قناة اتصال

تشير قناة الاتصال إما إلى وسيط نقل مادي كالسلك، أو إلى اتصال منطقي عبر وسيط متعدد الإرسال كقناة الراديو في الاتصالات السلكية واللاسلكية وشبكات الحاسوب . تُستخدم القناة لنقل المعلومات ، كتدفق البتات الرقمية مثلاً ، من مُرسِل واحد أو عدة مُرسِلين إلى مُستقبِل واحد أو عدة مُستقبِلين . تتمتع القناة بسعة معينة لنقل المعلومات، تُقاس عادةً بعرض نطاقها الترددي بالهرتز أو معدل نقل البيانات بالبتات في الثانية .

يتطلب نقل إشارة معلومات عبر مسافة معينة شكلاً من أشكال المسار أو الوسيلة. تستخدم هذه المسارات، التي تسمى قنوات الاتصال، نوعين من الوسائط: كابلات الاتصالات السلكية واللاسلكية القائمة على خطوط النقل (مثل الكابلات المجدولة والمحورية والألياف الضوئية ) والبث ( مثل الميكروويف والأقمار الصناعية والراديو والأشعة تحت الحمراء ) .

في نظرية المعلومات ، تشير القناة إلى نموذج قناة نظري ذي خصائص خطأ محددة. وفي هذا المنظور الأعم، يُعد جهاز التخزين أيضًا قناة اتصال، حيث يمكن إرسال البيانات إليه (كتابتها) واستقبالها منه (قراءتها)، مما يسمح بنقل إشارة المعلومات عبر الزمن.

ومن أمثلة قنوات الاتصال ما يلي:

1. اتصال بين نقاط بدء وإنهاء الاتصال في دائرة الاتصالات السلكية واللاسلكية .
2. مسار واحد توفره وسيلة نقل عبر إما
   • الفصل المادي، مثلاً بواسطة كابل متعدد الأزواج أو
   • الفصل، مثل تقسيم التردد أو تقسيم الوقت .
3. مسار لنقل الإشارات الكهربائية أو الكهرومغناطيسية، وعادة ما يتم تمييزه عن المسارات المتوازية الأخرى.
   • جهاز تخزين بيانات يمكنه نقل رسالة عبر الزمن. ^{[ 1 ]}
   • الجزء من وسيط التخزين، مثل المسار أو الشريط، الذي يمكن الوصول إليه من محطة أو رأس قراءة أو كتابة معينة.
   • مخزن مؤقت يمكن من خلاله وضع الرسائل واستلامها .
4. في نظام الاتصالات ، الرابط المادي أو المنطقي الذي يربط مصدر البيانات بمستقبل البيانات.
5. تردد راديوي محدد ، أو زوج من الترددات، أو نطاق من الترددات، يُسمى عادةً بحرف أو رقم أو كلمة رمزية، وغالبًا ما يتم تخصيصه بموجب اتفاقية دولية، على سبيل المثال:
   • يستخدم راديو VHF البحري حوالي 88 قناة في نطاق VHF للاتصالات الصوتية ثنائية الاتجاه بتقنية FM. على سبيل المثال، القناة 16  ترددها 156.800 ميجاهرتز. وفي الولايات المتحدة، تُخصص سبع قنوات إضافية، من WX1 إلى WX7، لبثّ النشرات الجوية.
   • قنوات تلفزيونية مثل قناة أمريكا الشمالية الثانية بتردد 55.25  ميجاهرتز، والقناة 13 بتردد 211.25  ميجاهرتز. يبلغ عرض كل قناة 6  ميجاهرتز. استند هذا إلى عرض النطاق الترددي المطلوب لإشارات التلفزيون التناظرية . منذ عام 2006، تحول البث التلفزيوني إلى التضمين الرقمي ( التلفزيون الرقمي ) الذي يستخدم ضغط الصورة لنقل إشارة التلفزيون في نطاق ترددي أصغر بكثير، ولذلك تم تقسيم كل قناة من هذه القنوات المادية إلى قنوات افتراضية متعددة ، تحمل كل منها قناة تلفزيون رقمي.
   • تستخدم تقنية Wi-Fi الأصلية 13 قناة في نطاقات ISM من 2412  ميجاهرتز إلى 2484  ميجاهرتز بخطوات 5  ميجاهرتز.
   • تستخدم قناة الاتصال اللاسلكي بين جهاز إعادة إرسال لاسلكي للهواة ومشغل لاسلكي هاوٍ ترددين يفصل بينهما عادةً 600  كيلوهرتز (0.6  ميجاهرتز). على سبيل المثال، يستمع جهاز إعادة الإرسال الذي يبث على تردد 146.94  ميجاهرتز عادةً إلى جهاز لاسلكي هاوٍ يبث على تردد 146.34  ميجاهرتز.

