Duplex (Telekommunikation)

Ein Duplex- Kommunikationssystem ist ein Punkt-zu-Punkt- System, das aus zwei oder mehr verbundenen Parteien oder Geräten besteht, die in beide Richtungen miteinander kommunizieren können. Duplexsysteme werden in vielen Kommunikationsnetzen eingesetzt, um entweder die gleichzeitige Kommunikation in zwei Richtungen zwischen zwei verbundenen Parteien zu ermöglichen oder um einen umgekehrten Pfad für die Überwachung und Ferneinstellung von Geräten vor Ort bereitzustellen. Es gibt zwei Arten von Duplex-Kommunikationssystemen: Vollduplex (FDX) und Halbduplex (HDX).

In einem Vollduplexsystem können beide Parteien gleichzeitig miteinander kommunizieren. Ein Beispiel für ein Vollduplexgerät ist ein einfacher alter Telefondienst . Die Teilnehmer an beiden Enden eines Anrufs können gleichzeitig von dem anderen Teilnehmer sprechen und gehört werden. Der Kopfhörer gibt die Sprache der entfernten Partei wieder, während das Mikrofon die Sprache der lokalen Partei überträgt. Es gibt einen bidirektionalen Kommunikationskanal zwischen ihnen, oder genauer gesagt, es gibt zwei Kommunikationskanäle zwischen ihnen.

In einem Halbduplex- oder Halbduplexsystem können beide Parteien miteinander kommunizieren, jedoch nicht gleichzeitig. Die Kommunikation erfolgt jeweils in eine Richtung. Ein Beispiel für ein Halbduplex-Gerät ist ein Walkie-Talkie , ein Funkgerät mit einer Push-to-Talk- Taste. Wenn der lokale Benutzer mit der entfernten Person sprechen möchte, drückt er diese Taste, wodurch der Sender eingeschaltet und der Empfänger ausgeschaltet wird, sodass er die entfernte Person beim Sprechen nicht hören kann. Um der entfernten Person zuzuhören, lassen sie die Taste los, die den Empfänger einschaltet und den Sender ausschaltet.

Systeme, die keine Duplexfunktion benötigen, können stattdessen eine Simplex-Kommunikation verwenden , bei der ein Gerät sendet und die anderen nur zuhören können. ^[1] Beispiele hierfür sind Broadcast Radio und Fernsehen, Garagentoröffner , Babyfone , drahtlose Mikrofone und Überwachungskameras . Bei diesen Geräten erfolgt die Kommunikation nur in eine Richtung.

Eine einfache Darstellung eines Halbduplex-Kommunikationssystems

Ein Halbduplex- System (HDX) bietet Kommunikation in beide Richtungen, jedoch jeweils nur in eine Richtung, nicht gleichzeitig in beide Richtungen. ^[1] Sobald eine Partei ein Signal empfängt, muss sie in der Regel warten, bis die Übertragung abgeschlossen ist, bevor sie antwortet.

Ein Beispiel für ein Halbduplex-System ist ein Zwei-Parteien-System wie ein Walkie-Talkie , bei dem "over" oder ein anderes zuvor festgelegtes Schlüsselwort verwendet werden muss, um das Ende der Übertragung anzuzeigen und sicherzustellen, dass jeweils nur eine Partei sendet. Eine Analogie für ein Halbduplexsystem wäre ein einspuriger Straßenabschnitt mit Verkehrsleitern an jedem Ende. Der Verkehr kann in beide Richtungen fließen, jedoch jeweils nur in eine Richtung, die von den Verkehrsleitern geregelt wird.

Halbduplexsysteme werden normalerweise verwendet, um Bandbreite zu sparen, da nur ein einziger Kommunikationskanal benötigt wird und abwechselnd zwischen den beiden Richtungen geteilt wird. Beispielsweise benötigt ein Walkie-Talkie nur eine einzige Frequenz für die bidirektionale Kommunikation, während ein Mobiltelefon , bei dem es sich um ein Vollduplexgerät handelt, im Allgemeinen zwei Frequenzen benötigt, um die beiden gleichzeitigen Sprachkanäle in jede Richtung zu übertragen.

In automatischen Kommunikationssystemen wie Zweiwege-Datenverbindungen kann Zeitmultiplex für Zeitzuweisungen für die Kommunikation in einem Halbduplexsystem verwendet werden. Beispielsweise könnte Station A an einem Ende der Datenverbindung genau eine Sekunde lang senden dürfen, dann könnte Station B am anderen Ende genau eine Sekunde lang senden dürfen, und dann wird der Zyklus wiederholt. In diesem Schema wird der Kanal niemals im Leerlauf gelassen.

Wenn in Halbduplexsystemen mehr als eine Partei gleichzeitig sendet, tritt eine Kollision auf, die zu verlorenen oder verzerrten Nachrichten führt.

