Multiplexverfahren verstehen

Physikdidaktik · Lehramt Sek I
Fortschritt0 / 9
Startet bei jedem Öffnen neu
Interaktive Lernumgebung

Ein Medium.
Viele Signale.

Wie können mehrere Nutzer dieselbe Übertragungsressource verwenden, ohne sich gegenseitig unbrauchbar zu stören? Erarbeiten Sie die Grundideen durch Ausprobieren, Beobachten und Erklären.

Raum
Zeit
Frequenzbereichebei Licht auch Wellenlängenbereiche
1

Wann kann der Empfänger die Signale unterscheiden?

Drei Sender, ein Übertragungssystem und zunächst keine Trennregel.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Die Sender A, B und C erzeugen jeweils einen Datenstrom, der als Signal übertragen werden soll.
  • Zunächst verwenden alle denselben räumlichen Weg, dieselbe Zeit und denselben Frequenzbereich.
  • Es gibt keine weitere vereinbarte Trennregel.
1 · Vermuten

Referenzversuch

Was jetzt zu tun ist:
  1. Lesen Sie die Ausgangslage und wählen Sie eine Vermutung.
  2. Starten Sie den Referenzversuch.
  3. Vergleichen Sie die Beobachtung mit Ihrer Vermutung.

Ziel: Erkennen, ob die drei Beiträge ohne vereinbarte Trennregel eindeutig rekonstruierbar sind.

Drei Sender verwenden denselben räumlichen Weg, senden gleichzeitig und nutzen denselben Frequenzbereich.

2 · Untersuchen

Signallabor

Was jetzt zu tun ist:
  1. Ordnen Sie je eine Karte den Dimensionen Raum, Zeit und Frequenz zu.
  2. Verändern Sie zunächst nur eine Dimension.
  3. Starten Sie den Testlauf und vergleichen Sie das Ergebnis im Versuchsprotokoll.
  4. Auf Tablets: zuerst Karte, danach Zielfeld antippen.

Ziel: Drei unterschiedliche Konfigurationen finden, mit denen alle Beiträge rekonstruierbar sind.

Raum noch offen Zeit noch offen Frequenz noch offen
RaumÜbertragungsweg
ZeitSendezeit
FrequenzFrequenzbereich
Keine Karte ausgewählt.
Raumgemeinsamer Weg
Zeitgleichzeitig
Frequenzgleicher Bereich
Übertragungsmodell Bei gemeinsamem Weg werden alle Signale auf genau demselben räumlichen Kanal dargestellt. Nur bei Raummultiplex erscheinen drei getrennte Wege. Sender ASignal A Sender BSignal B Sender CSignal C ein gemeinsamer räumlicher Weg drei räumlich getrennte Wege A B C Σ ? Empfänger noch kein Testlauf
Sender A
Sender B
Sender C
Empfänger
Gemessennoch kein Testlauf
Rekonstruierbar
Trennmerkmal

Zeitdarstellung

Frequenzdarstellung – keine räumlichen Spuren

Nr.RaumZeitFrequenzBeobachtung
Noch kein Testlauf dokumentiert.
3 · Anwenden

Missionen mit Randbedingungen

Was jetzt zu tun ist:
  1. Laden Sie eine Mission.
  2. Beachten Sie die grau markierten, fest vorgegebenen Einstellungen.
  3. Verändern Sie nur die verbleibende Dimension.
  4. Starten Sie einen Testlauf.

Ziel: Die jeweils noch mögliche Trennidee unter den vorgegebenen Bedingungen finden.

Mission A · gleichzeitig

Gemeinsamer Weg und gleichzeitiges Senden sind vorgegeben.

noch nicht gelöst

Mission B · ein Frequenzbereich

Gemeinsamer Weg und gleicher Frequenzbereich sind vorgegeben.

noch nicht gelöst

Mission C · keine Wartezeit

Gleichzeitiges Senden und gleicher Frequenzbereich sind vorgegeben.

noch nicht gelöst
4 · Erklären

Gemeinsame Regel

Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch Ihre Versuche gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Die gemeinsame Trennregel aus den Beobachtungen ableiten.

Kernaussage: Mehrere Signale können ein gemeinsames Medium nutzen, wenn sie sich in mindestens einer vereinbarten Ressourcendimension unterscheiden und der Empfänger diese Trennung auswerten kann. Gleichzeitiges Senden ist deshalb nicht grundsätzlich problematisch.
2

Multiplexer (MUX) und Demultiplexer (DEMUX)

Mehrere einzelne Datenströme gemeinsam übertragen und anschließend zuverlässig wiederherstellen.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Drei einzelne Datenströme sollen über einen gemeinsamen Übertragungsbereich übertragen werden.
  • Der Multiplexer (MUX) organisiert sie mit abstrakten Trennmerkmalen.
  • Der Demultiplexer (DEMUX) ist anfangs noch nicht passend eingestellt.
1 · Vermuten
Was jetzt zu tun ist:
  1. Lesen Sie die Ausgangslage.
  2. Wählen Sie eine Vermutung zur Rolle des DEMUX.
  3. Behalten Sie die Vermutung für den späteren Vergleich fest.

