多重化

電気通信およびコンピュータ ネットワークにおいて、多重化( muxingと略されることもある) とは、複数のアナログ信号またはデジタル信号を共有媒体上で 1 つの信号に結合する手法である。その目的は、希少なリソース (物理的な伝送媒体)を共有することである。^[要出典]たとえば、電気通信では、1 本のワイヤを使用して複数の電話通話を伝送することができる。多重化は 1870 年代に電信で始まり、現在では通信に広く適用されている。電話技術では、ジョージ オーウェン スクワイアが1910 年に電話キャリア多重化を開発したとされている。

多重化された信号は、ケーブルなどの通信チャネルを介して送信されます。多重化により、通信チャネルの容量が複数の論理チャネルに分割され、各論理チャネルが転送されるメッセージ信号またはデータ ストリームごとに 1 つずつ割り当てられます。逆のプロセスである多重分離により、受信側で元のチャネルが抽出されます。

多重化を実行するデバイスはマルチプレクサ(MUX) と呼ばれ、逆のプロセスを実行するデバイスはデマルチプレクサ(DEMUX または DMX) と呼ばれます。

逆多重化(IMUX) は多重化とは逆の目的を持ち、1 つのデータ ストリームを複数のストリームに分割し、複数の通信チャネルを介して同時に転送し、元のデータ ストリームを再作成します。

コンピューティングにおいて、I/O多重化は、poll ^[1]やselect（Unix）^[2]などのシステムコールを使用して、単一のイベントループから複数の入出力 イベントを処理するという概念を指す場合もあります。

統計的多重化により、複数の可変ビット レートデジタルビット ストリームを単一の固定帯域幅チャネルで効率的に転送できます。これは、時分割多重化の一形式である 非同期モードの時間領域多重化です。

デジタル ビット ストリームは、周波数ホッピング スペクトラム拡散(FHSS) や直接拡散スペクトラム(DSSS)などのコード分割多重化技術によってアナログ チャネル経由で転送できます。

無線通信では、隣接する各チャネルおよび衛星で交互に偏波（水平/垂直または時計回り/反時計回り）を切り替えることによって、またはフェーズドマルチアンテナアレイと複数入力複数出力通信（MIMO）方式を組み合わせることによって、多重化を実現することもできます。

有線通信において、空間分割多重化(空間分割多元接続 (SDMA) とも呼ばれる) は、送信チャネルごとに別々のポイントツーポイント電気導体を使用することです。例としては、左チャネル用に 1 対のワイヤ、右チャネル用にもう 1 対のワイヤを備えたアナログ ステレオ オーディオ ケーブル、マルチペア電話ケーブル、電話アクセス ネットワークなどのスイッチドスター ネットワーク、スイッチド イーサネット ネットワーク、メッシュ ネットワークなどがあります。

無線通信では、空間分割多重化は、フェーズドアレイアンテナを形成する複数のアンテナ素子によって実現されます。例としては、多入力多出力(MIMO)、単一入力多出力 (SIMO)、および多入力単一出力 (MISO) の多重化があります。 k本のアンテナを備えた IEEE 802.11g 無線ルーターは、原理的には、各ピークビットレートが 54 Mbit/s のk個の多重化チャネルで通信できるため、合計ピークビットレートがk倍に増加します。アンテナが異なれば、マルチパス伝搬(エコー) シグネチャも異なるため、デジタル信号処理技術によって異なる信号を分離できます。これらの技術は、多重化ではなく、空間ダイバーシティ(フェーディングに対する堅牢性の向上) やビームフォーミング(選択性の向上)にも利用できます。

周波数分割多重化(FDM) は、本質的にアナログ技術です。FDM は、複数の異なる周波数範囲の信号を単一の媒体で送信することにより、複数の信号を 1 つの媒体に結合します。FDMでは、信号は電気信号です。FDM の最も一般的な用途の 1 つは、地上波、移動体、衛星放送局、またはケーブルテレビからの従来のラジオおよびテレビ放送です。顧客の居住地域に到達するケーブルは 1 本だけですが、サービス プロバイダーは、そのケーブルを介して複数のテレビ チャンネルまたは信号を同時にすべての加入者に干渉なく送信できます。受信機は、目的の信号にアクセスするために適切な周波数 (チャンネル) にチューニングする必要があります。^[3]

