Канал связи

Различные типы физических сред передачи, поддерживающих каналы связи.

Канал связи относится либо к физической среде передачи, такой как провод, либо к логическому соединению через мультиплексированную среду, такую ​​как радиоканал в телекоммуникациях и компьютерных сетях . Канал используется для передачи информации , например, цифрового битового потока , от одного или нескольких отправителей к одному или нескольким получателям . Канал имеет определенную пропускную способность для передачи информации, часто измеряемую его полосой пропускания в Гц или скоростью передачи данных в битах в секунду .

Для передачи информационного сигнала на расстояние требуется какой-либо путь или среда. Эти пути, называемые каналами связи, используют два типа среды: линии передачи на основе телекоммуникационный кабель (например, витая пара , коаксиальный и оптоволоконный кабель ) и широковещательная передача (например , микроволновый , спутниковый , радио и инфракрасный порт ).

В теории информации канал относится к теоретической модели канала с определенными характеристиками ошибок. В этом более общем виде устройство хранения также является каналом связи, который можно отправлять (записывать) и получать (считывать), а также позволяет передавать информационный сигнал во времени.

Примеры

Примеры каналов связи включают в себя:

1. Соединение между инициирующими и завершающими конечными точками связи в телекоммуникационной цепи .
2. Единый путь, обеспечиваемый средой передачи либо через
   • физическое разделение, например, с помощью многопарного кабеля или
   • разделение, например, посредством частотного разделения или мультиплексирования с временным разделением .
3. Путь передачи электрических или электромагнитных сигналов, обычно отличающийся от других параллельных путей.
   • Устройство хранения данных , которое может передавать сообщения с течением времени.
   • Часть носителя информации, такая как дорожка или полоса, доступная для данной станции или головки чтения или записи.
   • Буфер, из которого можно помещать и получать сообщения .
4. В системе связи — физическое или логическое соединение, соединяющее источник данных с приемником данных.
5. Конкретная радиочастота , пара или полоса частот, обычно называемая буквой, числом или кодовым словом и часто выделяемая международным соглашением, например:
   • Морская УКВ-радиостанция использует около 88 каналов в диапазоне УКВ для двусторонней голосовой связи в диапазоне FM. Канал 16 , например, имеет частоту 156,800 МГц. В США для передач погоды выделено семь дополнительных каналов WX1 – WX7.
   • Телевизионные каналы, такие как North American TV Channel 2 на частоте 55,25 МГц, Channel 13 на частоте 211,25 МГц. Каждый канал имеет ширину 6 МГц. Это было основано на полосе пропускания, необходимой для аналоговых телевизионных сигналов. С 2006 года телевизионное вещание перешло на цифровую модуляцию ( цифровое телевидение ), которая использует сжатие изображения для передачи телевизионного сигнала в гораздо меньшей полосе пропускания, поэтому каждый из этих физических каналов был разделен на несколько виртуальных каналов, каждый из которых несет канал ЦТВ.
   • Оригинальный Wi-Fi использует 13 каналов в диапазонах ISM от 2412 МГц до 2484 МГц с шагом 5 МГц.
   • Радиоканал между радиолюбительским ретранслятором и радиолюбителем использует две частоты, часто находящиеся на расстоянии 600 кГц (0,6 МГц) друг от друга. Например, ретранслятор, который передает на частоте 146,94 МГц, обычно прослушивает радиолюбительскую передачу на частоте 146,34 МГц.

Все эти каналы связи имеют общее свойство: они передают информацию. Информация переносится по каналу сигналом .

Модели каналов

Можно создать математические модели канала, чтобы описать, как входной сигнал (передаваемый сигнал) отображается на выход (полученный сигнал). Существует множество типов и вариантов использования моделей каналов, специфичных для области коммуникации. В частности, формулируются отдельные модели для описания каждого уровня системы связи.

Канал можно смоделировать физически, пытаясь рассчитать физические процессы, которые изменяют передаваемый сигнал. Например, в беспроводной связи канал можно смоделировать путем расчета отражения от каждого объекта в окружающей среде. Также можно добавить последовательность случайных чисел для имитации внешних помех или электронного шума в приемнике.

