Ақпараттық каналдар: түрлері мен моделі

Кіріспе

Ақпаратты беру үшін қолданылатын физикалық немесе логикалық байланыс.

Байланыс арнасы – сым сияқты физикалық тарату ортасы немесе телекоммуникация және компьютерлік желілердегі радиоарна сияқты мультиплекстелген ортадағы логикалық байланыс. Арна бір немесе бірнеше жіберушіден бір немесе бірнеше қабылдаушыға, мысалы, сандық биттер ағыны түрінде ақпаратты жеткізу үшін қолданылады. Арнаның ақпаратты тарату сыйымдылығы бар, ол көбінесе герцтегі (Гц) ені немесе секундтағы биттермен (бит/с) өлшенетін деректер жылдамдығы арқылы анықталады. Ақпараттық сигналды қашықтыққа жеткізу үшін белгілі бір жол немесе орта қажет. Бұл жолдар, байланыс арналары деп аталады, екі түрлі ортаны пайдаланады: тарату желісіне негіделген телекоммуникациялық кабельдер (мысалы, бұралған жұп, коаксиалдық және оптикалық талшық кабельдері) және тарату (мысалы, микротолқынды, спутниктік, радио және инфрақызыл). Ақпарат теориясында арна – белгілі бір қателіктері бар теориялық арна моделін білдіреді. Одан да жалпы көзқарас бойынша, сақтау құрылғысы да байланыс арнасы болып табылады, оған ақпарат жазылып (жіберіліп) және оқылып (қабылданып), уақыт бойынша ақпараттық сигналдың таралуын қамтамасыз етеді.

Канал үлгілері

Каналдың математикалық модельдері кіріс (жіберілген сигнал) шығысқа (қабылданған сигналға) қалай шайкестендірілетінін сипаттау үшін жасалады. Коммуникация саласына тән арна модельдерінің көптеген түрлері мен қолданыстары бар. Атап айтқанда, коммуникация жүйесінің әрбір қабатын сипаттау үшін жеке модельдер құрастырылады. Канал физикалық тұрғыдан жіберілген сигналды өзгертетін физикалық процестерді есептеу арқылы модельделуі мүмкін. Мысалы, сымсыз коммуникацияда каналды қоршаған ортадағы әрбір нысаннан болатын шағылысты есептеу арқылы модельдеуге болады. Қабылдағышта сыртқы кедергілерді немесе электрондық шуды имитациялау үшін кездейсоқ сандар тізбегі қосылуы мүмкін. Статистикалық тұрғыдан, коммуникация каналы әдетте кіріс әліпбиі, шығыс әліпбиі және әрбір (i, o) кіріс және шығыс элементтері үшін p(i, o) ауысу ықтималдығы бар жұп ретінде моделіделеді. Семантикалық тұрғыдан алғанда, ауысу ықтималдығы – бұл i каналы арқылы жіберілгенін ескере отырып, o символының қабылдану ықтималдығы. Статистикалық және физикалық модельдеуді біріктіруге болады. Мысалы, сымсыз коммуникацияда канал көбінесе жіберілген сигналдың кездейсоқ әлсіреуімен (тұнбалау деп аталады) модельделеді, одан кейін қосымша шу қосылады. Әлсірету шарттары негізгі физикалық процестерді жеңілдету болып табылады және сигнал қуатының берілу барысындағы өзгерісін қамтиды. Модельдегі шу сыртқы кедергілерді немесе қабылдағыштағы электрондық шуды көрсетеді. Егер әлсірету шарттары күрделі болса, ол сигналдың канал арқылы өтуіне кеткен уақытты да сипаттайды. Модельдегі әлсіретудің статистикалық қасиеттері бұрынғы өлшемдер немесе физикалық симуляциялар арқылы анықталады. Коммуникация каналдары дискретті әліпби модуляциясы схемаларында да зерттеледі. Математикалық модель арна кірістерінің әрбір мүмкін тізбегі үшін шығыс үлестірімін анықтайтын ауысу ықтималдығынан тұрады. Ақпарат теориясында, шығыс ықтималдық үлестірімі тек ағымдағы канал кірісіне байланысты болатын жадсыз каналдардан бастау жиі кездеседі. Канал моделі цифрлық немесе аналогтық болуы мүмкін.

Mathematical models of the channel can be made to describe how the input (the transmitted signal) is mapped to the output (the received signal). There exist many types and uses of channel models specific to the field of communication. In particular, separate models are formulated to describe each layer of a communication system. A channel can be modeled physically by trying to calculate the physical processes which modify the transmitted signal. For example, in wireless communications, the channel can be modeled by calculating the reflection from every object in the environment. A sequence of random numbers might also be added to simulate external interference or electronic noise in the receiver. Statistically, a communication channel is usually modeled as a tuple consisting of an input alphabet, an output alphabet, and for each pair (i, o) of input and output elements, a transition probability p(i, o). Semantically, the transition probability is the probability that the symbol o is received given that i was transmitted over the channel. Statistical and physical modeling can be combined. For example, in wireless communications the channel is often modeled by a random attenuation (known as fading) of the transmitted signal, followed by additive noise. The attenuation term is a simplification of the underlying physical processes and captures the change in signal power over the course of the transmission. The noise in the model captures external interference or electronic noise in the receiver. If the attenuation term is complex it also describes the relative time a signal takes to get through the channel. The statistical properties of the attenuation in the model are determined by previous measurements or physical simulations. Communication channels are also studied in discrete alphabet modulation schemes. The mathematical model consists of a transition probability that specifies an output distribution for each possible sequence of channel inputs. In information theory, it is common to start with memoryless channels in which the output probability distribution only depends on the current channel input. A channel model may either be digital or analog.

