Сайт о телевидении

Существует множество факторов, способных исказить или повредить сигнал. Наиболее распространенные из них – помехи или шумы, представляющие собой любой нежелательный сигнал, который смешивается с сигналом, предназначенным для передачи или приема, и искажает его. Для цифровых данных возникает вопрос: насколько эти искажения ограничивают возможную скорость передачи данных. Максимально возможная при определенных условиях скорость, при которой информация может передаваться по конкретному тракту связи, или каналу, называется пропускной способностью канала.

Существуют четыре понятия, которые мы попытаемся связать воедино.

Скорость передачи данных – скорость в битах в се к у нду (бит / с), с которой мо г у т

передаваться данны е;

Ширина полосы – ширина полосы передаваемого сигнал а, ограничиваемая передатчи к ом и природой передающей среды. Выраж а ется в периодах в се к унд у, или герцах (Гц).

Ш ум. Средний у рове н ь ш у м а в канале связи.

Уровень ошибок – частота появления ош и бок. Ошибкой счита е тся прием 1 п р и переданном 0 и наоборот.

Проблема, заключается в следующем: средства связи недешевы и, в общем случае, чем шире их полоса, тем дороже они стоят. Более того, все каналы передачи, представляющие практический интерес, имеют ограниченную ширину полосы. Ограничения обусловлены физическими свойствами передающей среды или преднамеренными ограничениями ширины полосы в самом передатчике, сделанными для предотвращения интерференции с другими источниками.

Естественно, нам хотелось бы максимально эффективно использовать имеющуюся полосу. Для цифровых данных это означает, что для определенной полосы желательно получить максимально возможную при существующем уровне ошибок скорость передачи данных. Главным ограничением при достижении такой эффективности являются помехи.

1. Методы доступа к среде в беспроводных сетях

Одна из основных проблем построения беспроводных систем – это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача уплотнения – выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.

Уплотнение с пространственным разделением

Основано на разделении сигналов в пространстве, когда передатчик посылает сигнал, используя код с , время t и частоту f в области s i . To есть каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.

К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга. Характерный пример – системы сотовой телефонной связи.

Уплотнение с частотным разде л ением (Frequency Division Multiplexing, FDM)

Каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории (рисунок 3.2.6). Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи.

Рисунок 3.2.6 – Принцип частотного разделения каналов

Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения - функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

Уплотнение с временным разд е лением (Time Division Multiplexing, TDM)

В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте f в области s , но в различные промежутки времени t i (как правило, циклически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи (рисунок 3.2.7).

Рисунок 3.2.7 – Принцип временного разделения каналов

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.

Основной недостаток систем с временным уплотнением – это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.

Уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM)

В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте f , в области s и во время t , но с разными кодами c i .

Именем основанного на CDM механизма разделения каналов (CDMA, CDM Access)

даже назван стандарт сотовой телефонной связи IS-95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем связи (cdma2000, WCDMA и др.).

В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ - кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика. Как правило, если для замены «1» в исходном потоке данных используют некий CDM-код, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.

Приемник знает CDM-код передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе) производит операцию свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнал с известным ему CDM-кодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция скалярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDM-кодом.

Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDM-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум.

Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов), мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума. Похожести CDM-сигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDM-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), о расширении спектра будет рассказано ниже.

Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев - и обнаружить его присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код.

Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.

Механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот (Orthogonal Frequency Div i sion Multiplexing , OFDM )

Весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N – число поднесущих, назначенных данному передатчику.

Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм не менее гибким, чем метод временного уплотнения.

Схема OFDM имеет несколько преимуществ. Во-первых, селективному замиранию будут подвержены только некоторые подканалы, а не весь сигнал. Если поток данных защищен кодом прямого исправления ошибок, то с этим замиранием легко бороться. Но что более важно, OFDM позволяет подавить межсимвольную интерференцию. Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, так как расстояние между битами (или символами) является малым.

В схеме OFDM скорость передачи данных уменьшается в N раз, что позволяет увеличить время передачи символа в N раз. Таким образом, если время передачи символа для исходного потока составляет T s , то период сигнала OFDM будет равен NT s . Это позволяет существенно снизить влияние межсимвольных помех. При проектировании системы N выбирается таким образом, чтобы величина NT s значительно превышала среднеквадратичный разброс задержек канала.