光通信では、波長分割多重(WDM)と呼ばれるさまざまな技術が使用されます。

時分割多重化(TDM) は、空間や周波数ではなく時間を使用して異なるデータ ストリームを分離するデジタル (まれにアナログ) テクノロジです。TDM では、各入力ストリームから数ビットまたはバイトのグループを順番に並べ、適切な受信機に関連付けられるようにします。十分に高速に実行された場合、受信デバイスは、回線時間の一部が別の論理通信パスに使用されたことを検出しません。

空港の中央コンピュータに接続するために 4 つの端末を必要とするアプリケーションについて考えてみましょう。各端末は 2400ボーで通信するため、このような低速伝送を行うために 4 つの個別の回線を取得するのではなく、航空会社は 1 組のマルチプレクサをインストールしました。また、9600 ボーのモデム 1 組と、空港のチケット デスクから航空会社のデータ センターに戻る専用のアナログ通信回線 1 つもインストールされています。^[3]一部のWeb プロキシ サーバー( polipoなど) は、複数のHTTPトランザクションを同じTCP/IP 接続にパイプライン処理する際に TDM を使用します。^[4]

キャリア検知多重アクセスおよびマルチドロップ通信方式は、複数のデータ ストリームが同じ媒体上で時間によって分離される点で時分割多重化に似ていますが、信号が 1 つの信号に結合されるのではなく、別々の発信元を持つため、多重化の形式ではなく、チャネル アクセス方式として考えるのが最適です。

TD は、ヨーロッパのほとんどの国内固定電話網のバックボーンとして今でも使用されているレガシー多重化技術で、DMS100 などの狭帯域電話交換機に 2 Mbit/s の音声および信号ポートを提供しています。各 E1 または 2 Mbit/s TDM ポートは、CCITT7 信号システムの場合は 30 または 31 の音声タイムスロットを提供し、顧客接続の Q931、DASS2、DPNSS、V5、CASS 信号システムの場合は 30 の音声チャネルを提供します。^[5]

偏波分割多重方式は、電磁放射の偏波を利用して直交チャネルを分離します。これは、無線通信と光通信の両方で実際に使用されており、特にチャネルあたり 100 Gbit/s の光ファイバー伝送システムで使用されています。

差動交差偏波無線通信は、差動技術を利用した偏波アンテナ伝送の新しい方法です。^[6]

軌道角運動量多重化は、電磁放射を使用して単一経路で運ばれる複数の信号チャネルを多重化する比較的新しい実験的技術です。^[7]これは、他の物理的多重化方法に加えて使用することで、このようなシステムの伝送容量を大幅に拡大する可能性があります。2012年現在、^{[アップデート]}これはまだ初期の研究段階にあり、単一の光経路で最大2.5 Tbit/sの帯域幅を小規模な実験室で実証しています。^[8]これは学術界で議論を呼んでいる主題であり、多くの人がこれは新しい多重化方法ではなく、空間分割多重化の特殊なケースであると主張しています。^[9]

コード分​​割多重(CDM)、コード分割多重アクセス(CDMA)、または拡散スペクトルは、複数のチャネルが同時に同じ周波数スペクトルを共有する技術のクラスであり、このスペクトル帯域幅はビットレートまたはシンボルレートよりもはるかに高くなります。 1 つの形式は周波数ホッピングで、もう 1 つは直接拡散スペクトル拡散です。後者の場合、各チャネルは、チップと呼ばれるコード化されたチャネル固有のパルス シーケンスとしてビットを送信します。ビットあたりのチップ数、またはシンボルあたりのチップ数は、拡散係数です。このコード化された送信は、通常、より大きなビット時間内のチップ時間内に配置された、時間に依存する固有の一連の短いパルスを送信することによって行われます。それぞれ異なるコードを持つすべてのチャネルを、同じファイバー チャネル、無線チャネル、またはその他の媒体で送信し、非同期で多重分離することができます。従来の技術に比べて、可変帯域幅が可能である（統計的多重化の場合と同様に）、広い帯域幅によりシャノン・ハートレーの定理に従って信号対雑音比を低下させることができる、無線通信におけるマルチパス伝播がレーキ受信機によって対処できるという利点がある。

