चैनल क्षमता: Difference between revisions
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{{Short description|Information-theoretical limit on transmission rate in a communication channel}} | {{Short description|Information-theoretical limit on transmission rate in a communication channel}} | ||
चैनल क्षमता, [[ विद्युत अभियन्त्रण |विद्युत अभियन्त्रण]], [[कंप्यूटर विज्ञान]], और [[सूचना सिद्धांत]] जिस दर पर | चैनल क्षमता, [[ विद्युत अभियन्त्रण |विद्युत अभियन्त्रण]], [[कंप्यूटर विज्ञान]], और [[सूचना सिद्धांत]] जिस दर पर ऊपरी सीमा घनिष्ठ होती है, उस संचार चैनल पर सूचना को मज़बूती से प्रसारित किया जा सकता है। | ||
[[शोर-चैनल कोडिंग प्रमेय]] की शर्तों का पालन करते हुए प्रदत्त चैनल की | [[शोर-चैनल कोडिंग प्रमेय]] की शर्तों का पालन करते हुए प्रदत्त चैनल की क्षमता ही उच्चतम सूचना दर होती है। (प्रति इकाई समय सूचना की इकाइयों में) जिसे अव्यवस्थित रूप से छोटी त्रुटि संभाव्यता के साथ प्राप्त किया जा सकता है।<ref>{{cite web |url=http://www.cs.ucl.ac.uk/staff/S.Bhatti/D51-notes/node31.html |author=Saleem Bhatti |title=चैनल क्षमता|work=Lecture notes for M.Sc. Data Communication Networks and Distributed Systems D51 -- Basic Communications and Networks |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20070821212637/http://www.cs.ucl.ac.uk/staff/S.Bhatti/D51-notes/node31.html |archive-date=2007-08-21 }}</ref><ref>{{cite web | url = http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/iandm/part8/page1.html | title = सिग्नल शोर की तरह दिखते हैं!| author = Jim Lesurf | work = Information and Measurement, 2nd ed.}}</ref> | ||
1948 में क्लाउड ई. शैनन द्वारा विकसित सूचना सिद्धांत, चैनल क्षमता की धारणा को परिभाषित करता है और एक गणितीय मॉडल प्रदान करता है जिसके द्वारा इसकी गणना की जा सकती है। मुख्य परिणाम यह बताता है कि ऊपर वर्णित रूप में चैनल की क्षमता, चैनल के इनपुट और आउटपुट के बीच अधिकतम आपसी सूचना द्वारा दी | 1948 में क्लाउड ई. शैनन द्वारा विकसित सूचना सिद्धांत, चैनल क्षमता की धारणा को परिभाषित करता है और एक गणितीय मॉडल प्रदान करता है जिसके द्वारा इसकी गणना की जा सकती है। मुख्य परिणाम यह बताता है कि ऊपर वर्णित रूप में चैनल की क्षमता, चैनल के इनपुट और आउटपुट के बीच अधिकतम आपसी सूचना द्वारा दी जाती है, जहां इनपुट वितरण के संबंध में अधिकतम जानकारी दी गई है।<ref>{{cite book| author = Thomas M. Cover, Joy A. Thomas | title = सूचना सिद्धांत के तत्व| publisher = John Wiley & Sons, New York |year=2006| isbn = 9781118585771 |url=https://books.google.com/books?id=VWq5GG6ycxMC&q=%22channel+capacity%22}}</ref> | ||
चैनल क्षमता की धारणा आधुनिक वायरलाइन और | चैनल क्षमता की धारणा आधुनिक वायरलाइन और वायरलेस संचार प्रणालियों के विकास के लिए केंद्रीय होती है, उपन्यास [[त्रुटि सुधार]] कोडिंग तंत्र के आगमन के साथ जिसके परिणामस्वरूप चैनल क्षमता द्वारा वादा किया गया की सीमा के बहुत निकट अभिनय प्राप्त हुआ है। | ||
== औपचारिक परिभाषा == | == औपचारिक परिभाषा == | ||
