Kanal (Informationstheorie)

Begriff und Bedeutung

Ein Kanal, auch Informationskanal, Übertragungskanal oder Übertragungsweg genannt, ist in der Informationstheorie ein Medium, durch das Daten und Informationen als Nachrichten vom Absender zum Empfänger übertragen werden. Er verbindet beide Seiten und ist ein zentraler Bestandteil des Sender-Empfänger-Modells. Mit ihm lässt sich der Informationsverlust durch Störungen bei der Übertragung beschreiben.

In Netzwerken bilden Kanäle die Kanten zwischen den Knoten. Als Knoten gelten Computer oder andere Endgeräte. Ein Kanal kann sowohl räumliche als auch zeitliche Distanzen überbrücken.

Ablauf der Übertragung

Die Übertragung beginnt beim Absenden der Nachricht. Ein Transmitter kodiert die Nachricht, also wandelt sie in ein für die Übertragung geeignetes Signal um, und speist dieses Signal in den Kanal ein. Beim Empfänger wird das Signal dekodiert und anschließend an den eigentlichen Empfänger weitergeleitet.

Der Übertragungsweg wurde erstmals 1949 durch Claude Shannon im Nyquist-Shannon-Abtasttheorem beschrieben. Kanäle sollen zuverlässig sein und die Nachrichten nicht verändern. Wie viel Information durch einen Kanal fließen kann, hängt unter anderem von seiner Bandbreite ab.

Arten und technische Ausprägungen

Kanäle sind Medien, über die Signale auf bestimmten Übertragungswegen übertragen werden. Man unterscheidet analoge und digitale Kanäle. Beispiele sind Netzwerkkabel bei der Kommunikation zwischen Computern, Schall bei mündlicher Kommunikation, Funkfrequenzen im Mobilfunk und Rundfunk sowie Glasfaser- und Kupferkabel.

In der Praxis kann ein Kanal ein Kupfer- oder Glasfaserkabel sein. Beim Mobilfunk umfasst der Kanal das Zusammenspiel von Sende- und Empfangseinheit sowie Störungen während der Funkübertragung, beispielsweise Mehrwegeausbreitung, Dispersion oder Dopplereffekt. Auch eine Festplatte oder DVD gilt als Kanal: Daten werden auf das Medium geschrieben und später wieder gelesen. Eine Netzwerkverbindung überträgt beispielsweise eine Website räumlich; eine Videoaufzeichnung auf einer DVD ermöglicht eine zeitliche Übertragung.

Kanaltypen und Kanalkapazität

Die Theorie der Kanalkodierung untersucht Verfahren, mit denen Informationen trotz Störungen korrekt übertragen werden können. Störungen lassen sich durch geeignete Kodierungsverfahren und teilweise durch eine hohe Signalamplitude vermindern. Eine hohe Signalamplitude hilft jedoch nicht bei Störungen durch destruktive Interferenz, etwa Fading.

Ein Kanal heißt:

• deterministisch, wenn keine zusätzlichen Fehler durch Übertragungsstörungen entstehen;
• gedächtnislos, wenn der Ausgangswert nur vom aktuellen Eingangswert und nicht von vorangegangenen oder zukünftigen Eingangswerten abhängt;
• störungsfrei, wenn er sowohl verlustfrei als auch deterministisch ist;
• symmetrisch, wenn alle Möglichkeiten der Datenverfälschung durch Störungen gleich häufig auftreten;
• verlustfrei, wenn bei der Übertragung keine Informationen verloren gehen. Dies wird auch als Äquivokation bezeichnet.

Störungsfreie Kanäle existieren praktisch nicht. Die Kanalkapazität ist der maximale Informationsfluss, mit dem Informationen über einen Kanal gerade noch fehlerfrei übertragen werden können. Typische Fehlerquellen sind thermisches Rauschen, fremde Signale, Tonverzerrungen in der Telefonie, atmosphärische Störungen im Funkverkehr sowie Bildstörungen im Fernsehen und bei Videokonferenzen. Das Verhältnis von Störsignal zu Nutzsignal heißt Signal-Rausch-Verhältnis und bestimmt die maximale Datenrate.

Stellt die sendende Station fest, dass der Kanal nicht belegt ist, beginnt sie mit der Übertragung von Datenpaketen. Bei einem belegten Kanal wartet sie. Die Verweildauer einer Nachricht im Kanal hängt ausschließlich von ihrer Länge ab; Verzögerungen durch Kodierung und Dekodierung gelten als unerheblich.