CDMA の重要な用途は、全地球測位システム(GPS) です。

多重化技術は、さらに多重アクセス方式またはチャネル アクセス方式に拡張されることがあります。たとえば、TDM は時分割多重アクセス(TDMA) に、統計多重化はキャリア検知多重アクセス(CSMA) に拡張されます。多重アクセス方式により、同じ物理媒体に接続された複数の送信機が容量を共有できるようになります。

多重化はOSI モデルの物理層によって提供され、多重アクセスにはデータリンク層の一部であるメディア アクセス制御プロトコルも関与します。

OSI モデルのトランスポート層は、TCP/IP モデルと同様に、同じコンピューターとの間の複数のアプリケーション層データ フローの統計的な多重化を提供します。

コード分​​割多重化(CDM) は、各チャネルがビットをチャネル固有のコード化されたパルス シーケンスとして送信する技術です。このコード化された送信は、通常、より大きなビット時間内のチップ時間内に配置される、固有の時間依存の短いパルス シリーズを送信することによって実現されます。それぞれ異なるコードを持つすべてのチャネルを同じファイバーで送信し、非同期で多重分離することができます。広く使用されている他の多重アクセス技術は、時分割多重アクセス(TDMA) と周波数分割多重アクセス(FDMA) です。コード分割多重化技術は、ITU によって特定された第 3 世代 (3G) モバイル通信のユニバーサル モバイル テレコミュニケーション システム (UMTS) 標準で、アクセス技術、つまりコード分割多重アクセス (CDMA) として使用されています。^{[引用が必要]}

電線を使用した最も初期の通信技術であり、多重化による経済性にも関心があったのが電信でした。初期の実験では、最初は両端に電池を使用し、その後は片端だけに電池を使用して、2 つの別々のメッセージを同時に反対方向に送信できました。

エミール・ボードは1870 年代に複数のヒューズマシンによる時間多重化システムを開発した。1874 年には、トーマス・エジソンが開発した4 重電信機が各方向に 2 つのメッセージを同時に送信し、合計 4 つのメッセージが同時に同じ電線を通過するようになった。数人の研究者が周波数分割多重化技術である音響電信を研究しており、これが電話の発明につながった。

電話業界では、顧客の電話回線は通常、リモート コンセントレータボックスで終了し、そこで近隣地域または他の同様の地域の他の電話回線とともに多重化されます。多重化された信号は、顧客の回線が実際に到達できる距離よりもはるかに少ない配線で、はるかに長い距離にわたって中央交換局に伝送されます。これは、デジタル加入者線(DSL) でも同様です。

ファイバー イン ザ ループ(FITL) は、光ファイバーをバックボーンとして使用する一般的な多重化方法です。POTS電話回線を PSTN の残りの部分に接続するだけでなく、家庭に配線されたイーサネットに直接接続することで DSL を置き換えます。非同期転送モードは、よく使用される通信プロトコルです。^[要出典]

ケーブルテレビは長い間多重化されたテレビチャンネルを放送しており、20 世紀後半には電話会社と同様のサービスを提供し始めました。IPTVも多重化に依存しています。

ビデオ編集および処理システムでは、多重化とは、オーディオとビデオを 1 つの一貫したデータ ストリームにインターリーブするプロセスを指します。

デジタル ビデオでは、このようなトランスポート ストリームは通常、メタデータや字幕などの情報を含むコンテナー形式の機能です。オーディオ ストリームとビデオ ストリームは、可変ビット レートである場合があります。このようなトランスポート ストリームやコンテナーを生成するソフトウェアは、一般にマルチプレクサーまたはmuxerと呼ばれます。デマルチプレクサーは、このようなストリームまたはコンテナーのコンポーネントを抽出したり、個別に処理できるようにするソフトウェアです。