Ziel: Vorhersagen, welche Information der DEMUX für eine zuverlässige Rekonstruktion benötigt.

2 · Untersuchen

Drei Eingangsfolgen – ein gemeinsamer Übertragungsbereich

Was jetzt zu tun ist:
  1. Ordnen Sie Kreis, Quadrat und Dreieck den Ausgängen A, B und C zu.
  2. Starten Sie einen Testlauf.
  3. Vergleichen Sie jede Ausgangsfolge mit der zugehörigen Eingangsfolge.
  4. Auf Tablets: zuerst Karte, danach Ausgang antippen.

Ziel: Eine DEMUX-Regel einstellen, die alle drei Datenfolgen korrekt rekonstruiert.

Modellhinweis: Die Bitfolgen stellen Daten dar; in einem realen System werden sie auf physikalische Signale abgebildet. Kreis, Quadrat und Dreieck stehen hier nur stellvertretend für ein technisch auswertbares Trennmerkmal. In späteren Stationen sind dies beispielsweise Raum, Zeit, Frequenz oder Wellenlänge.
ADatenstrom A
101
BDatenstrom B
011
CDatenstrom C
110
MUXzuordnen
DEMUXtrennen
MUXorganisiert mehrere Datenströme nach einer vereinbarten Trennregel und führt die zugehörigen Übertragungseinheiten zusammen.
DEMUXwertet die erhaltenen Trennmerkmale aus und ordnet die Daten wieder dem passenden Ausgang zu.

Trennmerkmal-Karten

Keine Karte ausgewählt.

DEMUX-Regel einstellen

passende Regel offen Vertauschung offen ohne Trennmerkmal offen
Was jetzt zu tun ist:
  1. Stellen Sie zunächst eine passende Regel her und testen Sie sie.
  2. Vertauschen Sie danach genau zwei Zuordnungen und testen Sie erneut.
  3. Schalten Sie anschließend die Trennmerkmale aus und starten Sie einen dritten Testlauf.

Ziel: Passende, vertauschte und fehlende Trennregel systematisch vergleichen.

3 · Erklären
Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch die Testläufe gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Die notwendige Beziehung zwischen MUX-Regel, erhaltenem Trennmerkmal und DEMUX-Regel formulieren.

Kernaussage: Der MUX organisiert die Datenströme nach einer Trennregel. Der DEMUX muss das erhaltene Trennmerkmal passend auswerten, damit die ursprünglichen Datenströme zuverlässig rekonstruiert werden können.
3

Raummultiplex

Räumliche Reserve untersuchen und Ressourcen an getrennten Orten wiederverwenden.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Zuerst wird räumliche Trennung an Wegen mit seitlicher Unsicherheit untersucht.
  • Danach wird ein vereinfachtes Funkzellennetz betrachtet.
  • Ein Grenzkonflikt entsteht im Modell, wenn direkt benachbarte Zellen dieselbe Gruppe verwenden.
1 · Vermuten
Was jetzt zu tun ist:
  1. Betrachten Sie Nutzerbreite, Wegbreite und seitlichen Unsicherheitsbereich.
  2. Vermuten Sie, ob die Ausgangslage robust getrennt ist.
  3. Führen Sie den Ausgangsversuch durch.

Ziel: Beurteilen, ob der beanspruchte räumliche Bereich vollständig im zugewiesenen Weg bleibt.

2 · Räumliche Reserve untersuchen
Was jetzt zu tun ist:
  1. Dokumentieren Sie die Ausgangslage.
  2. Verändern Sie danach nur eine Größe und stellen Sie eine robuste Trennung her.
  3. Dokumentieren Sie diese Lösung.
  4. Setzen Sie zurück und finden Sie eine zweite Lösung mit einer anderen Veränderung.

Ziel: Zwei unterschiedliche Maßnahmen für robuste räumliche Trennung vergleichen.

Draufsicht auf zwei räumlich getrennte Wege Die Nutzer und ihre halbtransparenten Unsicherheitsbereiche werden im selben Maßstab dargestellt. Rot markierte Bereiche zeigen eine Überlappung der beanspruchten Räume. Nutzer A Nutzer B
Beanspruchte Breite2,24 m
Verfügbare Trennung2,10 m
StatusÜberlappung
Ausgangsversuch0/2 isolierte LösungenVergleich
3 · Räumliche Wiederverwendung untersuchen
Was jetzt zu tun ist:
  1. Wählen Sie eine Frequenzgruppe aus der Palette.
  2. Belegen Sie alle sechs Zellen konfliktfrei.
  3. Reduzieren Sie danach die Belegung auf höchstens drei Gruppen.
  4. Achten Sie auf rot markierte gemeinsame Grenzen.

Ziel: Räumliche Wiederverwendung mit möglichst wenigen Frequenzgruppen erreichen.

