft mit anderen Leitungskodierungen wie NRZI kombiniert - Beispiel: 100BASE-TX Ethernet
8B/10B-Kodierung: - Kodiert 8 Datenbits in 10 Übertragungsbits - Bietet DC-Ausgleich (balanced code) und ausreichend Übergänge für Taktrückgewinnung - Begrenzt den Gleichspannungsanteil des Signals - Einsatz in Fibre Channel, Gigabit Ethernet, PCI Express, SATA, usw.
MLT-3 (Multi-Level Transmit - 3 level): - Verwendet drei Signalpegel (+V, 0, -V) - Jede logische “1” führt zu einem Wechsel zum nächsten Pegel in der Sequenz - Logische “0” behält den aktuellen Pegel bei - Reduziert die erforderliche Bandbreite und elektromagnetische Abstrahlung - Beispiel: 100BASE-TX Ethernet
PAM-x (Pulse Amplitude Modulation): - Verwendet mehrere Amplitudenstufen für höhere spektrale Effizienz - PAM-5: 5 Spannungspegel zur Darstellung von 2 Bits plus Fehlerkorrektur - Ermöglicht höhere Datenraten über begrenzte Bandbreite - Beispiel: 1000BASE-T Ethernet nutzt PAM-5 auf allen vier Paaren
Scramblung und Spektralformung dienen dazu, die spektralen Eigenschaften des übertragenen Signals zu optimieren und die Taktrückgewinnung zu verbessern:
Scrambling: - Verwürfelung der Daten zur Vermeidung langer gleichartiger Bitfolgen - Verwendet typischerweise Schieberegister mit Rückkopplung (LFSR) - Ursprüngliche Daten können durch identischen Algorithmus am Empfänger wiederhergestellt werden - Verbessert die Taktrückgewinnung und spektrale Eigenschaften - Beispiel: In SONET/SDH, ADSL, Satellitenkommunikation
Spektralformung: - Modifikation des Signals zur Optimierung seiner Frequenzeigenschaften - Ziele: Reduktion von Interferenzen, Einhaltung von Spektralmasken, Optimierung für Kanaleigenschaften - Techniken: Pulsformung, Raised-Cosine-Filter, Nyquist-Filter - Wichtig für Hochgeschwindigkeitsübertragungen und bei begrenzter Bandbreite - Beispiel: Kosinus-Roll-Off-Filter in DSL und Mobilfunkübertragung
Fehlerkorrekturverfahren erkennen und korrigieren Übertragungsfehler, um die Datenintegrität zu gewährleisten:
Paritätsprüfung: - Einfachste Form der Fehlererkennung - Hinzufügen eines Paritätsbits, um die Anzahl der “1” gerade (even parity) oder ungerade (odd parity) zu machen - Kann nur eine ungerade Anzahl von Fehlern erkennen, keine Fehlerkorrektur - Begrenzte Zuverlässigkeit, aber geringer Overhead - Beispiel: Asynchrone serielle Übertragung (RS-232)
Cyclic Redundancy Check (CRC): - Berechnung eines Prüfwerts basierend auf polynomialer Division - Hohe Zuverlässigkeit bei der Fehlererkennung - Verschiedene Standards je nach Polynomgrad: CRC-8, CRC-16, CRC-32 - Keine Fehlerkorrektur, nur zuverlässige Erkennung - Beispiel: Ethernet-Frames, HDLC, ZIP-Dateien
Hamming-Code: - Einfacher Fehlerkorrekturcode mit der Fähigkeit zur Korrektur einzelner Bitfehler - Basiert auf mehreren Paritätsbits an bestimmten Positionen - Verhältnis von Daten zu Overhead ungünstig für große Datenblöcke - Beispiel: Frühe Speichertechnologien wie ECC-RAM
Reed-Solomon-Codes: - Leistungsfähige Blockcodes zur Korrektur von Bündel- und Einzelfehlern - Besonders effektiv bei Burst-Fehlern, wie sie in drahtlosen Kanälen vorkommen - Gut kombinierbar mit Interleaving für zusätzliche Robustheit - Beispiel: Digitales Fernsehen (DVB), CDs/DVDs, DSL-Technologien
Low-Density Parity-Check (LDPC) Codes: - Hocheffiziente Codes, die nahe an der theoretischen Shannon-Grenze operieren - Hoher Dekodierungsaufwand, aber hervorragende Fehlerkorrekturleistung - Skalierbar in Bezug auf Coderate und Blockgröße - Beispiel: DVB-S2, 10GBASE-T Ethernet, Festplattencontroller
Turbo-Codes: - Sehr leistungsfähige iterative Fehlerkorrekturtechnik - Zwei parallele Faltungscodes mit verschränkter Datenverarbeitung - Nahe an der theoretischen Shannon-Grenze - Beispiel: Mobilfunkstandards wie UMTS, LTE