Пропускной способностью канала называют максимальное значение скорости передачи информации по этому каналу. То есть, пропускная способность характеризует потенциальные возможности передачи информации. Пропускная способность канала измеряется в битах за секунду (бит/с).

Из соотношения видно, что если бы мощность сигнала не была ограничена, то пропускная способность была бы бесконечно большой. Пропускная способность равна нулю при равенстве нулю отношения сигнал/шум Р с /Р ш. С ростом этого отношения пропускная способность неограниченно увеличивается.

Это выражение даёт верхний, физически не достижимый предел для скорости передачи информации, так как при его выводе сделана предпосылка об идеальном помехоустойчивом кодировании, требующем для своей реализации бесконечно большого времени передачи информации.

Шеннон также доказал, что сообщения всякого дискретного источника могут быть закодированы сигналами z(t) на входе канала и восстановлены по сигналам на выходе канала z"(t) с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю при H"(a)C это невозможно. Здесь H"(a) - производительность источника с заданной скоростью или производительность передатчика для управляемого источника. Следовательно, для того, чтобы система передачи дискретной информации была экономична (эффективна), необходимо согласовать источник сообщения с каналом. Поскольку производительность источника информации H"(a) бывает обычно задана, то наибольший интерес представляет два случая: H"(a)C и H"(a)

В первом случае передатчик и приёмник могут быть могут быть весьма простыми, а следовательно, и дешёвыми, так как при большом превышении пропускной способностью канала производительности источника можно ограничиться самыми простыми методами передачи (кодирование, модуляция) и приёма (решающие схемы) и получить достаточную верность. Однако, при этом используется весьма дорогой канал, так как широкая полоса частот или высокое отношение сигнал/шум обходятся дорого.

Во втором случае может быть использован более дешёвый канал с меньшей пропускной способностью, но требуются более совершенные методы передачи и приёма, т.е. более дорогие передатчик и приёмник. Из вышеизложенного следует, что должно существовать оптимальное соотношение С и H"(a), при котором суммарная стоимость системы передачи дискретной информации оказывается минимальной. При определении этого минимума следует учитывать, что, с развитием электронной техники стоимость приёмопередатчиков снижается быстрее, чем стоимость каналов связи, т.е. со временем отношение С/ H"(a) уменьшается.

В данном случае пропускная способность канала больше производительности источника, поэтому данный канал может использоваться для передачи аналоговых и цифровых сигналов. Запас пропускной способности канала, по сравнению с производительностью источника, мог быть использован для применения статистического или помехоустойчивого кодирования.

Пропускная способность

Пропускная способность - метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации , предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.

Используется в различных сферах:

• в связи и информатике П. С. - предельно достижимое количество проходящей информации;
• в транспорте П. С. - количество единиц транспорта;
• в машиностроении - объем проходящего воздуха (масла, смазки).

Может измеряться в различных, иногда сугубо специализированных, единицах - штуки, бит/сек , тонны , кубические метры и т. д.

В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной или полученной информации за единицу времени.
Пропускная способность - один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.

Пропускная способность канала

Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.

Пропускная способность дискретного (цифрового) канала без помех

C = log(m) бит/символ

где m - основание кода сигнала, используемого в канале. Скорость передачи информации в дискретном канале без шумов (идеальном канале) равна его пропускной способности, когда символы в канале независимы, а все m символов алфавита равновероятны (используются одинаково часто).

Пропускная способность нейронной сети

Пропускная способность нейронной сети - среднее арифметическое между объемами обрабатываемой и создаваемой информации нейронной сетью за единицу времени.