Frequenzgruppe wählen

Tippen Sie zuerst auf eine Gruppe und anschließend auf die gewünschten Zellen. Die Bedienung funktioniert ebenso per Tastatur.

konfliktfreihöchstens 3 Gruppen
Sechs aneinandergrenzende Funkzellen Gemeinsame Zellgrenzen werden bei gleicher Frequenzgruppe rot markiert.
belegt0/6
Grenzkonflikte0
Gruppen0
4 · Erklären
Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch beide Untersuchungen gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Räumliche Trennung, Schutzbereiche und räumliche Wiederverwendung zusammenfassen.

Kernaussage: Raummultiplex trennt Nutzer durch unterschiedliche Wege oder Orte. Eine Ressource kann räumlich wiederverwendet werden, wenn die Trennung im jeweiligen technischen System ausreichend ist.
4

Zeitmultiplex

Ein gemeinsamer Übertragungsweg wird nacheinander genutzt.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • A, B und C teilen sich denselben Übertragungsweg.
  • Ein Zeitrahmen besteht in diesem Modell aus sechs Zeitschlitzen: A–B–C–A–B–C.
  • Nutzer B darf in Zeitschlitz 2 und 5 senden; vor B liegen zu Beginn vier Datenblöcke bereit.

1. Vermuten

noch ohne Simulation

Untersuchungsfrage

Was geschieht im Modell mit den noch zu übertragenden Daten von B, während A oder C den gemeinsamen Weg nutzen?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Lesen Sie die Ausgangslage.
  2. Wählen Sie eine Vermutung zu Nutzer B.
  3. Beobachten Sie danach einen vollständigen Zeitrahmen.

Ziel: Die Vermutung gezielt mit einer Beobachtung vergleichen.

2. Einen Zeitrahmen beobachten

Steuerung und Wirkung nebeneinander
Was jetzt zu tun ist:
  1. Spielen Sie genau einen vollständigen Rahmen ab oder gehen Sie im Einzelschritt weiter.
  2. Beobachten Sie die Warteschlange von B.
  3. Markieren Sie anschließend die beiden Zeitschlitze von B.

Ziel: Die periodisch wiederkehrenden Sendefenster von Nutzer B erkennen.

veränderbar: Abspielen / Einzelschrittfest: Rahmen A–B–C–A–B–Cbeobachten: Warteschlange von B
Soll-Zeitplanein Rahmen mit sechs Zeitschlitzen → Wiederholung
Aktiver Zeitschlitznoch kein Schritt gestartet
Zeit →
Warteschlange von Nutzer B
Noch kein B-Datenblock übertragen.

Während A oder C senden, bleibt die Warteschlange von B im Modell erhalten. Erst ein B-Zeitschlitz überträgt den nächsten Block.

Rahmen noch nicht vollständig beobachtetZeitschlitze von B noch offen
Welche Zeitschlitze gehören Nutzer B?

3. Synchronisation reparieren

eigener Versuchszustand

Neuer Versuchszustand

  • Der Rahmen bleibt A–B–C–A–B–C.
  • Nutzer B beginnt im Modell um 18 % einer Zeitschlitzdauer verspätet.
  • Nur die Schutzzeit darf verändert werden.

Untersuchungsfrage

Wie klein kann die Schutzzeit sein, damit der verspätete Sendeblock von B nicht in den folgenden Zeitschlitz hineinragt?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Starten Sie die Synchronisationsmission.
  2. Beobachten Sie die rote Überlappung in der Zeitachse.
  3. Erhöhen Sie ausschließlich die Schutzzeit.
  4. Stoppen Sie bei der kleinsten ausreichenden Schutzzeit.

Ziel: Überlappung vermeiden und möglichst wenig nutzbare Sendezeit verlieren.

fest: Zeitfehler B = 18 %veränderbar: Schutzzeitbeobachten: rote Überlappung
Zeit →
Zeitfehler B18 %
Schutzzeit0 %
Grenzüberlappungja
nutzbare Zeit je Schlitz100 %

4. Übertragungskapazität verteilen

getrennte Belegung

Neuer Versuchszustand

  • Der Kapazitätsversuch verwendet ein eigenes Sechserraster.
  • Die frühere Beobachtungsachse wird dadurch nicht verändert.
  • C benötigt nun mehr Anteile an der gemeinsamen Zeitressource.

Untersuchungsfrage

Wie verändert sich die bereitgestellte Ressource, wenn C mehr Zeitschlitze erhält?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Starten Sie die Kapazitätsmission.
  2. Wählen Sie A, B oder C als Werkzeug.
  3. Tippen Sie Zeitschlitze an, bis C vier und A sowie B je einen Zeitschlitz erhalten.
  4. Prüfen Sie die Belegung.

Ziel: Den Anteil an der gemeinsamen Zeitressource gezielt verändern.

veränderbar: Zuordnung der Zeitschlitzefest: sechs Zeitschlitze insgesamtbeobachten: Anteile A/B/C
Nutzer A2/6
Nutzer B2/6
Nutzer C2/6

5. Ergebnisse sichern

Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch die Untersuchungen gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Zeitliche Trennung, Synchronisation, Schutzzeit und Kapazität zusammenfassen.

