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双方向通信システムとは、双方向で通信可能な2つ以上の接続された当事者またはデバイスで構成されるポイントツーポイントシステムです。双方向システムは、多くの通信ネットワークで採用されており、接続された2つの当事者間で双方向の同時通信を可能にするため、または現場機器の監視や遠隔調整のための逆方向の経路を提供するために利用されています。双方向通信システムには、全二重（FDX）と半二重（HDX）の2種類があります。
全二重システムでは、両者が同時に通信できます。全二重機器の一例として、昔ながらの電話サービスが挙げられます。通話の両端にいる両者は、同時に話すことができ、相手にも同時に聞こえます。イヤホンは相手側の音声を再生し、マイクは自分の側の音声を送信します。両者の間には双方向の通信チャネルが存在し、より厳密に言えば、2つの通信チャネルが存在します。
半二重 またはセミデュプレックスシステムでは、両者が互いに通信できますが、同時に通信することはできません。通信は一度に一方向のみです。半二重デバイスの例としては、プッシュトゥトークボタンを備えた双方向無線機であるトランシーバーがあります。ローカルユーザーがリモートの人と話したいときは、このボタンを押します。これにより送信機がオンになり、受信機がオフになるため、話している間はリモートの人の声が聞こえなくなります。リモートの人を聞くには、ボタンを離します。これにより受信機がオンになり、送信機がオフになります。この用語は完全に標準化されておらず、このモードをシンプレックスと定義している資料もあります。[ 1 ] [ 2 ]
双方向通信を必要としないシステムでは、代わりに単方向通信が用いられることがあります。単方向通信では、一方のデバイスが送信し、他のデバイスは受信のみを行います。例としては、ラジオやテレビの放送、ガレージドアオープナー、ベビーモニター、ワイヤレスマイク、監視カメラなどがあります。これらのデバイスでは、通信は一方向のみです。
シンプレックス通信は、情報を一方向にのみ送信する通信チャネルです。 [ 3 ]
国際電気通信連合の定義では、通信チャネルは一度に一方向にのみ動作するが、双方向通信が可能な場合もある。これは他の文脈では半二重通信と呼ばれる。
例えば、テレビやラジオ放送では、情報は送信所から複数の受信機へ一方的に流れます。トランシーバーのペアは、ITUの定義における単方向通信を提供します。つまり、一度に話せるのは片方だけで、もう片方は送信の機会が訪れるまで受信しています。伝送媒体（無線信号）は、情報を一方向にしか伝送できません。
ウェスタンユニオン社は、 1928年にニューファンドランド島とアゾレス諸島の間で完成した新しい大西洋横断電信ケーブルの半二重および単方向通信の容量を説明する際に、シンプレックスという用語を使用しました。 [ 4 ] 2002年には、全米防火協会もシンプレックス無線チャネルについて同様の定義を使用しました。[ 5 ]
半二重( HDX )システムは双方向の通信を提供しますが、同時に双方向ではなく、一度に一方向のみの通信です。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]この用語は定義する組織間で完全に標準化されておらず、無線通信では、このモードをシンプレックスと分類する情報源もあります。[ 2 ] [ 1 ] [ 9 ]通常、一方の当事者が送信を開始すると、チャネル上のもう一方の当事者は、応答する前に送信が完了するまで待つ必要があります。[ 10 ]
半二重通信システムの一例として、トランシーバーのような2者間通信システムが挙げられます。このシステムでは、送信終了を示すために「オーバー」などの事前に指定されたキーワードを発声する必要があり、一度に1者のみが送信できるようにしています。半二重通信システムの良い例えとしては、双方向通行が可能な片側1車線の道路が挙げられます。つまり、交通は一度に1方向にしか流れません。
半二重システムは、帯域幅を節約するために一般的に使用されますが、双方向のスループットは低下します。これは、必要な通信チャネルが1つだけで、それが双方向間で交互に共有されるためです。例えば、トランシーバー、DECT電話、いわゆるTDD 4Gまたは5G電話は、双方向通信に単一の周波数しか必要としませんが、いわゆるFDDモードの携帯電話は全二重デバイスであり、一般的に、双方向それぞれに1つずつ、2つの同時音声チャネルを伝送するために2つの周波数を必要とします。
双方向データリンクなどの自動通信システムでは、半二重システムにおける通信時間割り当てに時分割多重方式を用いることができる。例えば、データリンクの一方の端にあるステーションAがちょうど1秒間送信し、次に他方の端にあるステーションBがちょうど1秒間送信し、その後このサイクルを繰り返すことができる。この方式では、チャネルがアイドル状態になることはない。
半二重通信システムでは、複数の当事者が同時に送信すると衝突が発生し、メッセージの損失や歪みが生じる。
全二重（FDX）システムは双方向の通信を可能にし、半二重とは異なり、これを同時に行うことができます。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 固定電話網は、両方の発信者が同時に話したり聞こえたりできるため、全二重です。全二重動作は、電話ハイブリッドのハイブリッドコイルを使用することで、2線式回路で実現されます。最新の携帯電話も全二重です。[ 11 ]