См. также

• Список пропускных способностей интерфейсов передачи данных

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Гареев, Муса Гайсинович
• Борколабовская икона Божией Матери

Смотреть что такое "Пропускная способность" в других словарях:

Пропускная способность - расход воды через водосливную арматуру при незатопленной воронке выпуска. Источник: ГОСТ 23289 94: Арматура санитарно техническая водосливная. Технические условия оригинал док … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Пропускная способность - общее количество нефтепродуктов, которые могут быть перекачены по трубопроводу (через терминал) в единицу времени. Емкость хранения резервуара (резервуарного парка) общее количество нефтепродуктов, которые могут быть помещены на хранение в… … Финансовый словарь

пропускная способность - Весовой расход рабочей среды через клапан. [ГОСТ Р 12.2.085 2002] пропускная способность КV Расход жидкости (м3/ч), с плотностью, равной 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при перепаде давления на нем в 1 кгс/см2 Примечание. Текущее… … Справочник технического переводчика

Пропускная Способность - максимальное количество информации, которая может быть обработана в единицу времени, измеряемая в бит/с … Психологический словарь

пропускная способность - производительность, мощность, отдача, емкость Словарь русских синонимов … Словарь синонимов

Пропускная способность - — см. Механизм обслуживания … Экономико-математический словарь

пропускная способность - Категория. Эргономическая характеристика. Специфика. Максимальное количество информации, которая может быть обработана в единицу времени, измеряемая в бит/с. Психологический словарь. И.М. Кондаков. 2000 … Большая психологическая энциклопедия

пропускная способность - Максимальное количество транспортных средств, которое может проехать на данном участке дороги за конкретное время … Словарь по географии

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ - (1) дороги наибольшее количество единиц наземного транспорта (млн. пар поездов), которое данная дорога может пропустить за единицу времени (час, сутки); (2) П. с. канала связи максимальная скорость безошибочной передачи (см.) по данному каналу… … Большая политехническая энциклопедия

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ - наивысшая скорость передачи данных аппаратуры, с которой информация поступает в запоминающее устройство без потерь при сохранении скорости выборки и аналого цифрового преобразования. для приборов с архитектурой на параллельной шине пропускная… … Словарь понятий и терминов, сформулированных в нормативных документах российского законодательства

В любой системе связи через канал передается информация. Скорость передачи информации была определена в § 2.9. Эта скорость зависит не только от самого канала, но и от свойств подаваемого на его вход сигнала и поэтому не может характеризовать канал как средство передачи информации. Попытаемся найти способ оценки способности канала передавать информацию. Рассмотрим вначале дискретный канал, через который передаются в единицу времени символов из алфавита объемом При передаче каждого символа в среднем по каналу проходит следующее количество информации [см. (2.135) и (2.140)]:

где случайные символы на входе и выходе канала. Из четырех фигурирующих здесь энтропий -собственная информация передаваемого символа - определяется источником дискретного сигнала и не зависит от свойств канала. Остальные три энтропии в общем случае зависят как от источника сигнала, так и от канала.

Представим себе, что на вход канала можно подавать символы от разных источников, характеризуемых различными распределениями вероятностей (но, конечно, при тех же значениях . Для каждого такого источника количество информации, переданной по каналу, принимает свое значение. Максимальное количество переданной информации, взятое по всевозможным

источникам входного сигнала, характеризует сам канал и называется пропускной способностью канала. В расчете на один символ

где максимизация производится по всем многомерным распределениям вероятностей Можно также определить пропускную способность С канала в расчете на единицу времени (секунду):

Последнее равенство следует из аддитивности энтропии. В дальнейшем везде, где это особо не оговорено, будем под пропускной способностью понимать пропускную способность в расчете на секунду.

В качестве примера вычислим пропускную способность симметричного канала без памяти, для которого переходные вероятности заданы формулой (3.36). Согласно (3.52) и (3.53)

Величина в данном случае легко вычисляется, поскольку условная переходная вероятность принимает только два значения: , если еслн Первое из этих значений возникает с вероятностью а второе с вероятностью К тому же, поскольку рассматривается канал без памяти, результаты приема отдельных символов независимы друг от друга. Поэтому

Следовательно, не зависит от распределения вероятности В, а определяется только переходными вероятностями канала. Это свойство сохраняется для всех моделей канала с аддитивным шумом.

Подставив (3.56) в (3.55), получим

Поскольку в правой части только член зависит от распределения вероятностей то максимизировать необходимо его. Максимальное значение согласно (2.123) равно и реализуется оно тогда, когда все принятые символы равновероятны и независимы друг от друга. Легко убедиться, что это условие удовлетворяется, еслн входные символы равновероятны и независимы, поскольку

При этом и

Отсюда пропускная способность в расчете на секунду

Для двоичного симметричного канала пропускная способность в двоичных единицах в секунду

Зависимость от согласно (3.59) показана на рис. 3.9.