संचार प्रणाली के लिए | संचार प्रणाली के लिए मौलिक गणितीय मॉडल निम्नलिखित है: | ||
:<math title="Channel model">\xrightarrow[\text{Message}]{W} | :<math title="Channel model">\xrightarrow[\text{Message}]{W} | ||
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*<math>g_n</math> एक डिकोडिंग फ़ंक्शन है ब्लॉक की लंबाई <math>n</math> के लिए; | *<math>g_n</math> एक डिकोडिंग फ़ंक्शन है ब्लॉक की लंबाई <math>n</math> के लिए; | ||
मान लें कि <math>X</math> और <math>Y</math> को यादृच्छिक चर के रूप में तैयार किया गया है। इसके | मान लें कि <math>X</math> और <math>Y</math> को यादृच्छिक चर के रूप में तैयार किया गया है। इसके अतिरिक्त, मान लीजिए की <math> p_{Y|X}(y|x)</math> <math>Y</math> दिए गए <math>X</math> का सशर्त संभाव्यता वितरण फलन है, जो संचार चैनल की अंतर्निहित निश्चित संपत्ति है। | ||
तब [[ सीमांत वितरण |सीमांत वितरण]] <math>p_X(x)</math> का चुनाव पूरी तरह से पहचान के कारण [[ संयुक्त संभाव्यता वितरण |संयुक्त संभाव्यता वितरण]] <math>p_{X,Y}(x,y)</math> को निर्धारित करता है | तब [[ सीमांत वितरण |सीमांत वितरण]] <math>p_X(x)</math> का चुनाव पूरी तरह से पहचान के कारण [[ संयुक्त संभाव्यता वितरण |संयुक्त संभाव्यता वितरण]] <math>p_{X,Y}(x,y)</math> को निर्धारित करता है | ||
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== चैनल क्षमता की योगात्मकता == | == चैनल क्षमता की योगात्मकता == | ||
चैनल क्षमता स्वतंत्र चैनलों पर योगात्मक है।<ref>{{cite book |last1=Cover |first1=Thomas M. |last2=Thomas |first2=Joy A. |title=सूचना सिद्धांत के तत्व|publisher=Wiley-Interscience |edition=Second |date=2006 |pages=206–207 |chapter=Chapter 7: Channel Capacity |isbn=978-0-471-24195-9}}</ref> इसका अर्थ है कि संयुक्त रूप से दो स्वतंत्र चैनलों के प्रयोग से | चैनल क्षमता स्वतंत्र चैनलों पर योगात्मक है।<ref>{{cite book |last1=Cover |first1=Thomas M. |last2=Thomas |first2=Joy A. |title=सूचना सिद्धांत के तत्व|publisher=Wiley-Interscience |edition=Second |date=2006 |pages=206–207 |chapter=Chapter 7: Channel Capacity |isbn=978-0-471-24195-9}}</ref> इसका अर्थ है कि संयुक्त रूप से दो स्वतंत्र चैनलों के प्रयोग से सामान्य सैद्धांतिक क्षमता का उन्हें स्वतंत्र रूप से प्रयोग करने में सहायता मिलती है। अधिक औपचारिक रूप से, मान लीजिए की <math>p_{1}</math>और <math>p_{2}</math>ऊपर दिए गए दो स्वतंत्र चैनल बनें; <math>p_{1}</math>में एक इनपुट वर्णमाला <math>\mathcal{X}_{1}</math>और एक आउटपुट वर्णमाला <math>\mathcal{Y}_{1}</math>है। <math>p_{2}</math>के लिए आइडेम हम उत्पाद चैनल <math>p_{1}\times p_2</math>को परिभाषित करते हैं जैसे | ||
<math>\forall (x_{1}, x_{2}) \in (\mathcal{X}_{1}, \mathcal{X}_{2}),\;(y_{1}, y_{2}) \in (\mathcal{Y}_{1}, \mathcal{Y}_{2}),\; (p_{1}\times p_{2})((y_{1}, y_{2}) | (x_{1},x_{2}))=p_{1}(y_{1}|x_{1})p_{2}(y_{2}|x_{2})</math> | <math>\forall (x_{1}, x_{2}) \in (\mathcal{X}_{1}, \mathcal{X}_{2}),\;(y_{1}, y_{2}) \in (\mathcal{Y}_{1}, \mathcal{Y}_{2}),\; (p_{1}\times p_{2})((y_{1}, y_{2}) | (x_{1},x_{2}))=p_{1}(y_{1}|x_{1})p_{2}(y_{2}|x_{2})</math> | ||
