空間分割多重化：図、動作、利点、欠点、およびその応用

電気通信およびコンピュータ ネットワークにおける多重化は、多数のデータ信号を単一のメディアに結合して送信するために使用される技術の一種です。の中に 多重化 方法、 マルチプレクサ (MUX) ハードウェアは、「n」個の入力ラインをマージして 1 つの出力ラインを生成することで多重化を実現する上で重要な役割を果たします。したがって、この方法は主に、n 個の入力ラインと 1 つの出力ラインを意味する多対 1 の概念に従います。多重化技術には次のようなさまざまな種類があります。 FDM、TDM、 CDM 、SDM および OFDM。この記事では、次のような多重化手法の 1 つに関する簡単な情報を提供します。空間分割多重化または SDM。

空間分割多重 (SDM) とは何ですか?

無線内の多重化技術 通信システム ユーザーの物理的な分離を利用するだけでシステム容量を強化するために使用される方法は、空間分割多重化または空間分割多重化 (SDM) として知られています。この多重化技術では、いくつかの アンテナ 送信機と受信機の両端で使用され、並列通信チャネルを作成します。これらの通信チャネルは互いに独立しているため、複数のユーザーが干渉を除いて同様の周波数帯域内で同時にデータを送信できます。

無線通信システムの容量は、より多くのアンテナを追加してより独立したチャネルを形成するだけで改善できます。この多重化技術は、次のような無線通信システム内で一般的に使用されます。 Wi-Fi、 衛星通信システム および携帯電話ネットワーク。

海底光ケーブルにおける SDM の例

海底光ケーブル用途における空間分割多重化は、3 つの伝送システムに分割されます。シングルコアファイバー C バンド、シングルコアファイバー C+L バンド、およびマルチコアファイバー C バンド伝送。 3伝送系の光路図を以下に示します。

海底光ケーブル伝送システムのシングルコアファイバー C バンドには、信号を改善するための EDFA 装置のみが装備されています。 EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）はOFAの一種で、光ファイバーのコアに含まれるエルビウムイオンを介して光増幅を行うものです。 EDFA には次のような機能があります。低ノイズ、高ゲイン、偏波に依存しない。 1.55 μm (または) 1.58 μm 帯域内の光信号を増幅します。

シングルコア C+L バンド伝送システムでは、2 つのバンド信号を対応して改善するために 2 つの EDFA が必要です。マルチコア ファイバ C バンド伝送システムは非常に複雑で、すべてのファイバ コアをファンアウトして信号増幅器に入力し、その後アンプの信号をマルチコア ファイバ ケーブルにファンインする必要があります。

3 チャネル伝送システムの S/N 比が約 9.5dB である場合、シングルコアファイバー C+L バンド伝送システムが最大の光ケーブル能力伝送を達成するには 37 対の光ファイバーが必要です。

マルチコアファイバー C バンド伝送システムでは、最高の伝送能力を達成するために 19 ～ 20 ペアのファイバーが必要です。シングルコアファイバー C+L バンド伝送システムでは、最大容量を拡散するために 13 ペアのファイバーケーブルのみが必要です。ただし、その最大容量はシングルコア C バンド ファイバー伝送のみの 70% です。

SDM技術では、光海底ケーブル1本あたりの距離を60kmとして、3つの伝送方式で必要な電圧を計算します。シングルコア C バンドおよび C+L バンドでは、最大電圧 15 kV までの低電圧が必要です。マルチコアファイバー伝送システムでは伝送を完了するために追加のアンプが必要となるため、マルチライン FOC 伝送システムと比較して電圧は低くなります。

空間分割多重の3つの伝送方式において、シングルコアファイバC+LバンドおよびマルチコアCバンドの伝送能力は、シングルコアファイバCバンド伝送に比べて若干劣ります。シングルコア ファイバー C バンドおよび C+L 波システムは、マルチコアによって同様の容量が達成できる場合、マルチコア システムと比較して、より低い電圧と電力使用率を利用できます。

