コミュニケーションチャネル

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、たとえば、1 つまたは複数の送信者から 1 つまたは複数の受信者へのデジタルビット ストリームの情報転送に使用されます。チャネルには、情報を送信するための一定の容量があり、多くの場合、帯域幅 ( Hz)またはデータ レート(ビット/秒)で測定されます。

情報信号を遠距離間で通信するには、何らかの経路または媒体が必要です。通信チャネルと呼ばれるこれらの経路では、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。

情報理論では、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。このより一般的な見方では、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通信できます。

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、
   • 物理的分離、例えばマルチペアケーブルや
   • 周波数分割や時分割多重化などの分離。
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:
   • 船舶用 VHF 無線は、双方向 FM 音声通信に VHF 帯域の約 88 チャネルを使用します。たとえば、チャネル 16は 156.800 MHz です。米国では、気象放送用にさらに 7 つのチャネル (WX1 - WX7) が割り当てられています。
   • テレビチャンネルは、北米テレビのチャンネル 2 (55.25 MHz)、チャンネル 13 (211.25 MHz) などです。各チャンネルの幅は 6 MHz です。これは、アナログテレビ信号に必要な帯域幅に基づいています。2006 年以降、テレビ放送は、画像圧縮を使用してはるかに狭い帯域幅でテレビ信号を送信するデジタル変調 (デジタルテレビ)に切り替わったため、これらの物理チャンネルはそれぞれ DTV チャンネルを伝送する複数の仮想チャンネルに分割されています 。
   • オリジナルのWi-Fi は、 2412 MHz から 2484 MHz までの 5 MHz ステップのISM バンドの 13 チャネルを使用します。
   • アマチュア無線中継器とアマチュア無線家の間の無線チャネルは、通常 600 kHz (0.6 MHz) 離れた 2 つの周波数を使用します。たとえば、146.94 MHz で送信する中継器は、通常、146.34 MHz で送信するアマチュア無線家を待ち受けます。

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特性を持っています。情報は信号によってチャネルを通じて運ばれます。

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。通信分野に特有のチャネル 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、個別のモデルが作成されます。

チャネルは、送信信号を変更する物理的なプロセスを計算することによって物理的にモデル化できます。たとえば、無線通信では、環境内のすべてのオブジェクトからの反射を計算することによってチャネルをモデル化できます。また、受信機の外部干渉や電子ノイズをシミュレートするために、乱数のシーケンスが追加されることもあります。

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、および入力要素と出力要素の各ペア(i, o)の遷移確率p(i, o)で構成されるタプルとしてモデル化されます。意味的には、遷移確率は、iがチャネルを介して送信された 場合にシンボルoが受信される確率です。

統計的モデリングと物理的モデリングを組み合わせることができます。たとえば、無線通信では、チャネルは送信信号のランダムな減衰 (フェーディングと呼ばれる) とそれに続く付加的な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、送信中の信号電力の変化を捉えます。モデル内のノイズは、受信機の外部干渉または電子ノイズを捉えます。減衰項が複雑な場合は、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。モデル内の減衰の統計的特性は、以前の測定または物理的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でも研究されています。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 チャネルから開始するのが一般的です。

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 モデルでは、送信されたメッセージは特定のプロトコル レイヤーでデジタル信号としてモデル化されます。基盤となるプロトコル レイヤーは、簡略化されたモデルに置き換えられます。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 パフォーマンスの尺度を反映する場合があります。デジタル チャネル モデルの例には、次のものがあります。

• バイナリ対称チャネル（BSC）、一定のビットエラー確率を持つ離散メモリレスチャネル
• バイナリ非対称チャネル（BAC）はBSCに似ていますが、0から1への反転とその逆の確率が不等です。
• バイナリバーストビットエラーチャネルモデル、メモリ付きチャネル
• バイナリ消去チャネル（BEC）、一定のビットエラー検出（消去）確率を持つ離散チャネル
• パケット消失チャネル、パケットが一定のパケット損失確率またはパケットエラー率で失われる
• 任意に変化するチャネル（AVC）。チャネルの動作と状態がランダムに変化する可能性がある。