Historischer Bezug: Global System for Mobile Communications (GSM)

Der frühere Mobilfunkstandard GSM verwendete acht Zeitschlitze pro Rahmen. Die sechs Zeitschlitze dieser Simulation sind dagegen ein allgemeines, übersichtliches Lernmodell und keine technische Vorgabe.

Kernaussage: Zeitmultiplex trennt Beiträge durch unterschiedliche Sendezeiten. Synchronisation und Schutzzeiten helfen, die zeitlichen Bereiche auseinanderzuhalten; zusätzliche Schutzzeit kostet jedoch nutzbare Übertragungszeit.
5

Frequenzmultiplex

Gleichzeitig über einen gemeinsamen Weg – getrennt durch Frequenzbereiche.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Drei Sender sind gleichzeitig auf demselben räumlichen Übertragungsweg aktiv.
  • Kanal A und B überlappen zunächst teilweise im Frequenzbereich.
  • Das Empfangsfenster besitzt selbst eine Breite und kann daher Anteile eines oder mehrerer Kanäle erfassen.
ABC
E

Begriffsbezug: Die Frequenzbänder beschreiben Bereiche physikalischer Signale. Die zu übermittelnden Daten sind in diesen Signalen codiert.

1

Vermuten: Was empfängt das System im Überlappungsbereich?

Kanal A und B belegen teilweise denselben Frequenzbereich.

Was jetzt zu tun ist:
  1. Betrachten Sie die überlappenden Kanäle A und B.
  2. Wählen Sie eine Vermutung zum Empfangsfenster.
  3. Vergleichen Sie die Vermutung später mit den Messzuständen.

Ziel: Vorhersagen, was ein endliches Empfangsfenster im Überlappungsbereich erfasst.

2

Untersuchen: Ein Kanal besitzt eine endliche Breite

Nur die Breite von Kanal B wird verändert; die Kanalmitten bleiben fest.

Was jetzt zu tun ist:
  1. Stellen Sie mit dem Breitenregler zuerst einen getrennten Zustand her und dokumentieren Sie ihn.
  2. Verbreitern Sie danach nur Kanal B, bis A und B überlappen.
  3. Dokumentieren Sie auch diesen Zustand.

Ziel: Die Wirkung der endlichen Kanalbreite bei unveränderten Kanalmitten untersuchen.

niedrige Modellfrequenzhohe Modellfrequenz
12
Breite B12
Überlappung A/B0
Zustandgetrennt
veränderte Größenur Breite B
3

Untersuchen: Das Empfangsfenster abstimmen

Der Empfänger wählt einen endlichen Bereich des Spektrums aus.

Was jetzt zu tun ist:
  1. Verschieben Sie das Empfangsfenster.
  2. Dokumentieren Sie nacheinander: nur A, nur B, A und B gemeinsam sowie einen unbelegten Bereich.

Ziel: Die gezielte Auswahl mit einem endlichen Empfangsfenster untersuchen.

niedrige Modellfrequenzhohe Modellfrequenz
36
erfasste KanäleA + B
Empfangnicht eindeutig
Fenster31–41
räumlicher Weggemeinsam
nur A
nur B
A + B
unbelegt
4

Mission: Kanalbelegung reparieren

Alle Sender bleiben gleichzeitig aktiv; die Kanalbreiten sind nun fest.

Was jetzt zu tun ist:
  1. Verschieben Sie A, B und C innerhalb der Frequenzachse.
  2. Vermeiden Sie Überlappungen.
  3. Lassen Sie zwischen benachbarten Kanälen mindestens vier Modelleinheiten frei.
  4. Prüfen Sie die Anordnung.

Ziel: Drei gleichzeitig übertragene Kanäle mit ausreichenden Schutzbereichen anordnen.

0 · niedrige Modellfrequenz100 · hohe Modellfrequenz
Kanal wählen:
Überlappungen1
kleinster freier Abstand−6
Grenzen eingehaltenja
Statusnoch nicht gelöst
5

Ergebnisse sichern

Fassen Sie die Beobachtungen zusammen, ohne die Modellgrenzen zu verallgemeinern.

Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch die Untersuchungen gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Kanalbreite, Empfangsfenster und Schutzbereiche fachlich sichern.

Vermutung
Kanalbreite
Empfänger
Belegung
Sicherung
Kernaussage: Frequenzmultiplex trennt gleichzeitig übertragene Beiträge durch unterschiedliche Frequenzbereiche. Kanäle und Empfangsfenster besitzen im Modell eine endliche Breite; ausreichende Abstände erleichtern die gezielte Auswahl.
6

Zeit und Frequenz kombinieren

Eine begrenzte Funkressource bedarfsgerecht in Zeit und Frequenz verteilen.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Das Raster besitzt vier Frequenzbereiche und acht Zeitabschnitte.
  • Ein Feld steht für genau eine Zeit-Frequenz-Ressource.
  • Die Ressourcen sind begrenzt und können in diesem Modell jeweils nur einem Nutzer zugeteilt werden.
1 · Raster lesen

Was beschreibt ein einzelnes Feld?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Betrachten Sie das hervorgehobene Rasterfeld.
  2. Bestimmen Sie seinen Zeitabschnitt und seinen Frequenzbereich.
  3. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Verstehen, dass jedes Feld genau eine Zeit-Frequenz-Kombination repräsentiert.