全二重通信は、単一の物理通信チャネルを双方向に同時に使用する方式であり、二重単方向通信は、双方向それぞれに異なるチャネルを使用する方式です。技術的な違いはありますが、ユーザーの観点からは技術的な違いは重要ではなく、どちらの方式も一般的に全二重通信と呼ばれています。
多くのイーサネット接続では、同一ケーブル内に2対のツイストペアケーブル、または各ネットワーク機器に直接接続された2本の光ファイバーケーブルを同時に使用することで、全二重通信を実現しています。一方のペアまたはファイバーはパケットの受信用、もう一方はパケットの送信用です。1000BASE -Tなどの他のイーサネット規格では、同じチャネルを双方向で同時に使用します。いずれの場合も、全二重通信によりケーブル自体が衝突のない環境となり、各イーサネット接続でサポートされる最大伝送容量が2倍になります。
全二重通信は、半二重通信に比べていくつかの利点があります。各ツイストペア線には送信機が1つしかないため、競合や衝突が発生せず、フレームの再送信や待機に時間を浪費することがありません。また、送信機能と受信機能が分離されているため、双方向でフル伝送容量を利用できます。
1960年代から1970年代にかけてのコンピュータシステムの中には、半二重通信であっても全二重通信機能を必要とするものがあった。これは、ポーリング・アンド・レスポンス方式では、半二重回線における送信方向の反転に伴うわずかな遅延を許容できなかったためである。
電話などの全二重音声システムでは、エコーが発生することがあり、これはユーザーの邪魔になるだけでなく、モデムの性能を低下させます。エコーは、遠端から発せられた音が近端のスピーカーから出て、そこにあるマイク[ a ]に再び入り、遠端に送り返されるときに発生します。すると、音は元の音源側に遅れて戻ってきます。
エコーキャンセレーションは、マイク信号から遠端信号を差し引いてネットワーク経由で送り返す信号処理操作です。エコーキャンセレーションは、モデムが良好な全二重性能を実現するための重要な技術です。V.32 、V.34、V.56、およびV.90モデム規格では、エコーキャンセレーションが必須です。[ 12 ]エコーキャンセラーは、ソフトウェアとハードウェアの両方の実装で利用可能です。通信システム内の独立したコンポーネントとして、または通信システムの中央処理装置に統合することができます。
ポイントツーマルチポイントネットワーク（セルラーネットワークなど）において、同じ物理通信媒体上で順方向および逆方向の通信チャネルを分割するためにチャネルアクセス方式が使用される場合、それらはデュプレックス方式として知られています。[ 13 ]
時分割複信（TDD）は、時分割多重化の手法を用いて送受信信号を分離する方式です。これにより、半二重通信回線上で全二重通信をエミュレートできます。
時分割複信方式は、アップリンクとダウンリンクのデータレートや利用率に非対称性がある場合に柔軟に対応できます。アップリンクのデータ量が増加するにつれて、より多くの通信容量を動的に割り当てることができ、トラフィック負荷が軽減されるにつれて、容量を削減することができます。ダウンリンク方向でも同様です。
送信/受信遷移ギャップ（TTG）は、ダウンリンクバーストとそれに続くアップリンクバーストの間のギャップ（時間）です。同様に、受信/送信遷移ギャップ（RTG）は、アップリンクバーストとそれに続くダウンリンクバーストの間のギャップです。[ 14 ]
時分割複信システムの例としては、以下のようなものがあります。
周波数分割複信（FDD）とは、送信機と受信機が異なる搬送周波数を使用して動作することを意味します。
この方法は、アマチュア無線において、オペレーターが中継局を利用しようとする場合によく用いられます。中継局は、送信と受信を同時に行う必要があり、送信周波数と受信周波数をわずかに変化させることでこれを実現します。この動作モードは、デュプレックスモードまたはオフセットモードと呼ばれます。アップリンクとダウンリンクのサブバンドは、周波数オフセットによって分離されていると言えます。
周波数分割複信システムは、単一の周波数で送信される通信は常に同じ方向に伝わるため、複数の単純な中継局を使用することで通信範囲を拡張できる。
周波数分割複信方式は、対称トラフィックの場合には効率的です。一方、時分割複信方式は、送信から受信への切り替え時に帯域幅を浪費する傾向があり、固有の遅延が大きく、より複雑な回路が必要になる場合があります。
周波数分割複信のもう1つの利点は、基地局同士が互いに干渉しない（異なるサブバンドで送受信するため）ため、無線計画がより簡単かつ効率的になることです。一方、時分割複信システムでは、隣接する基地局間でガードタイムを維持する（スペクトル効率が低下する）か、基地局を同期させて同時に送受信するようにする（ネットワークの複雑さが増し、コストが増加するだけでなく、すべての基地局とセクターが同じアップリンク/ダウンリンク比を使用せざるを得なくなるため、帯域幅割り当ての柔軟性が低下する）など、注意を払う必要があります。
周波数分割複信システムの例としては、以下のようなものがあります。