Canal de comunicación

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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 la transferencia de información , por ejemplo, un flujo de bits digitales , desde uno o varios emisores a uno o varios receptores . Un canal tiene una cierta capacidad para transmitir información, a menudo medida por su ancho de banda en Hz o su velocidad de datos en bits por segundo .

Para comunicar una señal de información a distancia se necesita algún tipo de vía o medio. Estas vías, llamadas canales de comunicación, utilizan dos tipos de medios: cables de telecomunicaciones basados ​​en líneas de transmisión (por ejemplo, par trenzado , coaxial y fibra óptica ) y transmisión (por ejemplo , microondas , satélite , radio e infrarrojos ).

En teoría de la información , un canal se refiere a un modelo teórico de canal con ciertas características de error. En esta visión más general, un dispositivo de almacenamiento también es un canal de comunicación, que puede enviarse (escribirse) y recibirse (leer) y permite la comunicación de una señal de información a través del tiempo.

Algunos ejemplos de canales de comunicación incluyen:

1. Una conexión entre los puntos finales de inicio y finalización de la comunicación de un circuito de telecomunicaciones .
2. Una ruta única proporcionada por un medio de transmisión a través de cualquiera de los siguientes:
   • separación física, como por ejemplo mediante un cable multipar o
   • separación, como por ejemplo mediante multiplexación por división de frecuencia o por división de tiempo .
3. Un camino para transmitir señales eléctricas o electromagnéticas, generalmente diferenciado de otros caminos paralelos.
   • Un dispositivo de almacenamiento de datos que puede comunicar un mensaje a lo largo del tiempo. ^[1]
   • La parte de un medio de almacenamiento, como una pista o banda, a la que puede acceder una estación o cabezal de lectura o escritura determinado.
   • Un búfer desde el que se pueden colocar y recibir mensajes .
4. En un sistema de comunicaciones , el enlace físico o lógico que conecta una fuente de datos con un receptor de datos.
5. Una frecuencia de radio específica , un par o una banda de frecuencias, generalmente denominada con una letra, un número o una palabra clave, y a menudo asignada mediante un acuerdo internacional, por ejemplo:
   • La radio VHF marina utiliza unos 88 canales en la banda VHF para la comunicación de voz bidireccional en FM. El canal 16 , por ejemplo, es de 156,800 MHz. En los EE. UU., se asignan siete canales adicionales, WX1 a WX7, para transmisiones meteorológicas.
   • Canales de televisión como el Canal 2 de North American TV a 55,25 MHz, el Canal 13 a 211,25 MHz. Cada canal tiene un ancho de 6 MHz. Esto se basaba en el ancho de banda requerido por las señales de televisión analógica . 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 menor, por lo que cada uno de estos canales físicos se ha dividido en múltiples canales virtuales, cada uno de los cuales transporta un canal de DTV.
   • El Wi-Fi original utiliza 13 canales en las bandas ISM de 2412 MHz a 2484 MHz en pasos de 5 MHz.
   • El canal de radio entre un repetidor de radioaficionado y un operador de radioaficionado utiliza dos frecuencias que suelen estar 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 se transmite a través del canal mediante una señal .

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

Se puede modelar físicamente un canal intentando calcular los procesos físicos que modifican la señal transmitida. Por ejemplo, en las comunicaciones inalámbricas, el canal se puede modelar calculando la reflexión de cada objeto del entorno. También se puede añadir una secuencia de números aleatorios para simular interferencias externas o ruido electrónico en el receptor.

Estadísticamente, un canal de comunicación suele modelarse como una tupla 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 los 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 a lo largo de la transmisión. El ruido en el modelo captura la interferencia externa 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 en el modelo se determinan mediante mediciones previas o simulaciones físicas.

Los canales de comunicación también se estudian en esquemas de modulación de alfabeto discreto . El modelo matemático consiste en una probabilidad de transición que especifica una distribución de salida para cada posible secuencia de entradas del canal. En 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 o analógico.