FrequenzbereichZeitabschnitt
2 · Feste Zuteilung diagnostizieren

Dauerhaft reservierte Frequenzbereiche

Was jetzt zu tun ist:
  1. Laden Sie die feste Zuteilung.
  2. Vergleichen Sie für A, B und C jeweils Bedarf und reservierte Felder.
  3. Ordnen Sie „zu wenig“, „passend“ oder „zu viel“ zu.
  4. Prüfen Sie die Diagnose.

Ziel: Überversorgung, passende Versorgung und Unterversorgung in einer festen Zuteilung erkennen.

FrequenzbereichZeitabschnitt
3 · Runde 1 flexibel verteilen

Bedarf statt Dauerreservierung

Was jetzt zu tun ist:
  1. Lösen Sie die feste Bindung.
  2. Wählen Sie A, B, C oder den Radierer als Werkzeug.
  3. Verteilen Sie A genau 4, B genau 8 und C genau 12 Felder.
  4. Lassen Sie alle übrigen Felder frei und prüfen Sie.

Ziel: Runde 1 bedarfsgerecht und ohne unnötig gebundene Ressourcen lösen.

Bedarfsrunde 1A: 4 · B: 8 · C: 12 · acht Felder bleiben frei
A zugeteilt0
B zugeteilt0
C zugeteilt0
frei32
4 · Bedarf verändert sich

Die Zuteilung anpassen

Was jetzt zu tun ist:
  1. Starten Sie die zweite Bedarfsrunde.
  2. Passen Sie die vorhandene Verteilung an: A 12, B 4, C 8 Felder.
  3. Prüfen Sie die neue Zuteilung.

Ziel: Auf veränderten Bedarf durch eine neue flexible Zuteilung reagieren.

Bedarfsrunde 2A: 12 · B: 4 · C: 8 · acht Felder bleiben frei
5 · Ergebnisse sichern

Was leistet flexible Zuteilung?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch beide Bedarfsrunden gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Nutzen und Grenze dynamischer Zeit-Frequenz-Zuteilung formulieren.

Raster lesen
Feste Zuteilung
Runde 1
Runde 2
Sicherung
Fachinformation für Lehrende – optional

Für das Grundverständnis genügt: Moderne Mobilfunknetze verteilen Funkressourcen in Zeit und Frequenz und passen die Zuteilung an den aktuellen Bedarf an.

Technische Bezeichnungen einblenden
KurzformAusgeschriebene BezeichnungEinordnung in dieser Anwendung
LTELong Term EvolutionMobilfunksystem der vierten Generation
5G NRFifth Generation New RadioFunkschnittstelle des Mobilfunks der fünften Generation
DownlinkÜbertragung vom Netz zum GerätDas Netz sendet zum Endgerät
UplinkÜbertragung vom Gerät zum NetzDas Endgerät sendet zum Netz
OFDMAOrthogonal Frequency Division Multiple AccessAufteilung in viele Zeit-Frequenz-Ressourcen
SC-FDMASingle-Carrier Frequency Division Multiple AccessVerfahren des LTE-Uplinks
CP-OFDMCyclic-Prefix Orthogonal Frequency Division MultiplexingVerfahren in 5G NR
DFT-s-OFDMDiscrete-Fourier-Transform-spread OFDMOptionale Uplink-Variante in 5G NR

Diese technischen Bezeichnungen sind kein Lernziel. Das Raster bleibt ein vereinfachtes Modell und bildet keine vollständige Mobilfunkarchitektur ab.

Kernaussage: Eine flexible Zuteilung kann eine begrenzte Zeit-Frequenz-Ressource besser an wechselnden Bedarf anpassen. Sie erzeugt jedoch keine zusätzliche unbegrenzte Kapazität.
7

Wellenlängenmultiplex in Glasfasern

Unabhängige optische Datenströme über einen gemeinsamen räumlichen Weg.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Drei unabhängige Datenfolgen werden über optische Kanäle derselben Faser übertragen.
  • Vor dem MUX und nach dem DEMUX gibt es getrennte Ein- und Ausgänge.
  • Innerhalb der Glasfaser nutzen die Kanäle denselben räumlichen Faserweg und bleiben durch verschiedene Wellenlängenbereiche unterscheidbar.

1. Vermuten

Was jetzt zu tun ist:
  1. Lesen Sie die Situation mit drei optischen Kanälen.
  2. Wählen Sie eine Vermutung dazu, was beim Ausschalten nur von λ2 geschieht.
  3. Vergleichen Sie diese später mit den Ausgangsdaten.

Ziel: Vorhersagen, ob die drei optischen Datenströme unabhängig übertragen werden.

2. Unabhängige Datenströme untersuchen

Was jetzt zu tun ist:
  1. Starten Sie einen Testlauf mit allen drei Kanälen.
  2. Schalten Sie ausschließlich λ2 aus und testen Sie erneut.
  3. Vergleichen Sie die Ausgangsmuster.
  4. Schalten Sie zum Abschluss alle drei Kanäle wieder ein.

