Canal de comunicación

Un canal de comunicación se refiere a un medio de transmisión físico, como un cable, o a una conexión lógica a través de un medio multiplexado, como un canal de radio en telecomunicaciones y redes informáticas. Un canal se utiliza para transmitir una señal de información, por ejemplo, un flujo de bits digital, desde uno o varios emisores (o transmisores) a uno o varios receptores. Un canal tiene cierta capacidad para transmitir información, a menudo medida por su ancho de banda en Hz o su tasa de datos en bits por segundo.

La comunicación de una señal de información en el espacio requiere algún tipo de vía o medio. Estas vías, denominadas canales de comunicación, utilizan dos tipos de medios: cable (cable de par trenzado, cable y cable de fibra óptica) y transmisión (microondas, satélite, radio e infrarrojos). Los medios de comunicación por cable o alámbricos utilizan hilos físicos de cables para transmitir datos e información. El cable de par trenzado y los cables coaxiales están hechos de cobre y el cable de fibra óptica está hecho de vidrio.

En la teoría de la información, un canal se refiere a un modelo de canal teórico con ciertas características de error. En esta visión más general, un dispositivo de almacenamiento es también un canal de comunicación, que puede ser enviado (escrito) y recibido (lectura) y permite comunicar una señal de información a lo largo del tiempo.

Ejemplos

Ejemplos de canales de comunicación incluyen:

1. Una conexión entre los puntos finales de comunicación de inicio y terminación de un circuito de telecomunicaciones.
2. Una ruta única proporcionada por un medio de transmisión a través de
   • separación física, como por cable multipar o
   • separación eléctrica, como por división de frecuencia o multiplexación por división de tiempo.
3. Un camino para transportar señales eléctricas o electromagnéticas, usualmente distinguido de otros caminos paralelos.
   • Un almacenamiento que puede comunicar un mensaje a lo largo del tiempo.
   • La porción de un medio de almacenamiento, como una pista o banda, que es accesible a una determinada estación o cabezal de lectura o escritura.
   • Un búfer desde el que se pueden "poner" y "obtener" mensajes. Consulte Cálculos de modelo y proceso de actor para obtener información sobre el uso de canales.
4. En un sistema de comunicaciones, el enlace físico o lógico que conecta una fuente de datos a un sumidero de datos.
5. Una frecuencia de radio específica, par o banda de frecuencias, generalmente nombrada con una letra, número o palabra clave, y a menudo asignada por acuerdo internacional.Ejemplos:
   • La radio marina VHF utiliza unos 88 canales en la banda VHF para la comunicación de voz FM bidireccional. El canal 16, por ejemplo, es de 156.800 MHz. En los EE. UU., se asignan siete canales adicionales, WX1 - WX7, para transmisiones meteorológicas.
   • Canales de televisión como North American TV Canal 2 = 55,25 MHz, Canal 13 = 211,25 MHz. Cada canal tiene 6 MHz de ancho. Esto se basó en el ancho de banda requerido por las señales de televisión analógicas más antiguas. Desde 2006, la transmisión de televisión ha cambiado a la modulación digital (televisión digital), que utiliza la compresión de imágenes para transmitir una señal de televisión en un ancho de banda mucho más pequeño, por lo que cada uno de estos "canales físicos" se ha dividido en múltiples "canales virtuales", cada uno de los cuales transporta un canal DTV..
   • Wi-Fi utiliza 13 canales de 2412 MHz a 2484 MHz en pasos de 5 MHz, en las bandas ISM.
   • El canal de radio entre un repetidor de radioaficionado y un radioaficionado utiliza dos frecuencias a menudo separadas por 600 kHz (0,6 MHz). Por ejemplo, un repetidor que transmite en 146,94 MHz normalmente escucha a un radioaficionado que transmite en 146,34 MHz.

Todos estos canales de comunicación comparten la propiedad de transferir información. La información es transportada a través del canal por una señal.

Modelos de canal

Se pueden hacer modelos matemáticos del canal para describir cómo la entrada (la señal transmitida) se asigna a la salida (la señal recibida). Existen muchos tipos y usos de modelos de canales específicos para el campo de la comunicación. En particular, se formulan modelos separados para describir cada capa de un sistema de comunicación.

Un canal puede modelarse físicamente intentando calcular los procesos físicos que modifican la señal transmitida. Por ejemplo, en comunicaciones inalámbricas, el canal se puede modelar calculando el reflejo de cada objeto en el entorno. También se puede agregar una secuencia de números aleatorios para simular interferencias externas y/o ruido electrónico en el receptor.

