Canal de comunicació

Diferents tipus de mitjans de transmissió físics que donen suport als canals de comunicació

Un canal de comunicació fa referència a un mitjà de transmissió físic com ara un cable, o a una connexió lògica sobre un mitjà multiplexat com ara un canal de ràdio en telecomunicacions i xarxes informàtiques. Un canal s'utilitza per a la transferència d'informació, per exemple, d'un flux de bits digital, des d'un o diversos emissors a un o diversos receptors. Un canal té una certa capacitat per transmetre informació, sovint mesurada pel seu ample de banda en Hz o la seva velocitat de dades en bits per segon.

Comunicar un senyal d'informació a distància requereix algun tipus de via o mitjà. Aquestes vies, anomenades canals de comunicació, utilitzen dos tipus de mitjans: cable de telecomunicacions basat en línies de transmissió (per exemple, cable de parell trenat, coaxial i fibra òptica) i emissió (per exemple, microones, satèl·lit, ràdio i infrarojos).

En teoria de la informació, un canal fa referència a un model teòric de canal amb certes característiques d'error. En aquesta visió més general, un dispositiu d'emmagatzematge també és un canal de comunicació, que es pot enviar (escriure) i rebre (llegir) i permet la comunicació d'un senyal d'informació al llarg del temps.

Modelat en blocs d'un canal de comunicacions

Exemples

Exemples de canals de comunicació inclouen:

1. Una connexió entre els punts finals de comunicació inicial i final d'un circuit de telecomunicacions.
2. Un únic camí proporcionat per un mitjà de transmissió a través de qualsevol de les dues opcions
   • separació física, com ara mitjançant cable multiparell o
   • separació, com ara per multiplexació per divisió de freqüència o per divisió de temps.
3. Un camí per a la transmissió de senyals elèctrics o electromagnètics, generalment distingit d'altres camins paral·lels.
   • Un dispositiu d'emmagatzematge de dades que pot comunicar un missatge al llarg del temps.
   • La part d'un suport d'emmagatzematge, com ara una pista o una banda, que és accessible a una estació o capçal de lectura o escriptura determinat.
   • Una memòria intermèdia des de la qual es poden introduir i obtenir missatges.
4. En un sistema de comunicacions, l'enllaç físic o lògic que connecta una font de dades a un sumidero de dades.
5. Una freqüència radioelèctrica específica, un parell o una banda de freqüències, generalment anomenada amb una lletra, un número o una paraula clau, i sovint assignada per acord internacional, per exemple:
   • La ràdio VHF marina utilitza uns 88 canals de la banda VHF per a la comunicació de veu FM bidireccional. El canal 16, per exemple, és 156.800 MHz. Als EUA, hi ha set canals addicionals, del WX1 al WX7, assignats a emissions meteorològiques.
   • Canals de televisió com ara North American TV Channel 2 a 55.25 MHz, Canal 13 a 211.25 MHz. Cada canal és de 6 MHz d'ample. Això es basava en l'amplada de banda requerida pels senyals de televisió analògica. Des del 2006, la radiodifusió televisiva ha canviat a la modulació digital (televisió digital), que utilitza la compressió d'imatges per transmetre un senyal de televisió en una amplada de banda molt més petita, de manera que cadascun d'aquests canals físics s'ha dividit en múltiples canals virtuals, cadascun dels quals transporta un canal de televisió digital.
   • El Wi-Fi original utilitza 13 canals a les bandes ISM de 2412 MHz a 2484 MHz en 5 Esglaons de MHz.
   • El canal de ràdio entre un repetidor de ràdio amateur i un operador de ràdio amateur utilitza dues freqüències, sovint 600 kHz (0,6 MHz) de distància. Per exemple, un repetidor que transmet a 146.94 MHz normalment escolta un radioaficionat transmetent a 146.34 MHz.

Tots aquests canals de comunicació comparteixen la propietat de transferir informació. La informació es transporta a través del canal mitjançant un senyal.