Ziel: Zeigen, dass das Abschalten eines Kanals die beiden anderen Datenströme nicht verändert.

Eingangsdaten

Im Faserabschnitt gibt es einen gemeinsamen räumlichen Weg.

Ausgangsdaten

3. Spektrale Trennung untersuchen und optimieren

Was jetzt zu tun ist:
  1. Untersuchen Sie zuerst die überlappende Ausgangslage.
  2. Vergrößern Sie den Kanalabstand, bis keine Spektralbereiche mehr überlappen.
  3. Verkleinern Sie danach schrittweise.
  4. Finden Sie die kleinste Einstellung mit mindestens drei Modelleinheiten Schutzbereich.

Ziel: Die kleinste noch zuverlässige und ressourcenschonende spektrale Trennung finden.

kürzere λWellenlängenbereichlängere λ
λ1
λ2
λ3
Kanalabstand10 ME
Überlappungen2
kleinster freier Abstand−4 ME
Bewertungüberlappend

4. Ergebnisse sichern

Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die durch Ihre Untersuchungen gestützt werden.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Wellenlängenmultiplex als gemeinsame räumliche Übertragung unabhängiger optischer Datenströme sichern.

Vermutungalle Kanäleλ2 auswiederhergestelltÜberlappungTrennungkleinster AbstandSicherung
Einordnung – optional

Wellenlängenmultiplex ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren: Unterschiedliche Wellenlängen entsprechen unterschiedlichen optischen Frequenzen. Für die Grundidee genügt es, die Kanäle als getrennte Wellenlängenbereiche zu betrachten.

Kernaussage: Mehrere unabhängige optische Datenströme können gleichzeitig dieselbe Glasfaser nutzen, wenn ihre Wellenlängenbereiche am Empfänger zuverlässig getrennt werden können.
8

Transfer: Welches Merkmal trennt die Beiträge?

Neue Situationen analysieren, Grenzfälle vergleichen und Ressourcenprofile erstellen.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Es folgen neue, vereinfachte Situationen.
  • Gesucht ist jeweils das hauptsächlich dargestellte Trennmerkmal.
  • Reale Systeme können zusätzlich weitere Verfahren kombinieren.
Fälle sortierenRessourcenprofileGrenzfälleSicherung
1 · Neue Fälle sortieren

Welches Trennprinzip wird hauptsächlich hervorgehoben?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Lesen Sie jede Fallkarte, ohne nach einzelnen Signalwörtern zu suchen.
  2. Ordnen Sie die Karte dem hauptsächlich dargestellten Trennprinzip zu.
  3. Ziehen Sie die Karte oder tippen Sie zuerst Karte und danach Ziel an.
  4. Prüfen Sie die Sortierung.

Ziel: Das entscheidende Trennmerkmal in neuen Situationen erkennen.

Ausgewählte Karte zuordnen
RRaumunterschiedliche Wege oder Orte
ZZeitunterschiedliche Zeitabschnitte
fFrequenzbereichspektrale Trennung elektrischer oder elektromagnetischer Signale
λWellenlängenbereich – optischoptischer Fall spektraler Trennung
2DZeit + Frequenzkombinierte Ressourcenfelder
?Keine zuverlässige Trennungkein auswertbares Trennmerkmal
2 · Ressourcenprofile untersuchen

Was bleibt gleich, was unterscheidet sich?

Was jetzt zu tun ist:
  1. Füllen Sie für jeden Fall Raum beziehungsweise Ort, Zeit und Spektrum aus.
  2. Wählen Sie „gleich“, „unterschiedlich“ oder die angebotene passende Kategorie.
  3. Prüfen Sie die Profile.

Ziel: Die Zuordnung durch ein konsistentes Ressourcenprofil begründen.

Radioprogramme

gleichzeitig über dieselbe Antennenanlage

räumlicher Weg
Zeit
Spektralbereich

Optische Kanäle

gleichzeitig über dieselbe Glasfaser

räumlicher Weg
Zeit
Spektralbereich

Räumliche Wiederverwendung

gleiche Zeit und gleicher Frequenzbereich in zwei ausreichend getrennten Zellen

Ort
Zeit
Frequenzbereich

Unkoordiniertes Senden

gleicher Ort, gleiche Zeit, gleicher Frequenzbereich

Ort
Zeit
Frequenzbereich
3 · Grenzfälle vergleichen

Ähnliche Situationen fachlich unterscheiden

Was jetzt zu tun ist:
  1. Untersuchen Sie die Grenzfälle.
  2. Bestimmen Sie, welches Merkmal trennt und welche Ressource nur wiederverwendet wird.
  3. Wählen Sie die fachlich passendste Aussage.

Ziel: Ähnliche Fälle anhand der tatsächlich unterschiedlichen Ressourcendimension unterscheiden.

Funkzellen

Zwei entfernte Zellen verwenden gleichzeitig denselben Frequenzbereich.