Estadísticamente, un canal de comunicación generalmente se modela como un triple que consta de un alfabeto de entrada, un alfabeto de salida y para cada par (i, o) de elementos de entrada y salida una probabilidad de transición p (i, o). Semánticamente, la probabilidad de transición es la probabilidad de que se reciba el símbolo o dado que i se transmitió por el canal.

Se pueden combinar modelos estadísticos y físicos. Por ejemplo, en las comunicaciones inalámbricas, el canal suele modelarse mediante una atenuación aleatoria (conocida como desvanecimiento) de la señal transmitida, seguida de ruido aditivo. El término de atenuación es una simplificación de los procesos físicos subyacentes y captura el cambio en la potencia de la señal en el transcurso de la transmisión. El ruido en el modelo captura la interferencia externa y/o el ruido electrónico en el receptor. Si el término de atenuación es complejo, también describe el tiempo relativo que tarda una señal en atravesar el canal. Las propiedades estadísticas de la atenuación aleatoria se deciden mediante mediciones previas o simulaciones físicas.

Los modelos de canal pueden ser modelos de canal continuo en el sentido de que no hay límite en cuanto a la precisión con la que se pueden definir sus valores.

Los canales de comunicación también se estudian en un entorno de alfabeto discreto. Esto corresponde a abstraer un sistema de comunicación del mundo real en el que los bloques analógico → digital y digital → analógico están fuera del control del diseñador. El modelo matemático consta de una probabilidad de transición que especifica una distribución de salida para cada secuencia posible de entradas de canal. En la teoría de la información, es común comenzar con canales sin memoria en los que la distribución de probabilidad de salida solo depende de la entrada del canal actual.

Un modelo de canal puede ser digital (cuantificado, por ejemplo, binario) o analógico.

Modelos de canales digitales

En un modelo de canal digital, el mensaje transmitido se modela como una señal digital en una determinada capa de protocolo. Las capas de protocolo subyacentes, como la técnica de transmisión de la capa física, se reemplazan por un modelo simplificado. El modelo puede reflejar medidas de rendimiento del canal, como velocidad de bits, errores de bits, latencia/retardo, fluctuación de retardo, etc. Ejemplos de modelos de canales digitales son:

• Canal simétrico binario (BSC), un canal discreto sin memoria con una cierta probabilidad de error de bit
• Modelo de canal de error de bit de ráfaga binaria, un canal "con memoria"
• Canal de borrado binario (BEC), un canal discreto con una cierta probabilidad de detección (borrado) de error de bit
• Canal de borrado de paquetes, donde los paquetes se pierden con una determinada probabilidad de pérdida de paquetes o tasa de errores de paquetes
• Canal de variación arbitraria (AVC), donde el comportamiento y el estado del canal pueden cambiar aleatoriamente
• Canal Z (teoría de la información) (canal asimétrico binario), donde cada bit 0 se transmite correctamente, pero cada bit 1 tiene una probabilidad p de transmitirse incorrectamente como un 0.

Modelos de canales analógicos

En un modelo de canal analógico, el mensaje transmitido se modela como una señal analógica. El modelo puede ser lineal o no lineal, continuo en el tiempo o discreto en el tiempo (muestreado), sin memoria o dinámico (que da como resultado errores de ráfaga), invariante en el tiempo o variable en el tiempo (que también da como resultado errores de ráfaga), banda base, banda de paso (Modelo de señal de RF), modelo de señal de valor real o de valor complejo. El modelo puede reflejar las siguientes degradaciones de canal:

• Modelo de ruido, por ejemplo
  • Canal de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN), un modelo continuo lineal sin memoria
  • Modelo de ruido de fase
• Modelo de interferencia, por ejemplo diafonía (interferencia cocanal) e interferencia entre símbolos (ISI)
• Modelo de distorsión, por ejemplo, un modelo de canal no lineal que causa distorsión de intermodulación (IMD)
• Modelo de respuesta de frecuencia, incluida la atenuación y el cambio de fase
• Modelo de retraso de grupo
• Modelado de técnicas de transmisión de capa física subyacentes, por ejemplo, un modelo de banda base equivalente de valor complejo de modulación y respuesta de frecuencia
• Modelo de propagación de radiofrecuencia, por ejemplo
  • Modelo de pérdida de ruta de distancia logarítmica
  • Modelo de desvanecimiento, por ejemplo, desvanecimiento de Rayleigh, desvanecimiento de Ricean, desvanecimiento de sombra log-normal y desvanecimiento selectivo de frecuencia (dispersivo)
  • Modelo de cambio Doppler, que combinado con el desvanecimiento da como resultado un sistema variable en el tiempo
  • Modelos de trazado de rayos, que intentan modelar la propagación de la señal y las distorsiones para geometrías de transmisor-receptor, tipos de terreno y antenas específicos
  • Gráfico de propagación, modela la dispersión de la señal al representar el entorno de propagación de radio mediante un gráfico.
  • Modelos de movilidad, lo que también provoca un sistema variante en el tiempo

