コミュニケーションチャネル

通信チャネルをサポートするさまざまな種類の物理的な伝送媒体

通信チャネルとは、有線などの物理的な伝送媒体、または電気通信やコンピュータネットワークにおける無線チャネルなどの多重化媒体を介した論理的な接続を指します。チャネルは、例えばデジタルビットストリームを、1つまたは複数の送信者から1つまたは複数の受信者に転送するために使用されます。チャネルには一定の情報伝送能力があり、通常はHz単位の帯域幅またはビット/秒単位のデータ転送速度で測定されます。

情報信号を遠距離に伝送するには、何らかの経路または媒体が必要です。これらの経路は通信チャネルと呼ばれ、伝送線路ベースの通信ケーブル（ツイストペアケーブル、同軸ケーブル、光ファイバーケーブルなど）と放送（マイクロ波、衛星、無線、赤外線など）の2種類の媒体が使用されます。

情報理論において、チャネルとは、特定のエラー特性を持つ理論的なチャネルモデルを指します。より一般的な観点から見ると、ストレージデバイスも通信チャネルであり、送信（書き込み）と受信（読み取り）が可能で、時間を超えて情報信号を伝達することができます。

例

通信チャネルの例には次のようなものがあります。

  1. 通信回線の開始通信エンドポイントと終了通信エンドポイント間の接続。
  2. 伝送媒体によって提供される単一のパスは、
  3. 電気信号または電磁信号を伝送するためのパス。通常は他の並列パスと区別されます。
    • 時間の経過とともにメッセージを通信できるデータ記憶装置。[ 1 ]
    • 特定の読み取りまたは書き込みステーションまたはヘッドからアクセスできる、トラックやバンドなどのストレージ メディアの部分。
    • メッセージの書き込みや取得ができるバッファ。
  4. 通信システムにおいて、データ ソースをデータ シンクに接続する物理リンクまたは論理リンク。
  5. 特定の無線周波数、周波数のペアまたは帯域。通常は文字、数字、またはコードワードで名前が付けられ、多くの場合、国際協定によって割り当てられます。例:

これらの通信チャネルはすべて、情報を転送するという共通の性質を持っています。情報は信号によってチャネルを通じて伝達されます。

チャネルモデル

チャネルの数学的モデルは、入力（送信信号）が出力（受信信号）にどのようにマッピングされるかを記述するために作成できます。通信分野特有のチャネルモデルには、多くの種類と用途があります。特に、通信システムの各層を記述するために、個別のモデルが定式化されています。

伝送路は、送信信号を変化させる物理過程を計算することで物理的にモデル化できます。例えば、無線通信では、環境内のあらゆる物体からの反射を計算することで伝送路をモデル化できます。また、外部干渉や受信機の電子ノイズをシミュレートするために、乱数列を追加することもあります。

統計的には、通信チャネルは通常、入力アルファベット、出力アルファベット、そして入力要素と出力要素の各ペア(i, o)に対する遷移確率p(i, o)からなるタプルとしてモデル化されます。意味論的には、遷移確率とは、 i がチャネルを介して送信された と仮定した場合に、シンボルoが受信される確率です。

統計モデルと物理モデルを組み合わせることができます。例えば、無線通信では、チャネルは送信信号のランダムな減衰（フェージング）とそれに続く加法性ノイズによってモデル化されることがよくあります。減衰項は、基礎となる物理プロセスを単純化したものであり、伝送過程における信号電力の変化を捉えます。モデル内のノイズは、外部干渉や受信機における電子ノイズを捉えます。減衰項が複素数の場合、信号がチャネルを通過するのにかかる相対時間も表します。モデルにおける減衰の統計的特性は、事前の測定や物理シミュレーションによって決定されます。

通信チャネルは、離散アルファベット変調方式においても研究されています。この数学モデルは、チャネル入力の可能なシーケンスごとに出力分布を指定する遷移確率で構成されます。情報理論では、出力確率分布が現在のチャネル入力のみに依存するメモリレスチャネルから始めるのが一般的です。