Mehrere Fasern oder mehrere Wellenlängen?

Vergleichen Sie drei getrennte Fasern mit drei optischen Kanälen in einer Faser.

Radio und optische Kanäle

Beide Fälle übertragen gleichzeitig über einen gemeinsamen räumlichen Weg.

4 · Sichern
Was jetzt zu tun ist:
  1. Markieren Sie nur Aussagen, die sich aus den Transferfällen ableiten lassen.
  2. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Die Transferregeln ohne unzulässige Verallgemeinerungen sichern.

Kernaussage: Entscheidend ist nicht das Schlagwort der Anwendung, sondern die Ressourcendimension, durch die die übertragenen Beiträge im vereinfachten Modell unterscheidbar bleiben.
9

Gesamtsicherung und Lehrperspektive

Gemeinsame Struktur rekonstruieren, transferieren und Modelle reflektieren.

offen
OrientierungAktueller Schritt wird ermittelt.

Ausgangslage

  • Die einzelnen Grundprinzipien wurden zuvor untersucht.
  • Jetzt werden gemeinsame Struktur, Transfer und Modellgrenzen zusammengeführt.
  • Offene Reflexionen werden dokumentiert, aber nicht automatisch als fachlich richtig bewertet.
SystemstrukturTrennressourcenDatenwegAussagenModellgrenzenLehrperspektiveMerksatz

1. Gemeinsame Systemstruktur

Was jetzt zu tun ist:
  1. Ordnen Sie die fünf Systembausteine vom Eingang zum Ausgang.
  2. Ziehen Sie die Karten oder tippen Sie zuerst Karte und danach Zielfeld an.
  3. Prüfen Sie die Reihenfolge.

Ziel: Die gemeinsame Struktur aus Datenströmen, MUX, Medium, DEMUX und rekonstruierten Datenströmen herstellen.

Lösung der gemeinsamen Systemstruktur
1. Datenströme
2. MUX
Zuteilungsregel
3. gemeinsames Medium
4. DEMUX
Auswertungsregel
5. rekonstruierte Datenströme

Die Zuteilungsregel am MUX und die Auswertungsregel am DEMUX müssen zueinander passen.

2. Trennressourcen fachlich ordnen

Was jetzt zu tun ist:
  1. Ordnen Sie jedes Verfahren einer übergeordneten Trennidee zu.
  2. Beachten Sie, dass optische Wellenlängentrennung zur spektralen Trennung gehört.
  3. Prüfen Sie die Zuordnung.

Ziel: Raum, Zeit, Spektrum und Kombinationen hierarchisch korrekt ordnen.

3. Abschlussmission: vereinfachter Datenweg

Was jetzt zu tun ist:
  1. Analysieren Sie jeden Abschnitt des vereinfachten Datenwegs.
  2. Wählen Sie jeweils Medium, Trennidee und passende Auswertung.
  3. Prüfen Sie die Zuordnungen.

Ziel: Die Grundideen auf einen neuen zusammenhängenden Datenweg übertragen.

A · Funkzugang

B · Räumliche Wiederverwendung

C · Glasfaserstrecke

4. Problematische Aussagen fachlich reparieren

Was jetzt zu tun ist:
  1. Lesen Sie jede problematische Aussage.
  2. Wählen Sie die fachlich tragfähige Überarbeitung.
  3. Prüfen Sie die Auswahl.

Ziel: Unzulässige Verallgemeinerungen gezielt korrigieren.

5. Stärken und Grenzen der Modelle

Was jetzt zu tun ist:
  1. Ordnen Sie jede Aussage als Modellstärke, ausgeblendeten Aspekt oder unzulässige Verallgemeinerung ein.
  2. Prüfen Sie die Zuordnung.

Ziel: Zwischen nützlicher Vereinfachung und fachlich problematischer Übertragung unterscheiden.

Signallabor und MUX/DEMUX

Autobahn und Funkzellen

Zeitschlitze

Frequenz- und Wellenlängenbänder

Zeit-Frequenz-Raster

6. Lehrperspektive dokumentieren

Was jetzt zu tun ist:
  1. Wählen Sie eine Darstellung.
  2. Formulieren Sie eine Diagnosefrage zu einer möglichen Lernendenvorstellung.
  3. Skizzieren Sie eine fachliche Weiterführung.
  4. Speichern Sie die Reflexion.

Ziel: Eine Darstellung aus der Perspektive der Unterrichtsplanung reflektieren.

Die Anwendung prüft hier nur, ob die Reflexion dokumentiert wurde – nicht ihre fachliche Qualität.

7. Gemeinsamen Merksatz zusammensetzen

Was jetzt zu tun ist:
  1. Legen Sie die Satzbausteine in eine fachlich und grammatisch sinnvolle Reihenfolge.
  2. Prüfen Sie den Merksatz.

Ziel: Die gemeinsame Grundidee aller Stationen abschließend formulieren.