Es gibt zwei grundlegende Ansätze, um mit Übertragungsfehlern umzugehen:
Forward Error Correction (FEC): - Fehlerkorrekturcodes werden den Daten hinzugefügt, um Fehler am Empfänger korrigieren zu können - Keine Rückmeldung oder Neuübertragung erforderlich - Erhöhter Bandbreitenbedarf durch Redundanz - Vorteilhaft bei langen Übertragungswegen oder in Echtzeitszenarien - Beispiel: Satellitenkommunikation, Digital-TV, Echtzeit-Audioübertragung
Automatic Repeat Request (ARQ): - Fehlererkennung mit CRC oder ähnlichen Verfahren - Bei erkanntem Fehler wird eine Neuübertragung angefordert - Effizientere Bandbreitennutzung bei guten Kanalbedingungen - Benötigt Rückkanal und erhöht Latenz - Beispiel: TCP/IP, HDLC, Bluetooth
Hybride Verfahren (HARQ): - Kombination aus FEC und ARQ - Fehlerkorrektur für häufige Fehlermuster, Neuübertragung nur bei nicht korrigierbaren Fehlern - Oft mit Soft-Combining (Zusammenführung mehrerer fehlerhafter Übertragungen) - Beispiel: LTE, 5G, moderne WLAN-Standards
Multiplexverfahren ermöglichen die gemeinsame Nutzung eines Übertragungsmediums durch mehrere Kanäle oder Nutzer.
Beim Zeitmultiplex werden verschiedene Datenströme zeitlich voneinander getrennt über denselben Kanal übertragen:
Statischer TDM: - Feste Zuteilung von Zeitschlitzen für jeden Kanal - Einfache Implementierung, aber ineffizient bei ungleichmäßiger Auslastung - Synchronisation durch Rahmenstruktur und Synchronisationssignale - Beispiel: E1/T1-Leitungen in der klassischen Telefonie, SONET/SDH
Statistischer TDM: - Dynamische Zuteilung von Zeitschlitzen nach Bedarf - Bessere Effizienz bei ungleichmäßigem Verkehr - Benötigt Adressinformationen zur Identifikation der Kanäle - Komplexere Implementierung - Beispiel: Paketbasierte Netzwerke wie Ethernet, IP
Burst-Modus-TDM: - Übertragung in zusammenhängenden Blöcken (Bursts) - Besonders in Zugriffsnetzwerken mit geteiltem Medium - Beispiel: PON (Passive Optical Network), TDMA in Satellitennetzen
Beim Frequenzmultiplex werden verschiedene Datenströme über unterschiedliche Frequenzbänder desselben Mediums übertragen:
Konventioneller FDM: - Aufteilung des verfügbaren Spektrums in separate Frequenzbänder - Feste Bandbreite pro Kanal - Trennung durch Bandpassfilter - Beispiel: UKW-Rundfunk, analoges Kabelfernsehen
Orthogonaler FDM (OFDM): - Überlappende, aber orthogonale Unterträger - Hohe spektrale Effizienz - Robustheit gegenüber frequenzselektiven Störungen - Komplexe digitale Signalverarbeitung (IFFT/FFT) - Beispiel: WLAN, LTE, 5G, DVB-T, ADSL
Carrier Aggregation: - Kombination mehrerer Frequenzbänder für höhere Gesamtbandbreite - Kann kontinuierliche oder nicht-kontinuierliche Bänder umfassen - Wichtig für effiziente Spektrumsnutzung - Beispiel: LTE-Advanced, 5G NR
Beim Codemultiplex werden verschiedene Datenströme durch unterschiedliche Codes unterscheidbar gemacht:
Code Division Multiple Access (CDMA): - Jedem Nutzer wird ein eindeutiger Spreizcode zugewiesen - Alle Nutzer teilen sich die gleiche Frequenz und Zeit - Trennung durch Korrelation mit bekannten Codes - Intrinsische Störfestigkeit und Sicherheit - Beispiel: UMTS (3G), GPS
Direct Sequence CDMA (DS-CDMA): - Direktes Spreizen des Signals mit einem hochratigen Code - Typischerweise pseudozufällige Binärsequenzen (PN-Codes) - Breite Anwendung in Mobilfunksystemen - Beispiel: WCDMA in UMTS
Frequency Hopping CDMA (FH-CDMA): - Schneller Frequenzwechsel nach einem codierten Muster - Höhere Robustheit gegen Störungen in einzelnen Frequenzbändern - Beispiel: Militärische Kommunikation, teilweise in Bluetooth