Ұялы байланыс жүйелеріне қолданылатын көп терминалды арналар

Желілерде, нүктеден нүктеге байланысқа қарағанда, байланыс ортасы бірнеше байланыс нүктелері (терминалдар) арасында бөлісе алады. Байланыс түріне байланысты әртүрлі терминалдар өзара ынтымақтаса немесе бір-біріне кедергі келтіре алады. Жалпы, кез келген күрделі көп терминалды желіні жеңілдетілген көп терминалды арналардың комбинациясы ретінде қарастыруға болады. Ақпарат теориясы саласында алғаш рет енгізілген негізгі көп терминалды арналар: Нүктеден көп нүктеге арна, сондай-ақ хабар тарату ортасы (хабар тарату арнасымен шатастырмау керек): Бұл арнада бір жіберуші әртүрлі мақсатты түйіндерге бірнеше хабарлама жібереді. Бағытталмаған байланыстардан басқа барлық сымсыз арналар хабар тарату ортасы ретінде қарастырылуы мүмкін, бірақ әрқашан хабар тарату қызметін қамтамасыз етпейді. Егер тек бір жасушаны қарастырып, жасушааралық кедергіні ескермесек, ұялы жүйенің төменгі байланысын нүктеден көп нүктеге арна ретінде қарастыруға болады. Дегенмен, телефон қоңырауының байланыс қызметі біржолғы тарату болып табылады. Көптеген қол жеткізу арнасы: Бұл арнада бірнеше жіберушілер ортақ физикалық ортада бір немесе бірнеше мақсатты түйіндерге әртүрлі хабарларды жібереді. Бұл үшін арнаға қол жеткізу схемасы қажет, оның ішінде мультиплекстеу схемасымен біріктірілген медиаға қол жеткізуді басқару (MAC) протоколы. Бұл арна моделі ұялы байланыс желілерінің жоғары байланысында қолданылады. Релелік арна: Бұл арнада бір немесе бірнеше аралық түйіндер (реле, қайталаушы немесе тіреу түйіндері деп аталады) хабарламаны соңғы мақсатты түйінге жіберу үшін жіберушімен ынтымақтасады. Кедергі арнасы: Бұл арнада екі түрлі жіберуші өз деректерін әртүрлі мақсатты түйіндерге жібереді. Осылайша, әртүрлі жіберушілер бір-бірінің сигналына қиылысу немесе бір арналы кедергі келтіре алады. Ұялы сымсыз байланыстағы жасушааралық кедергі кедергі арнасының мысалы болып табылады. 3G сияқты кең спектрлі жүйелерде, егер ортогональды емес кодтар қолданылса, кедергі жасушаның ішінде де пайда болуы мүмкін. Біржолғы тарату арнасы – біржолғы қызметті ұсынатын, яғни бір нақты пайдаланушыға бағытталған деректерді жіберетін арна. Телефон арқылы сөйлесу – мысал. Хабар тарату арнасы – хабар тарату қызметін ұсынатын, яғни желідегі барлық пайдаланушыларға бағытталған деректерді жіберетін арна. Ұялы байланыс желісінің мысалдары – бетбелгілеу қызметі, сондай-ақ мультимедиялық хабар тарату мультикаст қызметі. Көп тарату арнасы – деректер жазылған пайдаланушылар тобына жіберілетін арна. LTE мысалдары – физикалық көп тарату арнасы (PMCH) және көп тарату бір жиілікті желісі (MBSFN).

In networks, as opposed to point to point communication, the communication media can be shared between multiple communication endpoints (terminals). Depending on the type of communication, different terminals can cooperate or interfere with each other. In general, any complex multi terminal network can be considered as a combination of simplified multi terminal channels. The following channels are the principal multi terminal channels first introduced in the field of information theory:
A point to multipoint channel, also known as broadcasting medium (not to be confused with broadcasting channel): In this channel, a single sender transmits multiple messages to different destination nodes. All wireless channels except directional links can be considered as broadcasting media, but may not always provide broadcasting service. The downlink of a cellular system can be considered as a point to multipoint channel, if only one cell is considered and inter cell co channel interference is neglected. However, the communication service of a phone call is unicasting. Multiple access channel: In this channel, multiple senders transmit multiple possible different messages over a shared physical medium to one or several destination nodes. This requires a channel access scheme, including a media access control (MAC) protocol combined with a multiplexing scheme. This channel model has applications in the uplink of cellular networks. Relay channel: In this channel, one or several intermediate nodes (called relay, repeater or gap filler nodes) cooperate with a sender to send the message to an ultimate destination node. Interference channel: In this channel, two different senders transmit their data to different destination nodes. Hence, the different senders can have a possible crosstalk or co channel interference on the signal of each other. The inter cell interference in cellular wireless communications is an example of an interference channel. In spread spectrum systems like 3G, interference also occurs inside the cell if non orthogonal codes are used. A unicast channel is a channel that provides a unicast service, i. e. that sends data addressed to one specific user. An established phone call is an example. A broadcast channel is a channel that provides a broadcasting service, i. e. that sends data addressed to all users in the network. Cellular network examples are the paging service as well as the Multimedia Broadcast Multicast Service. A multicast channel is a channel where data is addressed to a group of subscribing users. LTE examples are the physical multicast channel (PMCH) and multicast broadcast single frequency network (MBSFN).