При пропускная способность двоичного канала поскольку при такой вероятности ошибки последовательность выходных двоичных символов можно получить, совсем не передавая сигналы по каналу, а выбирая их наугад (например, по результатам бросания монеты), т. е. при последовательности на выходе и входе канала независимы. Случай называют обрывом канала. То, что пропускная способность при в двоичном канале такая же, как при (канал без шумов), объясняется тем, что при достаточно все выходные символы инвертировать (т. е. заменить 0 на 1 и 1 на 0), чтобы правильно восстановить входной сигнал.

Рис. 3.9. Зависимость пропускной способности двоичного симметричного канала без памяти от вероятности ошибочного приема символа

Пропускная способность непрерывного канала вычисляется аналогично. Пусть, например, канал имеет ограниченную полосу пропускания шириной Тогда сигналы на входе и выходе канала по теореме Котельникова определяются своими отсчетами, взятыми через интервал и поэтому информация, проходящая по каналу за некоторое время равна сумме количеств информации, переданных за каждый такой отсчет. Пропускная способность канала на один такой отсчет

Здесь случайные величины - сечения процессов на входе и выходе канала и максимум берется по всем допустимым входным сигналам, т. е. по всем распределениям .

Пропускная способность С определяется как сумма значений Сотсч» взятая по всем отсчетам за секунду. При этом, разумеется, дифференциальные энтропии в (3.60) должны вычисляться с учетом вероятностных связей между отсчетами.

Вычислим, например, пропускную способность непрерывного канала без памяти с аддитивным белым гауссовским шумом, имеющим полосу пропускания шириной если средняя мощность сигнала (дисперсия не превышает заданной величины Мощность (дисперсию) шума в полосе обозначим Отсчеты входного и выходного сигналов, а также шума связаны равенством

н так как имеет нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием, то и условная плотность вероятности при фиксированном и будет также нормальной - с математическим ожиданием и и дисперсией Найдем пропускную способность на один отсчет:

Согласно (2.152) дифференциальная энтропия нормального распределения не зависит от математического ожидания и равна Поэтому для нахождения нужно найти такую плотность распределения при которой максимизируется Из (3.61), учитывая, что независимые случайные величины, имеем

Таким образом, дисперсия фиксирована, так как заданы. Согласно (2.153), при фиксированной дисперсии максимальная дифференциальная энтропия обеспечивается нормальным распределением. Из (3.61) видно, что при нормальном одномерном распределении распределение будет также нормальным и, следовательно,

Переходя к пропускной способности С в расчете на секунду, заметим, что информация, переданная за несколько отсчетов, максимальна в том случае, когда отсчеты сигналов независимы. Этого можно достичь, если сигнал выбрать так, чтобы его спектральная плотность была равномерной в полосе Как было показано в отсчеты, разделенные интервалами, кратными взаимно некоррелированны, а для гауссовских величин некоррелированность означает независимость.

Поэтому пропускную способность С (за секунду) можно найти, сложив пропускные способности (3.63) для независимых отсчетов:

Она реализуется, если гауссовский процесс с равномерной спектральной плотностью в полосе частот (квазибелый шум).

Из формулы (3.64) видно, что если бы мощность сигнала не была ограничена, то пропускная способность была бы бесконечной. Пропускная способность равна нулю, если отношение сигнал/шум в канале равно нулю. С ростом этого отношения пропускная способность увеличивается неограниченно, однако медленно, вследствие логарифмической зависимости.

Соотношение (3.64) часто называют формулой Шеннона. Эта формула имеет важное значение в теории информации, так как определяет зависимость пропускной способности рассматриваемого непрерывного канала от таких его технических характеристик, как ширина полосы пропускания и отношение сигна/шум. Формула Шеннона указывает на возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала и наоборот. Однако поскольку С зависит от линейно, а от по логарифмическому закону, компенсировать возможное сокращение полосы пропускания увеличением мощности сигнала, как правило, нецелесообразно. Более эффективным является обратный обмен мощности сигнала на полосу пропускания.