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 se reemplazan por un modelo simplificado. El modelo puede reflejar medidas de rendimiento del canal, como velocidad de bits , errores de bits , retardo , variación del retardo , etc. Algunos ejemplos de modelos de canal digital incluyen:

• Canal simétrico binario (BSC), un canal discreto sin memoria con una cierta probabilidad de error de bit
• Canal binario asimétrico (BAC), similar al BSC pero la probabilidad de un cambio de 0 a 1 y viceversa es desigual
• Modelo de canal de error de bit binario en ráfaga , un canal con memoria
• Canal de borrado binario (BEC), un canal discreto con una determinada probabilidad de detección de errores de bits (borrado)
• Canal de borrado de paquetes , donde los paquetes se pierden con una determinada probabilidad de pérdida de paquetes o tasa de error de paquetes
• Canal de variación arbitraria (AVC), donde el comportamiento y el estado del canal pueden cambiar aleatoriamente

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 (lo que da lugar a errores de ráfaga ), invariante en el tiempo o variable en el tiempo (lo que también da lugar a errores de ráfaga), de banda base , de banda de paso (modelo de señal de RF), de valor real o de valor complejo . El modelo puede reflejar las siguientes deficiencias del canal:

• Modelo de ruido , por ejemplo
  • Canal de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN), un modelo lineal continuo sin memoria
  • Modelo de ruido de fase
• Modelo de interferencia , por ejemplo, interferencia cruzada ( 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 , incluyendo atenuación y cambio de fase
• Modelo de retardo 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 trayectoria de distancia logarítmica
  • Modelo de desvanecimiento , por ejemplo, desvanecimiento de Rayleigh , desvanecimiento de Rice , desvanecimiento de sombra log-normal y desvanecimiento selectivo de frecuencia (dispersivo)
  • Modelo de desplazamiento 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 específicas.
  • Gráfico de propagación : modela la dispersión de la señal representando el entorno de propagación de radio mediante un gráfico.
  • Modelos de movilidad , que también provocan un sistema variable en el tiempo.

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

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

• Ancho de banda espectral en hercios
• Velocidad de símbolos en baudios , símbolos/s
• El ancho de banda digital en bits/s mide: 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
• Relación señal-ruido en medidas de decibelios : relación señal-interferencia , E _b /N ₀
• Tasa de error de bits (BER), tasa de error de paquetes (PER)
• Latencia en segundos : tiempo de propagación , tiempo de transmisión , retardo de ida y vuelta , retardo de extremo a extremo
• Variación del retardo de paquetes
• Patrón de ojos

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En las redes, a diferencia de la comunicación punto a punto , los medios de comunicación pueden ser compartidos entre múltiples puntos finales de comunicación (terminales). Dependiendo del tipo de comunicación, diferentes terminales pueden cooperar o interferir entre sí. En general, cualquier red compleja de múltiples terminales puede considerarse como una combinación de canales multiterminal simplificados. Los siguientes canales son los principales canales multiterminal introducidos por primera vez en el campo de la teoría de la información ^{[ cita requerida ]} :

• Canal punto a multipunto , también conocido como medio de difusión (que no debe confundirse con canal de difusión): en este canal, un único emisor transmite múltiples mensajes a diferentes nodos de destino. Todos los canales inalámbricos, excepto los enlaces direccionales, pueden considerarse medios de difusión, pero no siempre pueden proporcionar un servicio de difusión. El enlace descendente de un sistema celular puede considerarse un canal punto a multipunto, si solo se considera una celda y se descuida la interferencia entre canales. Sin embargo, el servicio de comunicación de una llamada telefónica es unidifusión .
• Canal de acceso múltiple : en este canal, varios emisores transmiten múltiples mensajes posibles diferentes a través de un medio físico compartido a uno o varios nodos de destino. Esto requiere un esquema de acceso al canal , que incluye un protocolo de control de acceso al medio (MAC) combinado con un esquema de multiplexación . Este modelo de canal tiene aplicaciones en el enlace ascendente de redes celulares.
• Canal de retransmisión : en este canal, uno o varios nodos intermedios (llamados nodos de retransmisión, repetidores o de relleno de huecos ) cooperan con un remitente para enviar el mensaje a un nodo de destino final.
• Canal de interferencia : en este canal, dos emisores diferentes transmiten sus datos a nodos de destino diferentes. 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 inalámbricas celulares es un ejemplo de 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 búsqueda de personas , así como el Servicio de Multidifusión de Difusión Multimedia .
• Un canal de multidifusión es un canal en el que se envían datos a un grupo de usuarios suscriptores. Algunos ejemplos de LTE son el canal físico de multidifusión (PMCH) y la red de frecuencia única de transmisión de multidifusión (MBSFN).