Eine einfache Darstellung eines Vollduplex-Kommunikationssystems. Vollduplex ist in Handfunkgeräten, wie hier gezeigt, aufgrund der Kosten und der Komplexität gängiger Duplexverfahren nicht üblich, wird jedoch in Telefonen , Mobiltelefonen und schnurlosen Telefonen verwendet .

Ein Vollduplex- System (FDX) ermöglicht die Kommunikation in beide Richtungen und im Gegensatz zu Halbduplex gleichzeitig. ^[1]

Land-Linie Telefon - Netzwerke sind Vollduplex , da sie beiden Anrufer erlauben , zu sprechen und zugleich zu hören. Der Vollduplexbetrieb wird auf einer Zweidrahtschaltung durch die Verwendung einer Hybridspule in einem Telefonhybrid erreicht . Moderne Handys sind auch Vollduplex. ^[2]

Es gibt eine technische Unterscheidung zwischen Vollduplex-Kommunikation, bei der ein einziger physischer Kommunikationskanal für beide Richtungen gleichzeitig verwendet wird, und Dual-Simplex- Kommunikation, bei der zwei unterschiedliche Kanäle verwendet werden, einer für jede Richtung. Aus Anwendersicht spielt der technische Unterschied keine Rolle und beide Varianten werden üblicherweise als Vollduplex bezeichnet .

Viele Ethernet- Verbindungen erreichen einen Vollduplex-Betrieb, indem sie gleichzeitig zwei physikalisch verdrillte Paare innerhalb desselben Mantels oder zwei optische Fasern verwenden, die direkt mit jedem Netzwerkgerät verbunden sind: Ein Paar oder eine Faser dient zum Empfangen von Paketen, während das andere zum Senden dient Pakete. Andere Ethernet-Varianten wie 1000BASE-T verwenden in jeder Richtung gleichzeitig dieselben Kanäle. In jedem Fall wird das Kabel selbst im Vollduplexbetrieb zu einer kollisionsfreien Umgebung und verdoppelt die maximale Gesamtübertragungskapazität, die von jeder Ethernet-Verbindung unterstützt wird.

Vollduplex hat auch mehrere Vorteile gegenüber der Verwendung von Halbduplex. Da es auf jedem Twisted Pair nur einen Sender gibt, gibt es keine Konflikte und keine Kollisionen, sodass keine Zeit durch Warten oder erneutes Senden von Frames verschwendet wird. Die volle Übertragungskapazität ist in beide Richtungen verfügbar, da die Sende- und Empfangsfunktionen getrennt sind.

Einige computergestützte Systeme der 1960er und 1970er Jahre erforderten Vollduplexeinrichtungen, selbst für den Halbduplexbetrieb, da ihre Abfrage- und Antwortschemata die geringfügigen Verzögerungen bei der Umkehrung der Übertragungsrichtung in einer Halbduplexleitung nicht tolerieren konnten. ^{[ Zitat benötigt ]}

Echounterdrückung

Vollduplex-Audiosysteme wie Telefone können ein Echo erzeugen, das entfernt werden muss. Echo tritt auf, wenn der Ton, der aus dem Lautsprecher kommt und vom anderen Ende kommt, wieder in das Mikrofon gelangt und zum anderen Ende zurückgesendet wird. Der Ton wird dann am Ende der Originalquelle wieder angezeigt, jedoch verzögert. Dieser Rückkopplungspfad kann akustisch durch die Luft sein oder er kann mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise in einem Telefonhörer. Die Echokompensation ist eine Signalverarbeitungsoperation, bei der das Signal am fernen Ende vom Mikrofonsignal subtrahiert wird, bevor es über das Netzwerk zurückgesendet wird.

Die Echokompensation ist eine wichtige Technologie, mit der Modems eine gute Vollduplexleistung erzielen können. Die V.32, V.34, V.56 und V.90 Modem - Standards erfordern Echounterdrückung. ^[3]

Echokompensatoren sind sowohl als Software- als auch als Hardware-Implementierung verfügbar. Sie können unabhängige Komponenten in einem Kommunikationssystem sein oder in die Zentraleinheit des Kommunikationssystems integriert sein . Geräte, die das Echo nicht eliminieren, erzielen manchmal keine gute Vollduplexleistung.

Wenn Kanalzugriffsverfahren in Punkt-zu-Mehrpunkt- Netzwerken (wie z. B. zellularen Netzwerken ) zum Teilen von Vorwärts- und Rückwärtskommunikationskanälen auf demselben physischen Kommunikationsmedium verwendet werden, werden sie als Duplexverfahren bezeichnet.

Zeitduplex

Zeitduplex ( Time-Division Duplexing, TDD) ist die Anwendung des Zeitmultiplexing zur Trennung von Hin- und Rücksignalen . Es emuliert die Vollduplex-Kommunikation über eine Halbduplex-Kommunikationsverbindung.