Lernweg abgeschlossen.
Alle neun Stationen sind bearbeitet. Die Ergebnisse können nun gedruckt oder im Kursgespräch verglichen werden.
Tragfähige Gesamtstruktur: Datenströme → passende Zuteilungsregel → gemeinsames Medium → passende Auswertungsregel → rekonstruierte Datenströme. Die Trennung kann räumlich, zeitlich oder spektral erfolgen und kombiniert werden.
i

Fachliche Hinweise und Quellen

Materialgrundlage und technische Einordnung.

  • Einstiegstext „Multiplexverfahren“, bereitgestelltes Lehrmaterial.
  • Präsentation „Fachliche Vernetzung – Multiplexverfahren“, bereitgestelltes Lehrmaterial.
  • Weber, C.; Kilian, U.: „Rekordjagd im Glasfasernetz“, Physik Journal 1 (2002), Nr. 10. Historische Zahlen werden in dieser Anwendung nicht als aktueller Stand verwendet.
  • 3GPP: LTE Radio Physical Layer und 5G System Overview – fachliche Zuordnung der Funkverfahren.
  • ITU-T G.652 (2024): Eigenschaften von Standard-Singlemodefasern, insbesondere chromatische Dispersion.

Technischer Stand der optionalen LTE-/5G-Einordnung: Juni 2026. Die Anwendung reduziert bewusst auf konzeptuelle Grundideen.

Nachschlagen

Begriffe im Lernweg

Kernbegriffe werden beim ersten Auftreten sichtbar eingeführt. Hier können Sie sie später erneut nachschlagen.

MultiplexEinstieg

Organisierte Mehrfachnutzung eines gemeinsamen Übertragungsmediums.

ÜbertragungsmediumEinstieg

Physischer Weg, zum Beispiel Funkraum, Leitung oder Glasfaser.

ÜbertragungsressourceEinstieg

Nutzbarer Anteil eines Mediums, etwa Weg, Zeitabschnitt oder Frequenzbereich.

TrennmerkmalStation 1

Eigenschaft, durch die Beiträge unterscheidbar bleiben.

TrennregelStation 1

Vereinbarung, wie Sender und Empfänger ein Trennmerkmal verwenden.

rekonstruierenStation 1

Aus empfangenen Signalen die zugehörigen Daten wiederherstellen.

Multiplexer (MUX)Station 2

Organisiert mehrere einzelne Datenströme nach einer gemeinsamen Trennregel für die Übertragung.

Demultiplexer (DEMUX)Station 2

Wertet die erhaltene Trennregel aus und ordnet Daten wieder den passenden Ausgängen zu.

RaummultiplexStation 3

Trennung durch unterschiedliche Wege oder ausreichend getrennte Orte.

UnsicherheitsbereichStation 3

Räumlicher Bereich möglicher Abweichungen.

FunkzelleStation 3

Räumlicher Versorgungsbereich eines Funksystems.

InterferenzStation 3

Unerwünschte gegenseitige Beeinflussung von Signalen.

ZeitmultiplexStation 4

Trennung durch unterschiedliche Sendezeiten auf demselben Weg.

ZeitrahmenStation 4

Sich wiederholende Folge festgelegter Zeitschlitze.

ZeitschlitzStation 4

Kurzer, zugeteilter Zeitabschnitt.

SynchronisationStation 4

Ausrichtung von Sendefenstern an einer gemeinsamen Zeitstruktur.

SchutzzeitStation 4

Bewusst freigelassener Zeitabschnitt zwischen Sendungen.

FrequenzmultiplexStation 5

Trennung gleichzeitig übertragener Beiträge durch verschiedene Frequenzbereiche.

KanalStation 5

Einem Datenstrom zugeordneter Frequenzbereich im Modell.

KanalbreiteStation 5

Ausdehnung eines Kanals auf der Frequenzachse.

FrequenzspektrumStation 5

Darstellung der belegten Frequenzbereiche.

EmpfangsfensterStation 5

Frequenzbereich, den der modellierte Empfänger gerade auswertet.

Zeit-Frequenz-RasterStation 6

Raster, dessen Felder jeweils einen Frequenzbereich in einem Zeitabschnitt beschreiben.

flexible ZuteilungStation 6

Neuverteilung begrenzter Ressourcen passend zum aktuellen Bedarf.

WellenlängenmultiplexStation 7

Optische Datenströme nutzen dieselbe Faser und verschiedene Wellenlängenbereiche.

Wellenlänge (λ)Station 7

Räumlicher Abstand, nach dem sich eine Welle wiederholt.

optischer KanalStation 7

Für einen Datenstrom genutzter Wellenlängenbereich.

spektralStation 7

Nach Frequenz beziehungsweise Wellenlänge unterscheidbar.

RessourcenprofilStation 8

Übersicht darüber, welche Ressourcendimensionen gleich oder unterschiedlich sind.

ModellstärkeStation 9

Aspekt, den eine Darstellung besonders verständlich sichtbar macht.

AusblendungStation 9

Aspekt, den ein Modell bewusst vereinfacht oder nicht zeigt.

unzulässige VerallgemeinerungStation 9

Übertragung einer Modellaussage über ihren Geltungsbereich hinaus.

Orientierung

Hilfe