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{{main|ग्राफ की शैनन क्षमता}} | {{main|ग्राफ की शैनन क्षमता}} | ||
यदि G [[ अप्रत्यक्ष ग्राफ |अप्रत्यक्ष ग्राफ]] है तो इसका उपयोग एक संचार चैनल को परिभाषित करने के लिए किया जा सकता है जिसमें संकेताक्षर ग्राफ के कोने हैं, और दो कोडवर्ड एक दूसरे के साथ भ्रमित हो सकते हैं यदि प्रत्येक स्थिति में उनके संकेताक्षर | यदि G [[ अप्रत्यक्ष ग्राफ |अप्रत्यक्ष ग्राफ]] है तो इसका उपयोग एक संचार चैनल को परिभाषित करने के लिए किया जा सकता है जिसमें संकेताक्षर ग्राफ के कोने हैं, और दो कोडवर्ड है जो एक दूसरे के साथ भ्रमित हो सकते हैं यदि प्रत्येक स्थिति में उनके संकेताक्षर सामान्य या आसन्न हैं। ऐसे चैनल की शैनन क्षमता को खोजने की कम्प्यूटेशनल जटिलता खुली रहती है, लेकिन यह अन्य महत्वपूर्ण ग्राफ इनवेरिएंट, लोवाज़ नंबर द्वारा ऊपरी सीमा में हो सकती है।<ref>{{citation | first = László | last = Lovász | author-link = László Lovász | title = On the Shannon Capacity of a Graph | journal = [[IEEE Transactions on Information Theory]] | volume = IT-25 | issue = 1 | year = 1979 | pages = 1–7 | doi = 10.1109/tit.1979.1055985 }}.</ref> | ||
== | == शोर चैनल कोडिंग प्रमेय == | ||
शोर चैनल कोडिंग प्रमेय बताता है कि किसी भी त्रुटि संभावना के लिए ε> 0 और चैनल क्षमता C से कम किसी भी संचरण दर R के लिए, एन्कोडिंग और डिकोडिंग योजना है जो R दर पर डेटा को संचारित करती है जिसकी त्रुटि संभावना ε से कम है, उसके लिए पर्याप्त बड़ी ब्लॉक लंबाई है। चैनल की क्षमता से अधिक किसी दर के लिए, रिसीवर पर त्रुटि की संभावना 0.5 तक बढ़ जाती है क्योंकि ब्लॉक की लंबाई अनंत तक जाती है। | |||
== उदाहरण आवेदन == | == उदाहरण आवेदन == | ||
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बी हर्ट्ज [[ बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग) |बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग)]] और सिग्नल-टू-शोर अनुपात एस/एन के साथ एक योगात्मक सफेद गॉसियन शोर (एडब्ल्यूजीएन) चैनल के लिए चैनल क्षमता अवधारणा का एक अनुप्रयोग शैनन-हार्टले प्रमेय है: | बी हर्ट्ज [[ बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग) |बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग)]] और सिग्नल-टू-शोर अनुपात एस/एन के साथ एक योगात्मक सफेद गॉसियन शोर (एडब्ल्यूजीएन) चैनल के लिए चैनल क्षमता अवधारणा का एक अनुप्रयोग शैनन-हार्टले प्रमेय है: | ||
:<math> C = B \log_2 \left( 1+\frac{S}{N} \right)\ </math> | :<math> C = B \log_2 \left( 1+\frac{S}{N} \right)\ </math> | ||
C को [[ बिट्स प्रति सेकंड |बिट्स प्रति सेकंड]] में मापा जाता है यदि लघुगणक को आधार 2 | C को [[ बिट्स प्रति सेकंड |बिट्स प्रति सेकंड]] में मापा जाता है यदि लघुगणक को आधार 2 होता है, या नेट (इकाई) प्रति सेकंड में यदि [[ प्राकृतिक |प्राकृतिक]] लघुगणक का उपयोग किया जाता है, तो B को [[हर्ट्ज़]] में माना जाता है; संकेत और शोर ऊर्जा S और N रैखिक ऊर्जा इकाई (जैसे वाट या वोल्ट<sup>2</sup>) में व्यक्त की जाती हैं। चूंकि एस/एन आंकड़ों को अधिकांशतः डीबी में उद्धृत किया जाता है, रूपांतरण की आवश्यकता हो सकती है। उदाहरण के लिए, 30 डीबी का संकेत-ध्वनि अनुपात <math> 10^{30/10} = 10^3 = 1000</math> के रेखीय शक्ति अनुपात के अनुरूप होती है। | ||
