Zeitmultiplexing

Zeitmultiplex ist ein Verfahren zur gemeinsamen Nutzung eines einzelnen Kommunikationskanals durch mehrere Benutzer, indem jedem Benutzer ein festes, sich wiederholendes Zeitfenster zugeteilt wird, während dem er exklusiven Zugriff zum Senden oder Empfangen hat. Der Kanal selbst bleibt kontinuierlich, aber die verfügbare Bandbreite wird nicht nach Frequenz (wie bei Frequenzmultiplex) sondern nach Zeit aufgeteilt. Jeder Benutzer erhält ein vorhersehbares Fenster, gemessen in Mikrosekunden bis Millisekunden je nach Anwendung, in dem er Daten senden kann; wenn sein Zeitplatz endet, beginnt der Zeitplatz des nächsten Benutzers.

Die häufigste industrielle Anwendung ist Time Division Multiplexing, oder TDM, das mehrere digitale Signale in einen einzelnen Bitstrom komprimiert. Telefonnetze und Industriesteuerungssysteme stützen sich schon lange auf TDM, um viele Sprach- oder Datenkanäle über eine einzelne Leitung oder Glasfaserverbindung zu übertragen. Ein TDM-Rahmen enthält typischerweise Plätze für 24, 32 oder mehr einzelne Kanäle, jeder mit seinem zugewiesenen Zeitfenster. Der Rahmen wiederholt sich mit einer festen Rate: eine T1-Leitung (nordamerikanischer Standard) läuft mit 1,544 Mbps mit 24 Kanälen zu je 64 kbps, die sich 8000 Mal pro Sekunde wiederholen.

In realen Systemen ist Synchronisation die kritische Einschränkung. Alle Benutzer müssen genau wissen, wann ihr Zeitplatz beginnt und endet; ein Taktversatz von nur wenigen Millionenstel wird dazu führen, dass Daten im falschen Platz ankommen, was Fehler oder Verluste erzeugt. Aus diesem Grund enthalten TDM-Systeme eine Master-Uhr und Slave-Uhren, die damit synchronisiert sind, oft über ein dediziertes Zeitsignal oder eine im Datenstrom eingebettete rückgewonnene Uhr. Industrielle Netzwerke und Telekommunikationsinfrastruktur investieren erheblich in Atomuhren und gezähmte Oszillatoren, um diese Genauigkeit über Stunden und Tage zu halten.

Zeitmultiplex unterscheidet sich grundlegend von Frequenzmultiplex, wo jeder Benutzer sein eigenes Frequenzband auf demselben Kanal erhält, und von Code Division Multiplexing, wo Benutzer Zeit und Frequenz gemeinsam nutzen, aber mit eindeutigen Codes senden. TDM ist deterministisch und vorhersehbar, was es für echtzeitfähige Anwendungen wie Industrieautomation und Telefonie geeignet macht; es verschwendet jedoch Kapazität, wenn ein Benutzer während seines Platzes keine Daten zu senden hat, da der Platz nicht spontan neu zugewiesen werden kann. Paketbasierte Technologien wie Ethernet und IP haben TDM für Daten weitgehend verdrängt, doch TDM bleibt in Legacy-Sprachnetzen und in Anwendungen erhalten, wo feste Latenz und garantierte Zustellung von höchster Bedeutung sind.

Der Begriff spiegelt die wörtliche Aufteilung der Zeitachse wider: der Kanal wird wie eine Zeitleiste in Scheiben geschnitten, wobei jede Scheibe einem Benutzer gehört. Dies steht im Gegensatz zu Frequenzmultiplex, wo der Kanal über das Spektrum aufgeteilt wird. In Sprachnetzen trägt ein Zeitplatz typischerweise 64 kbps (8 Bit 8000 Mal pro Sekunde abgetastet), der Standard für einen einzelnen analogen Sprachanruf; die Kombination von 30 oder 24 solcher Plätze mit Rahmen- und Signalisierungsaufwand ergibt die E1- (europäisch, 2,048 Mbps) und T1- (nordamerikanisch, 1,544 Mbps) Hierarchien, die Jahrzehnte lang die Telekommunikation dominierten.