Канал связи: определение, типы и модели

Введение

Физическое или логическое соединение, используемое для передачи информации.

Канал связи – это либо физическая среда передачи, такая как провод, либо логическое соединение через мультиплексированную среду, например, радиоканал в телекоммуникациях и компьютерных сетях. Канал используется для передачи информации, например, цифрового потока битов, от одного или нескольких отправителей к одному или нескольким получателям. Канал обладает определенной пропускной способностью для передачи информации, которая часто измеряется его полосой пропускания в герцах (Гц) или скоростью передачи данных в битах в секунду. Для передачи информационного сигнала на расстояние требуется определенный путь или среда. Эти пути, называемые каналами связи, используют два типа сред: телекоммуникационные кабели на основе линий передачи (например, витая пара, коаксиальный и оптоволоконный кабель) и широковещательные каналы (например, микроволновые, спутниковые, радио- и инфракрасные). В теории информации канал относится к теоретической модели канала с определенными характеристиками ошибок. В этом более широком смысле, устройство хранения данных также является каналом связи, в который можно записать информацию и из которого можно её прочитать, что позволяет передавать информационный сигнал во времени.

Модели каналов

Математические модели канала могут быть построены для описания того, как вход (передаваемый сигнал) отображается на выход (принимаемый сигнал). Существует множество типов и применений моделей каналов, специфичных для области связи. В частности, для описания каждого уровня системы связи разрабатываются отдельные модели. Канал может быть смоделирован физически, путем расчета физических процессов, изменяющих передаваемый сигнал. Например, в беспроводной связи канал может быть смоделирован расчетом отражений от каждого объекта в окружающей среде. Последовательность случайных чисел может быть добавлена 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 получения символа o при условии, что символ i был передан по каналу. Статистическое и физическое моделирование могут быть объединены. Например, в беспроводной связи канал часто моделируется случайным затуханием (известным как фейдинг) передаваемого сигнала, за которым следует аддитивный шум. Затухание является упрощением лежащих в основе физических процессов и отражает изменение мощности сигнала в процессе передачи. Шум в модели учитывает внешние помехи или электронный шум в приемнике. Если затухание комплексно, оно также описывает относительное время прохождения сигнала через канал. Статистические свойства затухания в модели определяются на основе предыдущих измерений или физических симуляций. Канал связи также изучается в схемах дискретной алфавитной модуляции. Математическая модель состоит из вероятности перехода, которая определяет распределение выходных данных для каждой возможной последовательности входных данных канала. В теории информации принято начинать с каналов без памяти, в которых распределение вероятности выходных данных зависит только от текущего входного сигнала канала. Модель канала может быть цифровой или аналоговой.

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.

Многоконтактные каналы, применяемые в сотовых системах

В сетях, в отличие от связи точка-точка, среда передачи может использоваться совместно несколькими оконечными устройствами (терминалами). В зависимости от типа связи, различные терминалы могут взаимодействовать или создавать помехи друг другу. В общем случае, любая сложная многотерминальная сеть может рассматриваться как комбинация упрощенных многотерминальных каналов. Следующие каналы являются основными многотерминальными каналами, впервые представленными в области теории информации:
Канал "точка-ко-множеству", также известный как широковещательная среда (не путать с широковещательным каналом): в этом канале один отправитель передает несколько сообщений различным узлам назначения. Все беспроводные каналы, за исключением направленных соединений, могут рассматриваться как широковещательные среды, но не всегда обеспечивают услуги широковещания. Линия нисходящей связи сотовой системы может рассматриваться как канал точка-ко-множеству, если рассматривается только одна ячейка и пренебрегается взаимной интерференцией между ячейками. Однако служба связи телефонного вызова является одноадресной. Канал множественного доступа: в этом канале несколько отправителей передают различные сообщения по общему физическому каналу одному или нескольким узлам назначения. Для этого требуется схема доступа к каналу, включающая протокол управления доступом к среде (MAC) в сочетании со схемой мультиплексирования. Эта модель канала находит применение в линии восходящей связи сотовых сетей. Релейный канал: в этом канале один или несколько промежуточных узлов (называемых ретрансляторами, повторителями или узлами заполнения покрытия) взаимодействуют с отправителем для передачи сообщения конечному узлу назначения. Канал интерференции: в этом канале два различных отправителя передают свои данные различным узлам назначения. Следовательно, отправители могут создавать взаимные перекрестные или коканальные помехи. Внутриячейковая интерференция в беспроводных сотовых сетях является примером канала интерференции. В системах с расширенным спектром, таких как 3G, интерференция также возникает внутри ячейки при использовании неортогональных кодов. Одноадресный канал – это канал, который предоставляет одноадресную услугу, то есть передает данные, адресованные одному конкретному пользователю. Установленный телефонный вызов является примером. Широковещательный канал – это канал, который предоставляет широковещательную услугу, то есть передает данные, адресованные всем пользователям сети. Примерами в сотовых сетях являются служба пейджинга, а также служба мультимедийной трансляции и многоадресной рассылки. Многоадресный канал – это канал, по которому данные адресуются группе подписанных пользователей. Примерами в LTE являются физический многоадресный канал (PMCH) и сеть одночастотного вещания с многоадресной рассылкой (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).