Статистически канал связи обычно моделируется как кортеж , состоящий из входного алфавита, выходного алфавита и для каждой пары (i, o) входных и выходных элементов, вероятности перехода p(i, o) . Семантически вероятность перехода — это вероятность того, что символ o будет принят при условии, что i был передан по каналу.

Статистическое и физическое моделирование можно комбинировать. Например, в беспроводной связи канал часто моделируется случайным затуханием (известным как затухание ) передаваемого сигнала, за которым следует аддитивный шум. Термин затухание представляет собой упрощение основных физических процессов и отражает изменение мощности сигнала в ходе передачи. Шум в модели улавливает внешние помехи или электронный шум в приемнике. Если термин затухания является комплексным , он также описывает относительное время, необходимое сигналу для прохождения через канал. Статистические свойства затухания в модели определяются предыдущими измерениями или физическим моделированием.

Каналы связи также изучаются в дискретно-алфавитной модуляции схемах . Математическая модель состоит из вероятности перехода, которая определяет выходное распределение для каждой возможной последовательности входных каналов. В теории информации принято начинать с каналов без памяти, в которых распределение вероятностей на выходе зависит только от текущего входа канала.

Модель канала может быть цифровой или аналоговой.

Модели цифровых каналов

В модели цифрового канала передаваемое сообщение моделируется как цифровой сигнал на определенном уровне протокола . Базовые уровни протокола заменяются упрощенной моделью. Модель может отражать показатели производительности канала, такие как скорость передачи данных , битовые ошибки , задержка , изменение задержки и т. д. Примеры моделей цифровых каналов включают в себя:

• Бинарный симметричный канал (BSC), дискретный канал без памяти с определенной вероятностью битовой ошибки.
• Двоичный асимметричный канал (BAC), аналогичный BSC, но вероятность переключения с 0 на 1 и наоборот неравна.
• Модель канала с двоичными пакетными битовыми ошибками , канал с памятью
• Канал двоичного стирания (BEC), дискретный канал с определенной вероятностью обнаружения (стирания) битовых ошибок.
• Канал стирания пакетов , где пакеты теряются с определенной вероятностью потери пакетов или частотой ошибок пакетов.
• Произвольно меняющийся канал (AVC), где поведение и состояние канала могут меняться случайным образом.

Модели аналоговых каналов

В модели аналогового канала передаваемое сообщение моделируется как аналоговый сигнал . Модель может быть линейной или нелинейной , непрерывной во времени или дискретной по времени (выборочной) , без памяти или динамической (приводящей к пакетным ошибкам ), не зависящей от времени или изменяющейся во времени (также приводящей к пакетным ошибкам), базовой полосы , полосы пропускания. (модель радиочастотного сигнала), с действительным или комплексным знаком модель сигнала . Модель может отражать следующие нарушения канала:

• Шумовая модель, например
  • Канал аддитивного белого гауссовского шума (AWGN), линейная непрерывная модель без памяти
  • фазового шума Модель
• Модель помех , например перекрестные помехи ( внутриканальные помехи ) и межсимвольные помехи (ISI)
• Модель искажений , например модель нелинейного канала, вызывающая интермодуляционные искажения (IMD).
• Модель частотной характеристики , включая затухание и фазовый сдвиг
• групповой задержки Модель
• Моделирование базовых на физическом уровне методов передачи , например, комплекснозначная эквивалентная модель модуляции . и частотной характеристики
• Модель распространения радиочастот , например
  • Модель потерь на трассе логарифмического расстояния
  • Модель замирания , например , замирание Рэлея , замирание Райса , логарифмически нормальное теневое замирание и частотно-селективное (дисперсионное) замирание.
  • Модель доплеровского сдвига , которая в сочетании с замиранием приводит к изменяющейся во времени системе.
  • Модели трассировки лучей , которые пытаются смоделировать распространение и искажения сигнала для заданной геометрии передатчика-приемника, типов местности и антенн.
  • График распространения моделирует дисперсию сигнала, представляя среду распространения радиосигнала в виде графика.
  • Модели мобильности , что также приводит к изменяющейся во времени системе.