デジタルテレビシステムでは、複数の可変ビットレートデータストリームが統計的多重化によって固定ビットレートトランスポートストリームに多重化されます。これにより、さまざまなサービスとともに、複数のビデオおよびオーディオチャネルを同じ周波数チャネルで同時に転送できます。これには、複数の標準解像度テレビ(SDTV) プログラム (特にDVB-T、DVB-S2、ISDBおよび ATSC-C)、または 1 つのHDTV (6 ～ 8 MHz 幅の TV チャネルを介した単一の SDTV コンパニオンチャネルを含む場合もあります) が含まれます。これを実現するデバイスは、統計的多重化装置と呼ばれます。これらのシステムの多くでは、多重化の結果、MPEG トランスポートストリームが生成されます。より新しい DVB 標準の DVB-S2 およびDVB-T2 は、1 つの多重化で複数のHDTVチャネルを伝送できます。^{[引用が必要]}

デジタルラジオでは、マルチプレックス（アンサンブルとも呼ばれる）は、グループ化された多数のラジオ局です。マルチプレックスは、オーディオやその他のデータを含むデジタル情報のストリームです。^[10]

放送テレビネットワークやラジオネットワークを運ぶ通信衛星では、これはキャリアあたり複数チャネルまたはMCPCとして知られています。多重化が実用的でない場合 (単一のトランスポンダを使用する異なるソースがある場合など)、キャリアあたり単一チャネルモードが使用されます。^{[引用が必要]}

FM 放送やその他のアナログ ラジオメディアでは、多重化とは、音声信号が送信機に入って変調が行われる前に音声信号にサブキャリアを追加する処理を指す一般的な用語です。(実際、ステレオ多重化信号は、2 つの入力信号 (左チャネルと右チャネル) を超音波速度 (サブキャリア) で切り替え、高調波を除去する時間分割多重化を使用して生成できます。) この意味での多重化はMPXと呼ばれることもありますが、これは1960 年代からステレオシステムで見られるステレオFM の古い用語でもあります。

分光学において、この用語は、複数の周波数を一度に混合して実験を実行し、その後フーリエ変換原理を使用してそれぞれの応答を解明することを示すために使用されます。

コンピュータプログラミングでは、単一のメモリ内リソース（ファイルハンドルなど）を使用して複数の外部リソース（ディスク上のファイルなど）を処理することを指す場合があります。^[11]

一部の電気多重化技術では、物理的な「マルチプレクサ」デバイスは必要なく、「キーボード マトリックス」または「チャーリープレクシング」設計スタイルを参照します。

• 多重化とは、多重化されたディスプレイの設計を指す場合があります(多重化されていないディスプレイは分割の影響を受けません)。
• 多重化は、「スイッチ マトリックス」の設計を指す場合があります (多重化されていないボタンは、「ファントム キー」の影響を受けず、 「ファントム キー ブロッキング」の影響も受けません)。

ハイスループットDNA シーケンシングでは、この用語は、特定のシーケンス リードを特定のサンプルにリンクするために人工シーケンス (バーコードまたはインデックスと呼ばれることが多い) が追加され、同じ反応で複数のサンプルのシーケンシングが可能になっていることを示すために使用されます。

社会言語学では、多重性は、社会的ネットワークの一部である個人間の明確なつながりの数を表すために使用されます。多重ネットワークとは、メンバーが、同僚、隣人、親戚など、複数の社会的文脈から生じる多数のつながりを共有するネットワークです。

• アドドロップマルチプレクサ
• チャネルバンク
• 多重表示
• 光アドドロップマルチプレクサ
• 直交周波数分割多重方式（OFDM）（変調方式の一種）
• 統計的多重化

• ウィクショナリーの「多重化」の辞書定義
• ウィキメディア・コモンズの多重化に関連するメディア