空間分割多重化動作

空間分割多重 (SDM) は、空間次元を利用して複数の独立したデータ ストリームを同時に送信することで機能します。その仕組みを簡単に説明すると次のようになります。

• 空間的分離 : SDM は、異なるデータ ストリームの伝送パスを物理的に分離することに依存しています。この分離は、異なる光ファイバー、アンテナ素子、または音響経路の使用など、伝送媒体に応じてさまざまな技術を使用して実現できます。
• 複数のチャンネル : 空間的に分離された各パスは、個別の通信チャネルを表します。これらのチャネルを利用すると、独立したデータ ストリームを互いに干渉することなく同時に送信できます。
• データのエンコーディングと変調 : 送信前に、各チャネル向けのデータはエンコードおよび変調技術を経て、選択したメディアでの送信に適した形式に変換されます。これには通常、デジタル データを、特定の周波数または伝送媒体に適したその他の特性で変調されたアナログ信号に変換することが含まれます。
• 同時送信 : データがエンコードおよび変調されると、空間的に分離されたチャネルを介して同時に送信されます。この同時送信により、データ スループットが向上し、利用可能な通信リソースを効率的に利用できるようになります。
• 受信機のデコード : 受信側では、すべての空間チャネルからの信号が受信され、個別に処理されます。各チャネルは復調およびデコードされて、元のデータ ストリームが復元されます。チャネルは空間的に分離されているため、チャネル間の干渉は最小限に抑えられ、信頼性の高いデータ回復が可能になります。
• データストリームの統合 : 最後に、すべてのチャネルから復元されたデータ ストリームが統合されて、元の送信データが再構築されます。この統合プロセスは特定のアプリケーションに依存し、エラー修正、同期、データ集約などのタスクが含まれる場合があります。

全体として、空間分割多重化により、空間分離を利用して複数の独立したデータ ストリームを同時に送信できるようになり、通信容量と効率が向上します。光ファイバーネットワーク、無線通信、衛星通信、水中音響通信など、さまざまな通信システムで広く使われています。

空間分割多重化の例

SDM の最初の例はセルラー通信です。この通信では、互いに近接していないセル内で同じ搬送周波数のセットが再度使用されるからです。

• 光ファイバー通信 : 光ファイバー通信システムでは、異なる空間パスを使用することで、同じファイバーを通じて複数のチャネルを同時に送信できます。各空間パスは、異なる波長 (波長分割多重 – WDM) または異なる偏波状態 (偏波分割多重 – PDM) を表すことができます。これにより、追加の物理ファイバー ケーブルを敷設することなく、データ伝送容量を増やすことができます。
• 複数のアンテナ システム : 無線通信では、多入力多出力 (MIMO) システムは送信機と受信機の両方で複数のアンテナを利用してスペクトル効率を向上させます。各アンテナ ペアは空間チャネルを形成し、データはこれらのチャネルを介して同時に送信されるため、無線リンクの容量が効果的に増加します。
• 衛星通信 : 衛星通信システムでは、SDM 技術を採用して、異なる周波数帯域または空間パスを使用して複数の信号を同時に送信することがよくあります。これにより、衛星リソースのより効率的な利用が可能になり、放送、インターネット サービス、リモート センシングなどのアプリケーションのデータ スループットが向上します。
• 水中音響通信 : 水中環境では、音波は長距離まで伝わる能力があるため、通信に使用されます。 SDM は、複数の水中聴音器と送信機を使用して空間的に分離されたチャネルを作成することで採用でき、複数のデータ ストリームの同時送信が可能になり、全体の通信容量が増加します。
• 集積回路相互接続 : コンピュータ プロセッサやネットワーク機器などの電子デバイス内では、空間分割多重技術を適用して、チップ上の複数のコンポーネントやコアを相互接続できます。異なる物理パスを介して信号をルーティングすることにより、さまざまな処理ユニット間でデータを同時に送信できるため、システム全体のパフォーマンスとスループットが向上します。