== वायरलेस संचार में चैनल क्षमता == | == वायरलेस संचार में चैनल क्षमता == | ||
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=== बैंडलिमिटेड एडब्लूजीएन चैनल === | === बैंडलिमिटेड एडब्लूजीएन चैनल === | ||
{{main|शैनन-हार्टले प्रमेय}} | {{main|शैनन-हार्टले प्रमेय}} | ||
[[File:Channel Capacity with Power- and Bandwidth-Limited Regimes.png|thumb|पावर-सीमित शासन और बैंडविड्थ-सीमित शासन के साथ एडब्लूजीएन चैनल क्षमता का संकेत दिया गया। यहां, <math>\frac{\bar{P}}{N_0}=1</math>; बी और सी को अन्य मूल्यों के लिए आनुपातिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।]]यदि औसत प्राप्त शक्ति | [[File:Channel Capacity with Power- and Bandwidth-Limited Regimes.png|thumb|पावर-सीमित शासन और बैंडविड्थ-सीमित शासन के साथ एडब्लूजीएन चैनल क्षमता का संकेत दिया गया। यहां, <math>\frac{\bar{P}}{N_0}=1</math>; बी और सी को अन्य मूल्यों के लिए आनुपातिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।]]यदि औसत प्राप्त शक्ति <math>\bar{P}</math> [<math>W</math>] है , कुल बैंडविड्थ <math>W</math> है हर्ट्ज़ में, और शोर शक्ति वर्णक्रमीय घनत्व है <math>N_0</math> [W/Hz], एडब्लूजीएन चैनल क्षमता है | ||
:<math>C_{\text{AWGN}}=W\log_2\left(1+\frac{\bar{P}}{N_0 W}\right)</math> [बिट्स/एस], | :<math>C_{\text{AWGN}}=W\log_2\left(1+\frac{\bar{P}}{N_0 W}\right)</math> [बिट्स/एस], | ||
जहां <math>\frac{\bar{P}}{N_0 W}</math> प्राप्त सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) है। इस परिणाम को शैनन-हार्टले प्रमेय के रूप में जाना जाता है।<ref>{{cite book|title=इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग की पुस्तिका|year=1996|publisher=Research & Education Association|isbn=9780878919819|page=D-149|url=https://books.google.com/books?id=-WJS3VnvomIC&q=%22Shannon%E2%80%93Hartley+theorem%22&pg=RA1-SL4-PA41}}</ref> | |||
जब एसएनआर बड़ा होता है (एसएनआर ≫ 0 डीबी), क्षमता <math>C\approx W\log_2 \frac{\bar{P}}{N_0 W} </math> शक्ति में लघुगणक और बैंडविड्थ में लगभग रैखिक है। इसे बैंडविड्थ-सीमित शासन कहा जाता है। | जब एसएनआर बड़ा होता है (एसएनआर ≫ 0 डीबी), क्षमता <math>C\approx W\log_2 \frac{\bar{P}}{N_0 W} </math> शक्ति में लघुगणक और बैंडविड्थ में लगभग रैखिक है। इसे बैंडविड्थ-सीमित शासन कहा जाता है। | ||
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:<math>C_{N_c}=\sum_{n=0}^{N_c-1} \log_2 \left(1+\frac{P_n^* |\bar{h}_n|^2}{N_0} \right),</math> | :<math>C_{N_c}=\sum_{n=0}^{N_c-1} \log_2 \left(1+\frac{P_n^* |\bar{h}_n|^2}{N_0} \right),</math> | ||
जहां <math>P_n^*=\max \left\{ \left(\frac{1}{\lambda}-\frac{N_0}{|\bar{h}_n|^2} \right),0 \right\}</math> और <math>|\bar{h}_n|^2</math> सबचैनल का लाभ <math>n</math> है, साथ में <math>\lambda</math> को शक्ति की कमी को पूरा करने के लिए चुना गया है। | |||
=== स्लो-फेडिंग चैनल === | === स्लो-फेडिंग चैनल === | ||