Models de canals

Es poden fer models matemàtics del canal per descriure com l'entrada (el senyal transmès) es mapeja a la sortida (el senyal rebut). Existeixen molts tipus i usos de models de canal específics per al camp de la comunicació. En particular, es formulen models separats per descriure cada capa d'un sistema de comunicació.

Un canal es pot modelar físicament intentant calcular els processos físics que modifiquen el senyal transmès. Per exemple, en les comunicacions sense fil, el canal es pot modelar calculant la reflexió de cada objecte de l'entorn. També es pot afegir una seqüència de nombres aleatoris per simular interferències externes o soroll electrònic al receptor.

Estadísticament, un canal de comunicació se sol modelar com una tupla que consisteix en un alfabet d'entrada, un alfabet de sortida i, per a cada parell (i, o) d'elements d'entrada i sortida, una probabilitat de transició p(i, o). Semànticament, la probabilitat de transició és la probabilitat que es rebi el símbol o, atès que i s'ha transmès pel canal.

Es poden combinar models estadístics i físics. Per exemple, en les comunicacions sense fil, el canal sovint es modela mitjançant una atenuació aleatòria (coneguda com a fading) del senyal transmès, seguida de soroll additiu. El terme d'atenuació és una simplificació dels processos físics subjacents i captura el canvi en la potència del senyal al llarg de la transmissió. El soroll del model captura la interferència externa o el soroll electrònic al receptor. Si el terme d'atenuació és complex, també descriu el temps relatiu que triga un senyal a passar pel canal. Les propietats estadístiques de l'atenuació del model es determinen mitjançant mesures prèvies o simulacions físiques.

Els canals de comunicació també s'estudien en esquemes de modulació d'alfabet discret. El model matemàtic consisteix en una probabilitat de transició que especifica una distribució de sortida per a cada possible seqüència d'entrades de canal. En teoria de la informació, és habitual començar amb canals sense memòria en què la distribució de probabilitat de sortida només depèn de l'entrada actual del canal.

Un model de canal pot ser digital o analògic.

Models de canals digitals

En un model de canal digital, el missatge transmès es modela com un senyal digital en una determinada capa de protocol. Les capes de protocol subjacents se substitueixen per un model simplificat. El model pot reflectir mesures de rendiment del canal com ara la taxa de bits, els errors de bits, el retard, la variació del retard, etc. Exemples de models de canal digital inclouen:

• Canal simètric binari (BSC), un canal discret sense memòria amb una certa probabilitat d'error de bit
• Canal asimètric binari (BAC), similar al BSC, però la probabilitat d'un canvi de 0 a 1 i viceversa és desigual
• Model de canal d'error de bits en ràfegues binari, un canal amb memòria
• Canal d'esborrat binari (BEC), un canal discret amb una certa probabilitat de detecció d'errors de bit (esborrat)
• Canal d'esborrat de paquets, on els paquets es perden amb una certa probabilitat de pèrdua de paquets o taxa d'error de paquets
• Canal de variació arbitrària (AVC), on el comportament i l'estat del canal poden canviar aleatòriament

Models de canals analògics

En un model de canal analògic, el missatge transmès es modela com un senyal analògic. El model pot ser lineal o no lineal, continu en el temps o discret en el temps (mostrejat), sense memòria o dinàmic (que resulta en errors de ràfega), invariant en el temps o variant en el temps (que també resulta en errors de ràfega), de banda base, de banda passadora (model de senyal RF), de valor real o de valor complex. El model pot reflectir les següents degradacions del canal:

• Model de soroll, per exemple
  • Canal de soroll blanc gaussià additiu (AWGN), un model lineal continu sense memòria
  • Model de soroll de fase
• Model d'interferències, per exemple, interferència (interferència cocanal) i interferència intersímbol (ISI)
• Model de distorsió, per exemple un model de canal no lineal que causa distorsió d'intermodulació (IMD)
• Model de resposta de freqüència, incloent-hi l'atenuació i el canvi de fase
• Model de retard de grup
• Modelització de les tècniques de transmissió de la capa física subjacent, per exemple, un model de banda base equivalent de valors complexos de modulació i resposta de freqüència
• Model de propagació de radiofreqüència, per exemple
  • Model de pèrdua de trajectòria de distància logarítmica
  • Model d'esvaïment, per exemple esvaïment de Rayleigh, esvaïment de Rice, esvaïment d'ombra log-normal i esvaïment selectiu en freqüència (dispersiu)
  • Model de desplaçament Doppler, que combinat amb l'esvaïment dóna com a resultat un sistema variant en el temps
  • Models de traçat de raigs, que intenten modelar la propagació del senyal i les distorsions per a geometries de transmissor-receptor, tipus de terreny i antenes especificades.
  • El gràfic de propagació modela la dispersió del senyal representant l'entorn de propagació de ràdio mitjançant un gràfic.
  • Models de mobilitat, que també provoquen un sistema variant en el temps

Canals multiterminals, amb aplicació a sistemes cel·lulars

A les xarxes, a diferència de la comunicació punt a punt, els mitjans de comunicació es poden compartir entre múltiples punts finals de comunicació (terminals). Depenent del tipus de comunicació, diferents terminals poden cooperar o interferir entre si. En general, qualsevol xarxa complexa de múltiples terminals es pot considerar com una combinació de canals de múltiples terminals simplificats. Els següents canals són els principals canals de múltiples terminals introduïts per primera vegada en el camp de la teoria de la informació. :

• Un canal punt a multipunt, també conegut com a mitjà de difusió (no s'ha de confondre amb el canal de difusió): en aquest canal, un sol emissor transmet diversos missatges a diferents nodes de destinació. Tots els canals sense fil, excepte els enllaços direccionals, es poden considerar com a mitjans de difusió, però no sempre proporcionen servei de difusió. L'enllaç descendent d'un sistema cel·lular es pot considerar com un canal punt a multipunt si només es considera una cel·la i es negligeix la interferència de cocanal entre cel·les. Tanmateix, el servei de comunicació d'una trucada telefònica és unicasting.
• Canal d'accés múltiple: en aquest canal, diversos emissors transmeten diversos missatges diferents possibles a través d'un medi físic compartit a un o diversos nodes de destinació. Això requereix un esquema d'accés al canal, que inclogui un protocol de control d'accés al medi (MAC) combinat amb un esquema de multiplexació. Aquest model de canal té aplicacions en l'enllaç ascendent de les xarxes cel·lulars.
• Canal de relé: En aquest canal, un o diversos nodes intermedis (anomenats nodes de relé, repetidor o de farciment de buits) cooperen amb un emissor per enviar el missatge a un node de destinació final.
• Canal d'interferència: En aquest canal, dos emissors diferents transmeten les seves dades a nodes de destinació diferents. Per tant, els diferents emissors poden tenir una possible interferència de diafonia o cocanal en el senyal de l'altre. La interferència entre cel·les en les comunicacions sense fil cel·lulars és un exemple d'un canal d'interferència. En sistemes d'espectre expandit com el 3G, la interferència també es produeix dins de la cel·la si s'utilitzen codis no ortogonals.
• Un canal unicast és un canal que proporciona un servei unicast, és a dir, que envia dades adreçades a un usuari específic. Una trucada telefònica establerta n'és un exemple.
• Un canal de difusió és un canal que proporciona un servei de difusió, és a dir, que envia dades adreçades a tots els usuaris de la xarxa. Exemples de xarxes cel·lulars són el servei de paginació, així com el servei de multidifusió de difusió multimèdia.
• Un canal de multidifusió és un canal on les dades s'adrecen a un grup d'usuaris subscriptors. Exemples d'LTE són el canal de multidifusió físic (PMCH) i la xarxa de freqüència única de difusió de multidifusió (MBSFN).

Tipus

• Canal digital (discret) o analògic ( continu)
• Medi de transmissió, per exemple un cable de fibra òptica
• Canal multiplexat
• Canal virtual de xarxa informàtica
• Canal de comunicació simplex, comunicació dúplex o semidúplex
• Canal de retorn
• Enllaç ascendent o enllaç descendent (canal aigües amunt o aigües avall)
• Canal de difusió, canal unicast o canal multicast