تشترك جميع قنوات الاتصال هذه في خاصية نقل المعلومات. وتُحمل المعلومات عبر القناة بواسطة إشارة .

يمكن وضع نماذج رياضية للقناة لوصف كيفية تحويل الإشارة المُدخلة (الإشارة المُرسلة) إلى الإشارة المُستقبلة (الإشارة المُخرجة). وتوجد أنواع واستخدامات عديدة لنماذج القنوات خاصة بمجال الاتصالات. وعلى وجه الخصوص، تُصاغ نماذج منفصلة لوصف كل طبقة من طبقات نظام الاتصالات.

يمكن نمذجة القناة فيزيائيًا من خلال محاولة حساب العمليات الفيزيائية التي تُعدّل الإشارة المرسلة. على سبيل المثال، في الاتصالات اللاسلكية، يمكن نمذجة القناة بحساب الانعكاس من كل جسم في البيئة. كما يمكن إضافة سلسلة من الأرقام العشوائية لمحاكاة التداخل الخارجي أو الضوضاء الإلكترونية في جهاز الاستقبال.

إحصائياً، تُنمذج قناة الاتصال عادةً على شكل مجموعة تتكون من أبجدية إدخال، وأبجدية إخراج، ولكل زوج (i, o) من عناصر الإدخال والإخراج، احتمال انتقال p(i, o) . دلالياً، احتمال الانتقال هو احتمال استقبال الرمز o بشرط إرسال الرمز i عبر القناة.

يمكن دمج النمذجة الإحصائية والفيزيائية. على سبيل المثال، في الاتصالات اللاسلكية، غالبًا ما تُنمذج القناة بتوهين عشوائي (يُعرف بالتلاشي ) للإشارة المرسلة، متبوعًا بضوضاء مضافة. يُعدّ مصطلح التوهين تبسيطًا للعمليات الفيزيائية الأساسية، ويُجسّد التغير في قدرة الإشارة خلال عملية الإرسال. أما الضوضاء في النموذج، فتُجسّد التداخل الخارجي أو الضوضاء الإلكترونية في جهاز الاستقبال. إذا كان مصطلح التوهين مُركبًا ، فإنه يصف أيضًا الزمن النسبي الذي تستغرقه الإشارة لعبور القناة. تُحدد الخصائص الإحصائية للتوهين في النموذج من خلال قياسات سابقة أو محاكاة فيزيائية.

تُدرس قنوات الاتصال أيضًا في أنظمة تعديل الأبجدية المنفصلة . يتألف النموذج الرياضي من احتمالية انتقال تحدد توزيع المخرجات لكل تسلسل ممكن من مدخلات القناة. في نظرية المعلومات ، من الشائع البدء بقنوات عديمة الذاكرة، حيث يعتمد توزيع احتمالية المخرجات فقط على مدخلات القناة الحالية.

قد يكون نموذج القناة رقميًا أو تناظريًا.

• قناة رقمية ( منفصلة ) أو تناظرية ( مستمرة )
• وسيط النقل ، على سبيل المثال كابل الألياف الضوئية
• قناة متعددة الإرسال
• قناة افتراضية لشبكة الحاسوب
• قناة اتصال أحادية الاتجاه ، أو قناة اتصال ثنائية الاتجاه ، أو قناة اتصال نصف ثنائية الاتجاه
• قناة الإرجاع
• الوصلة الصاعدة أو الوصلة الهابطة ( قناة الإرسال أو قناة الاستقبال )
• قناة البث ، أو قناة البث الأحادي، أو قناة البث المتعدد

هذه أمثلة على مقاييس سعة القناة وأدائها الشائعة الاستخدام:

• عرض النطاق الطيفي بالهرتز
• معدل الرموز بالباود ، رمز/ ثانية
• يقيس عرض النطاق الترددي الرقمي بالبت/ثانية ما يلي: معدل البت الإجمالي (معدل الإشارة)، ومعدل البت الصافي (معدل المعلومات)، وسعة القناة، والإنتاجية القصوى
• استخدام القنوات
• الكفاءة الطيفية
• نسبة الإشارة إلى الضوضاء بوحدة الديسيبل : نسبة الإشارة إلى التداخل ، E _b /N ₀
• معدل خطأ البت (BER)، معدل خطأ الحزمة (PER)
• زمن الاستجابة بالثواني : زمن الانتشار ، زمن الإرسال ، زمن التأخير ذهابًا وإيابًا ، زمن التأخير من البداية إلى النهاية
• تباين تأخير الحزمة
• نمط العين

في الشبكات، على عكس الاتصال المباشر بين نقطتين ، يمكن مشاركة وسائط الاتصال بين نقاط اتصال متعددة (أجهزة طرفية). وبحسب نوع الاتصال، قد تتعاون الأجهزة الطرفية المختلفة أو تتداخل فيما بينها. وبشكل عام، يمكن اعتبار أي شبكة معقدة متعددة الأجهزة الطرفية بمثابة مجموعة من قنوات متعددة الأجهزة الطرفية مبسطة. وفيما يلي القنوات الرئيسية متعددة الأجهزة الطرفية التي طُرحت لأول مرة في مجال نظرية المعلومات :

• قناة من نقطة إلى عدة نقاط ، تُعرف أيضًا بوسيط البث (لا تُخلط بينها وبين قناة البث ): في هذه القناة، يُرسل مُرسِل واحد رسائل متعددة إلى عُقد وجهة مختلفة. يُمكن اعتبار جميع القنوات اللاسلكية، باستثناء الروابط الاتجاهية، وسائط بث، ولكنها قد لا تُوفر خدمة البث دائمًا. يُمكن اعتبار وصلة الهبوط لنظام خلوي قناة من نقطة إلى عدة نقاط، إذا اقتصر الأمر على خلية واحدة فقط مع إهمال التداخل بين الخلايا في نفس القناة. مع ذلك، فإن خدمة الاتصال في المكالمات الهاتفية أحادية البث .
• قناة الوصول المتعدد : في هذه القناة، يرسل عدة مرسلين رسائل متعددة ومختلفة عبر وسيط مادي مشترك إلى عقدة وجهة واحدة أو أكثر. يتطلب ذلك آلية وصول للقناة ، تشمل بروتوكول التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) مقترنًا بآلية تعدد الإرسال . يُستخدم هذا النموذج من القنوات في وصلة الإرسال الصاعدة لشبكات الهاتف المحمول.
• قناة الترحيل : في هذه القناة، تتعاون عقدة وسيطة واحدة أو عدة عقد (تسمى عقد الترحيل أو المكرر أو عقد ملء الفجوة ) مع المرسل لإرسال الرسالة إلى عقدة الوجهة النهائية.
• قناة التداخل : في هذه القناة، يرسل مُرسِلان مختلفان بياناتهما إلى عقد وجهة مختلفة. وبالتالي، قد يحدث تداخل بين إشارات المُرسِلين أو تداخل في القناة نفسها. يُعدّ التداخل بين الخلايا في الاتصالات اللاسلكية الخلوية مثالًا على قناة التداخل. في أنظمة الطيف المنتشر مثل الجيل الثالث، يحدث التداخل أيضًا داخل الخلية عند استخدام رموز غير متعامدة.
• قناة البث الأحادي هي قناة توفر خدمة بث أحادي، أي أنها ترسل بيانات موجهة إلى مستخدم محدد. وتُعد المكالمة الهاتفية القائمة مثالاً على ذلك.
• قناة البث هي قناة توفر خدمة البث، أي أنها ترسل بيانات موجهة إلى جميع المستخدمين في الشبكة. ومن أمثلة شبكات الهاتف المحمول خدمة النداء وخدمة البث المتعدد للوسائط المتعددة .
• قناة البث المتعدد هي قناة يتم من خلالها توجيه البيانات إلى مجموعة من المستخدمين المشتركين. ومن أمثلة LTE قناة البث المتعدد المادية (PMCH) وشبكة البث المتعدد أحادية التردد (MBSFN).