Tipos

• Canal digital (discreto) o analógico (continuo)
• Medio de transmisión, por ejemplo, un canal de fibra
• canal multiplexado
• Canal virtual de la red informática
• Comunicación simplex, comunicación dúplex o canal de comunicación semidúplex
• Canal de retorno
• Enlace ascendente o descendente (canal ascendente o descendente)
• Canal de difusión, canal de unidifusión o canal de multidifusión

Medidas de rendimiento del canal

Estos son ejemplos de medidas de rendimiento y capacidad de canal comúnmente utilizadas:

• Ancho de banda espectral en Hertz
• Tasa de símbolos en baudios, pulsos/s o símbolos/s
• Medidas de bit/s de ancho de banda digital: tasa de bits bruta (tasa de señalización), tasa de bits neta (tasa de información), capacidad del canal y rendimiento máximo
• Utilización del canal
• Eficiencia espectral de enlace
• Medidas de la relación señal/ruido: relación señal/interferencia, Eb/No, relación portadora/interferencia en decibelios
• Tasa de error de bit (BER), tasa de error de paquete (PER)
• Latencia en segundos: tiempo de propagación, tiempo de transmisión
• fluctuación de retardo

Canales multiterminal, con aplicación a sistemas celulares

Véase también topología de red

En las redes, a diferencia de la comunicación punto a punto, los medios de comunicación se comparten entre múltiples puntos finales de comunicación (terminales). Dependiendo del tipo de comunicación, diferentes terminales pueden cooperar o interferir entre sí. En general, cualquier red multiterminal compleja puede considerarse como una combinación de canales multiterminal simplificados. Los siguientes canales son los principales canales multiterminal que se introdujeron por primera vez en el campo de la teoría de la información:

• Un canal punto a multipunto, también conocido como medio de transmisión (que no debe confundirse con el canal de transmisión): en este canal, un solo remitente transmite múltiples mensajes a diferentes nodos de destino. Todos los canales inalámbricos, excepto los enlaces de radio, pueden considerarse medios de transmisión, pero es posible que no siempre brinden el servicio de transmisión. El enlace descendente de un sistema celular se puede considerar como un canal punto a multipunto, si solo se considera una celda y se desprecia la interferencia cocanal entre celdas. Sin embargo, el servicio de comunicación de una llamada telefónica es unidifusión.
• Canal de acceso múltiple: en este canal, múltiples remitentes transmiten múltiples mensajes diferentes posibles sobre un medio físico compartido a uno o varios nodos de destino. Esto requiere un esquema de acceso al canal, incluido un protocolo de control de acceso a medios (MAC) combinado con un esquema de multiplexación. Este modelo de canal tiene aplicaciones en el uplink de las redes celulares.
• Canal de retransmisión: en este canal, uno o varios nodos intermedios (llamados nodos de retransmisión, repetidores o gapfiller) cooperan con un remitente para enviar el mensaje a un nodo de destino final. Los nodos de retransmisión se consideran un posible complemento en los próximos estándares celulares como 3GPP Long Term Evolution (LTE).
• Canal de interferencia: En este canal, dos emisores diferentes transmiten sus datos a diferentes nodos de destino. Por lo tanto, los diferentes emisores pueden tener una posible diafonía o interferencia cocanal en la señal de cada uno. La interferencia entre celdas en las comunicaciones celulares inalámbricas es un ejemplo del canal de interferencia. En sistemas de espectro ensanchado como 3G, la interferencia también ocurre dentro de la celda si se utilizan códigos no ortogonales.
• Un canal unicast es un canal que proporciona un servicio unicast, es decir, que envía datos dirigidos a un usuario específico. Una llamada telefónica establecida es un ejemplo.
• Un canal de difusión es un canal que proporciona un servicio de difusión, es decir, que envía datos dirigidos a todos los usuarios de la red. Ejemplos de redes celulares son el servicio de buscapersonas, así como el servicio de multidifusión de difusión multimedia.
• Un canal de multidifusión es un canal en el que los datos se envían a un grupo de usuarios suscritos. Los ejemplos de LTE son el canal de multidifusión físico (PMCH) y la red de frecuencia única de transmisión de multidifusión (MBSFN).

De los 4 canales multiterminal básicos anteriores, el canal de acceso múltiple es el único cuya región de capacidad se conoce. Incluso para el caso especial del escenario gaussiano, la región de capacidad de los otros 3 canales, excepto el canal de transmisión, se desconoce en general.