チャネル モデルはデジタルまたはアナログのいずれかになります。

デジタルチャネルモデル

デジタルチャネルモデルでは、送信メッセージは特定のプロトコル層におけるデジタル信号としてモデル化されます。下位のプロトコル層は簡略化されたモデルに置き換えられます。このモデルは、ビットレート、ビットエラー、遅延、遅延変動などのチャネル性能指標を反映する場合があります。デジタルチャネルモデルの例としては、以下のものがあります。

アナログチャネルモデル

アナログチャネルモデルでは、送信メッセージはアナログ信号としてモデル化されます。このモデルは、線形または非線形、時間連続または時間離散（サンプリング）、メモリレスまたは動的（バーストエラーが発生する）、時間不変または時間変動（バーストエラーが発生する）、ベースバンド、パスバンド（RF信号モデル）、実数値または複素数値の信号モデルのいずれかになります。このモデルは、以下のチャネル障害を反映する場合があります。

種類

チャネルパフォーマンス測定

以下は、一般的に使用されるチャネル容量とパフォーマンス測定 の例です。

多端末チャネルと携帯電話システムへの応用

ネットワークでは、ポイントツーポイント通信とは対照的に、通信媒体を複数の通信エンドポイント（端末）間で共有できます。通信の種類に応じて、異なる端末は互いに協力したり干渉したりします。一般的に、複雑な多端末ネットワークは、単純化された多端末チャネルの組み合わせと考えることができます。以下のチャネルは、情報理論の分野で初めて導入された主要な多端末チャネルです。

  • ポイントツーマルチポイントチャネルは、ブロードキャストメディアとも呼ばれます（ブロードキャストチャネルと混同しないでください）。このチャネルでは、単一の送信者が複数のメッセージを異なる宛先ノードに送信します。方向性リンクを除くすべての無線チャネルはブロードキャストメディアと見なすことができますが、必ずしもブロードキャストサービスを提供できるとは限りません。セルラーシステムのダウンリンクは、1つのセルのみを考慮し、セル間の同一チャネル干渉を無視する場合、ポイントツーマルチポイントチャネルと見なすことができます。ただし、電話通話の通信サービスはユニキャストです。
  • 多重アクセスチャネル：このチャネルでは、複数の送信者が共有物理媒体を介して、1つまたは複数の宛先ノードに複数の異なるメッセージを送信します。これには、多重化方式と組み合わせたメディアアクセス制御（MAC）プロトコルを含むチャネルアクセス方式が必要です。このチャネルモデルは、セルラーネットワークのアップリンクに応用されています。
  • リレー チャネル: このチャネルでは、1 つまたは複数の中間ノード (リレー ノード、リピータ ノード、またはギャップ フィラーノードと呼ばれる) が送信者と連携して、最終的な宛先ノードにメッセージを送信します。
  • 干渉チャネル：このチャネルでは、2つの異なる送信元が異なる宛先ノードにデータを送信します。そのため、異なる送信元は互いの信号にクロストーク（同一チャネル干渉）を引き起こす可能性があります。セルラー無線通信におけるセル間干渉は、干渉チャネルの一例です。3Gのようなスペクトル拡散システムでは、非直交符号が使用される場合、セル内でも干渉が発生します。
  • ユニキャストチャネルとは、ユニキャストサービスを提供するチャネル、つまり特定のユーザー宛てにデータを送信するチャネルです。確立された通話などがその例です。
  • ブロードキャストチャネルは、ブロードキャストサービスを提供するチャネルです。つまり、ネットワーク内のすべてのユーザー宛てにデータを送信するチャネルです。セルラーネットワークの例として、ページングサービスやマルチメディアブロードキャストマルチキャストサービスなどが挙げられます。
  • マルチキャストチャネルとは、加入しているユーザーグループにデータが送信されるチャネルです。LTE の例としては、物理マルチキャストチャネル (PMCH) やマルチキャストブロードキャスト単一周波数ネットワーク (MBSFN) などがあります。

参考文献

  1. ^ Madhow, U. (2014).通信システム入門. ケンブリッジ大学出版局. p. 1. ISBN 9781316060865。
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