स्लो-फेडिंग चैनल में, जहां सुसंगतता समय विलंबता | स्लो-फेडिंग चैनल में, जहां सुसंगतता समय विलंबता आवश्यकता से अधिक है, चैनल द्वारा समर्थित विश्वसनीय संचार की अधिकतम दर के रूप में कोई निश्चित क्षमता नहीं है, <math>\log_2 (1+|h|^2 SNR)</math> यादृच्छिक चैनल लाभ पर निर्भर करता है <math>|h|^2</math> जो ट्रांसमीटर से अज्ञात है। यदि ट्रांसमीटर दर <math>R</math> [बिट्स/ एस/हर्ट्ज] पर डेटा एन्कोड करता है, तो वहाँ एक शून्य संभावना है कि डिकोडिंग त्रुटि संभाव्यता को मनमाने ढंग से छोटा नहीं किया जा सकता है, | ||
<math>p_{out}=\mathbb{P}(\log(1+|h|^2 SNR)<R)</math>, | |||
उस स्थिति में सिस्टम आउटेज में कहा जाता है। शून्य संभावना वाली चैनल के गहरे धुंधले होने की संभावना के कारण धीमी गति से लुप्त होने वाले चैनल का पूर्ण अर्थ शून्य होता है। चूंकि, <math>R</math> के सबसे बड़े मूल्य का निर्धारण इस तरह किया जा सकता है कि आउटेज संभावित <math>p_{out}</math>, <math>\epsilon</math> से कम है। यह मान <math>\epsilon</math>-आउटेज क्षमता के रूप में जाना जाता है। | |||
=== फास्ट-फेडिंग चैनल === | === फास्ट-फेडिंग चैनल === | ||
फास्ट-फेडिंग चैनल में, जहां विलंबता की आवश्यकता सुसंगतता समय से अधिक है और कोडवर्ड की लंबाई कई सुसंगतता अवधियों तक फैली हुई है, बड़ी संख्या में सुसंगतता समय अंतरालों पर कोडिंग करके कई स्वतंत्र चैनल | फास्ट-फेडिंग चैनल में, जहां विलंबता की आवश्यकता सुसंगतता समय से अधिक है और कोडवर्ड की लंबाई कई सुसंगतता अवधियों तक फैली हुई है, बड़ी संख्या में सुसंगतता समय अंतरालों पर कोडिंग करके कई स्वतंत्र चैनल फ़ेड पर औसत कर सकते हैं। इस प्रकार, <math>\mathbb{E}(\log_2 (1+|h|^2 SNR))</math> [बिट्स/ एस/हर्ट्ज] की संचार की एक विश्वसनीय दर प्राप्त करना संभव है और इस मूल्य को तेजी से लुप्त होती चैनल की क्षमता के रूप में व्यक्त करना अर्थपूर्ण है। | ||
== यह भी देखें == | == यह भी देखें == | ||
Revision as of 22:07, 17 January 2023
चैनल क्षमता, विद्युत अभियन्त्रण, कंप्यूटर विज्ञान, और सूचना सिद्धांत जिस दर पर ऊपरी सीमा घनिष्ठ होती है, उस संचार चैनल पर सूचना को मज़बूती से प्रसारित किया जा सकता है।
शोर-चैनल कोडिंग प्रमेय की शर्तों का पालन करते हुए प्रदत्त चैनल की क्षमता ही उच्चतम सूचना दर होती है। (प्रति इकाई समय सूचना की इकाइयों में) जिसे अव्यवस्थित रूप से छोटी त्रुटि संभाव्यता के साथ प्राप्त किया जा सकता है।[1][2]
1948 में क्लाउड ई. शैनन द्वारा विकसित सूचना सिद्धांत, चैनल क्षमता की धारणा को परिभाषित करता है और एक गणितीय मॉडल प्रदान करता है जिसके द्वारा इसकी गणना की जा सकती है। मुख्य परिणाम यह बताता है कि ऊपर वर्णित रूप में चैनल की क्षमता, चैनल के इनपुट और आउटपुट के बीच अधिकतम आपसी सूचना द्वारा दी जाती है, जहां इनपुट वितरण के संबंध में अधिकतम जानकारी दी गई है।[3]
चैनल क्षमता की धारणा आधुनिक वायरलाइन और वायरलेस संचार प्रणालियों के विकास के लिए केंद्रीय होती है, उपन्यास त्रुटि सुधार कोडिंग तंत्र के आगमन के साथ जिसके परिणामस्वरूप चैनल क्षमता द्वारा वादा किया गया की सीमा के बहुत निकट अभिनय प्राप्त हुआ है।
औपचारिक परिभाषा
संचार प्रणाली के लिए मौलिक गणितीय मॉडल निम्नलिखित है:
जहाँ:
- प्रेषित होने वाला संदेश है;