アナログ チャネル モデルでは、送信されるメッセージはアナログ信号としてモデル化されます。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)、メモリなしまたは動的 (バースト エラーが発生します)、時間不変または時間変動(バースト エラーが発生します)、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にすることができます。モデルは、次のチャネル障害を反映する場合があります。

• ノイズモデルの例
  • 加法性白色ガウス雑音（AWGN）チャネル、線形連続メモリレスモデル
  • 位相雑音モデル
• 干渉モデル、例えばクロストーク（同一チャネル干渉）や符号間干渉（ISI）
• 歪みモデル、例えば相互変調歪み（IMD）を引き起こす非線形チャネルモデル
• 減衰と位相シフトを含む周波数応答モデル
• 群遅延モデル
• 基礎となる物理層 伝送技術のモデリング、例えば変調と周波数応答の複素数値等価ベースバンドモデル
• 無線周波数伝搬モデル、例えば
  • 対数距離経路損失モデル
  • フェージングモデル、たとえばレイリー フェージング、ライス フェージング、対数正規シャドウ フェージング、周波数選択 (分散) フェージングなど
  • ドップラーシフトモデルは、フェージングと組み合わさって時間変動システムを形成する。
  • レイトレーシングモデルは、特定の送信機と受信機の形状、地形の種類、アンテナの信号伝播と歪みをモデル化しようとします。
  • 伝播グラフは、無線伝播環境をグラフで表すことによって信号の分散をモデル化します。
  • 移動モデルは時間変動システムも引き起こす

• デジタル（離散）またはアナログ（連続）チャネル
• 伝送媒体、例えば光ファイバーケーブル
• 多重化チャネル
• コンピュータネットワーク仮想チャネル
• 単方向通信、双方向通信、または半二重通信チャネル
• 戻りチャネル
• アップリンクまたはダウンリンク（アップストリームまたはダウンストリームチャネル）
• ブロードキャスト チャネル、ユニキャスト チャネル、またはマルチキャスト チャネル

一般的に使用されるチャネル容量とパフォーマンスの測定 の例を以下に示します。

• スペクトル帯域幅（ヘルツ）
• シンボルレート（ボー）、シンボル/秒
• デジタル帯域幅はビット/秒単位で測定されます:総ビットレート(信号速度)、純ビットレート(情報速度)、チャネル容量、最大スループット
• チャネルの利用
• スペクトル効率
• デシベル単位での信号対雑音比：信号対干渉比、E _b /N ₀
• ビットエラー率(BER)、パケットエラー率(PER)
• 遅延（秒） :伝播時間、伝送時間、往復遅延、エンドツーエンド遅延
• パケット遅延変動
• 目のパターン

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、通信メディア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、異なる端末が互いに協力したり干渉したりすることがあります。一般に、複雑なマルチ端末ネットワークは、単純化されたマルチ端末チャネルの組み合わせとして考えることができます。次のチャネルは、情報理論の分野で最初に導入された主要なマルチ端末チャネルです^{[引用が必要]} :

• 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ワイヤレス 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、常にブロードキャスト サービスを提供するとは限りません。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、電話の通信サービスはユニキャストです。
• マルチアクセスチャネル: このチャネルでは、複数の送信者が共有物理メディアを介して複数の異なるメッセージを 1 つまたは複数の宛先ノードに送信します。これには、多重化スキーム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 アクセススキームが必要です。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で使用されます。
• 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 つの異なる送信者がデータを異なる宛先ノードに送信します。したがって、異なる送信者は、互いの信号にクロストークまたは同一チャネル干渉を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などの拡散スペクトル システムでは、非直交コードが使用されている場合、セル内でも干渉が発生します。
• ユニキャスト チャネルは、ユニキャスト サービスを提供するチャネルです。つまり、特定の 1 人のユーザー宛てにデータを送信するチャネルです。確立された電話通話がその一例です。
• 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は、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 サービスなどがあります。
• マルチキャストチャネルは、データが加入ユーザーのグループに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 シングル周波数ネットワーク (MBSFN) などがあります。