メリットとデメリット

の 空間分割多重の利点 以下のものが含まれます。

• SDM 技術により、単位断面における光ファイバーの空間密度が向上します。
• これにより、共通のクラッド内の空間伝送チャネルの数が増加します。
• SDM は、FDM または周波数分割多重化と TDM または TDM の組み合わせです。 時分割多重化 。
• 特定の周波数を利用してメッセージを送信するため、特定のチャネルを特定の周波数帯域に対してしばらく利用できます。
• この多重化技術により、光ファイバーは、相互に干渉することなく、さまざまな波長で送信されるいくつかの信号を送信できるようになります。
• SDM はエネルギー効率を向上させ、各ビットのコストを大幅に削減できます。
• SDM 技術は、FMF (少数モード ファイバー) およびマルチコア ファイバーの直交 LP モード内で信号を単純に多重化することにより、各ファイバーのスペクトル効率を向上させます。
• 開発は非常に簡単で、基本的な新しい光学コンポーネントは必要ありません。
• 帯域幅を最大限に活用します。
• 固定周波数は SDM 内で再度使用できます。
• SDM は純粋な光ケーブル内に実装できます。
• 光ケーブルを使用しているためスループットが非常に高いです。
• 複数の多重化技術と光ファイバーにより、周波数を最大限に活用します。

の 空間分割多重の欠点 以下のものが含まれます。

• SDM のコストは、伝送チャネル数の向上により依然として大幅に増加しています。
• 多重化では、複雑なアルゴリズムとプロトコルを使用して、ブロードキャストされるさまざまな信号を結合および分割します。したがって、これによりネットワークの困難さが改善され、保守とトラブルシューティングがより困難になります。
• 多重化により、ブロードキャストされる信号間に干渉が発生し、送信されるデータの価値が損なわれる可能性があります。
• この多重化技術では、多重化手順に一定量の帯域幅が必要となるため、実際のデータ送信に使用できる帯域幅の量が減少する可能性があります。
• この多重化の実装と維持には、複雑さと特殊な機器が必要なため、費用がかかります。
• この多重化により、いくつかの信号が同様のチャネル上で送信されるため、送信データを保存することがさらに困難になります。
• SDM では推論が発生する場合があります。
• SDM は高い推論損失に直面しています。
• SDM では、同じ周波数セットまたは同じ TDM 信号セットが 2 つの異なる場所で使用されます。

空間分割多重化アプリケーション

の 空間分割多重の応用 以下のものが含まれます。

• 空間分割多重化は、2 つの異なる方法を通じて地上ネットワークで使用されます。 SDM 互換コンポーネントは、伝送およびスイッチング インフラストラクチャの両方内に配置されます (または、スイッチング アーキテクチャ内のみで SDM が実装されます)。
• MIMO無線通信における空間分割多重技術と 光ファイバー 通信は、空間内で分離された独立したチャネルをブロードキャストするために使用されます。
• SDM は、セルラー ネットワークで多入力多出力テクノロジ形式で使用されます。これは、送信機と受信機の両端で複数のアンテナを使用して、通信リンクの価値と機能を強化します。
• SDM は、光ファイバーの多重化を空間分割で理解する方法を指します。
• SDM 技術は、マルチコア ファイバーのように複数の空間チャネルが使用される場合はどこでも、光データ伝送に使用されます。
• 光ファイバー伝送の空間分割多重技術は、WDM の能力限界を克服するのに役立ちます。
• SDM は GSM テクノロジーで使用されます。

したがって、これは 空間分割多重化の概要 、動作、例、メリット、デメリット、応用例。 SDM テクノロジーは、OFC または光ファイバー通信の成長傾向に準拠しています。この多重化技術は、OFC 技術の主要な革新および発展した方法です。ここで質問があります。時分割多重化または TDM とは何ですか?