Типы

• Цифровой ( дискретный ) или аналоговый ( непрерывный ) канал
• Среда передачи , например оптоволоконный кабель.
• Мультиплексированный канал
• компьютерной сети Виртуальный канал
• Симплексная связь , дуплексная связь или полудуплексный канал связи.
• Обратный канал
• Восходящая или нисходящая линия связи ( восходящий или нисходящий канал)
• Широковещательный канал , одноадресный канал или многоадресный канал

Показатели эффективности канала

Ниже приведены примеры часто используемых показателей пропускной способности канала и производительности:

• Спектральная полоса пропускания в Герцах
• Скорость передачи символов в бодах , символов/с
• Цифровая полоса пропускания в бит/с измеряется: общая скорость передачи данных (скорость передачи сигналов), чистая скорость передачи данных (скорость передачи данных), пропускная способность канала и максимальная пропускная способность.
• Использование канала
• Спектральная эффективность
• Отношение сигнал/шум в децибелах : отношение сигнал/помеха , E _b /N ₀
• Коэффициент битовых ошибок (BER), коэффициент пакетных ошибок (PER)
• Задержка в секундах : время распространения , время передачи , двусторонняя задержка , сквозная задержка.
• Изменение задержки пакета
• Рисунок глаз

Многотерминальные каналы с применением в сотовых системах

См. также: Топология сети.

В сетях, в отличие от связи «точка-точка» , средства связи могут совместно использоваться несколькими конечными точками связи (терминалами). В зависимости от типа связи разные терминалы могут взаимодействовать или мешать друг другу. В общем, любую сложную многотерминальную сеть можно рассматривать как комбинацию упрощенных многотерминальных каналов. Следующие каналы являются основными многотерминальными каналами, впервые представленными в области теории информации. :

• Канал «точка-многоточка» , также известный как широковещательная среда (не путать с широковещательным каналом): в этом канале один отправитель передает несколько сообщений разным узлам назначения. Все беспроводные каналы, за исключением направленных каналов, можно рассматривать как средства вещания, но они не всегда могут предоставлять услуги вещания. сотовой Нисходящая линия связи системы может рассматриваться как канал связи «точка-множество точек», если рассматривается только одна сота и пренебрегаются помехами в совмещенном канале между ячейками. Однако услуга связи телефонного звонка является одноадресной .
• Канал множественного доступа . В этом канале несколько отправителей передают несколько возможных различных сообщений через общую физическую среду на один или несколько узлов назначения. Для этого требуется схема доступа к каналу , включающая протокол управления доступом к среде передачи (MAC) в сочетании со схемой мультиплексирования . Эта модель канала находит применение в восходящей линии связи сотовых сетей.
• Канал ретрансляции : в этом канале один или несколько промежуточных узлов (называемых узлами ретрансляции, ретранслятора или заполнителя пробелов ) взаимодействуют с отправителем для отправки сообщения конечному узлу назначения.
• Канал помех : в этом канале два разных отправителя передают свои данные разным узлам назначения. Следовательно, разные отправители могут иметь возможные перекрестные помехи или внутриканальные помехи в сигнале друг друга. Межсотовые помехи в сотовой беспроводной связи являются примером канала помех. В системах с расширенным спектром, таких как 3G, помехи также возникают внутри соты, если используются неортогональные коды.
• Канал одноадресной рассылки — это канал, который предоставляет услугу одноадресной рассылки, т. е. отправляет данные, адресованные одному конкретному пользователю. Примером может служить установленный телефонный звонок.
• Широковещательный канал — это канал, который предоставляет услугу вещания, т. е. отправляет данные , адресованные всем пользователям в сети. Примерами сотовых сетей являются служба пейджинговой связи , а также служба многоадресной рассылки мультимедиа .
• Канал многоадресной рассылки — это канал, по которому данные адресуются группе подписчиков. Примерами LTE являются физический многоадресный канал (PMCH) и одночастотная сеть многоадресного вещания (MBSFN).

Ссылки

• CE Шеннон , Математическая теория связи , Технический журнал Bell System , vol. 27, стр. 379–423 и 623–656 (июль и октябрь 1948 г.)