Zeitduplex ist flexibel, wenn eine Asymmetrie der Uplink- und Downlink -Datenraten vorliegt . Wenn die Menge der Uplink-Daten zunimmt, kann mehr Kommunikationskapazität dynamisch zugewiesen werden, und wenn die Verkehrslast geringer wird, kann die Kapazität weggenommen werden. Gleiches gilt in Downlink-Richtung. Die Sende- / Empfangsübergangslücke (TTG) ist die Lücke (Zeit) zwischen einem Downlink-Burst und dem nachfolgenden Uplink-Burst. In ähnlicher Weise ist die Empfangs- / Sendeübergangslücke (RTG) die Lücke zwischen einem Aufwärtsverbindungsburst und dem nachfolgenden Abwärtsverbindungsburst. ^[4]

Bei stationären Funksystemen sind die Uplink- und Downlink-Funkpfade wahrscheinlich sehr ähnlich. Dies bedeutet, dass Techniken wie Beamforming mit TDD-Systemen gut funktionieren.

Beispiele für Zeitmultiplex-Duplexsysteme umfassen:

• UMTS 3G -Zusatzluftschnittstellen TD-CDMA für die mobile Telekommunikation in Innenräumen.
• Die chinesische TD-LTE 4-G- , TD-SCDMA 3-G- Mobilfunkschnittstelle.
• DECT drahtlose Telefonie
• Paketvermittelte Halbduplex- Netzwerke, die auf Carrier Sense-Mehrfachzugriff basieren , z. B. 2-Draht- oder Hubbed-Ethernet , drahtlose lokale Netzwerke und Bluetooth , können als Zeitmultiplex-Duplexsysteme betrachtet werden, jedoch nicht als TDMA mit festen Rahmenlängen.
• IEEE 802.16 WiMAX
• FAKTOR
• ISDN BRI U-Schnittstelle , Varianten, die das TCM-Leitungssystem (Time-Compression Multiplex) verwenden
• G.fast , ein von der ITU-T entwickelter DSL-Standard ( Digital Subscriber Line )

Frequenzduplex

Frequenzduplex (FDD) bedeutet, dass Sender und Empfänger mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen arbeiten . Das Verfahren wird häufig im Amateurfunkbetrieb verwendet, bei dem ein Bediener versucht, eine Repeater- Station zu verwenden. Die Repeater-Station muss gleichzeitig senden und empfangen können und dies durch geringfügiges Ändern der Frequenz, mit der sie sendet und empfängt. Diese Betriebsart wird als Duplexmodus oder Offsetmodus bezeichnet .

Uplink- und Downlink-Teilbänder sollen durch den Frequenzversatz getrennt sein . Frequenzduplex kann bei symmetrischem Verkehr effizient sein. In diesem Fall neigt das Duplexen mit Zeitteilung dazu, Bandbreite während des Umschaltens vom Senden zum Empfangen zu verschwenden, hat eine größere inhärente Latenz und erfordert möglicherweise komplexere Schaltungen .

Frequenzduplexsysteme können ihre Reichweite durch die Verwendung von Sätzen einfacher Repeater-Stationen erweitern, da die auf einer einzelnen Frequenz übertragenen Kommunikationen immer in die gleiche Richtung verlaufen.

Ein weiterer Vorteil des Frequenzduplexing besteht darin, dass die Funkplanung einfacher und effizienter wird, da sich Basisstationen nicht "hören" (da sie in verschiedenen Teilbändern senden und empfangen) und sich daher normalerweise nicht gegenseitig stören. Umgekehrt muss bei Zeitmultiplexsystemen darauf geachtet werden, die Schutzzeiten zwischen benachbarten Basisstationen einzuhalten (was die spektrale Effizienz verringert ) oder Basisstationen zu synchronisieren, damit sie gleichzeitig senden und empfangen (was die Netzwerkkomplexität erhöht und erhöht) Dies kostet und verringert die Flexibilität bei der Bandbreitenzuweisung, da alle Basisstationen und Sektoren gezwungen sein werden, dasselbe Uplink / Downlink-Verhältnis zu verwenden.

Beispiele für Frequenzduplexsysteme sind:

• ADSL und VDSL
• Die meisten Mobilfunktechnologien , einschließlich UMTS / WCDMA, verwenden den Frequenzduplexmodus und das cdma2000- System.
• IEEE 802.16 WiMax verwendet auch den Frequenzduplexmodus.

• Tanenbaum, Andrew S. (2003). Computernetzwerke . Prentice Hall. ISBN 0-13-038488-7.

• Riihonen, Taneli (2014). Entwurf und Analyse von Duplexmodi und Weiterleitungsprotokollen für OFDM (A) -Relaisverbindungen . Publikationsreihe der Aalto University DOCTORAL DISSERTATIONS, 81/2014. ISBN 978-952-60-5715-6.