多重化

多重化とは

多重化（multiplexing）とは、複数のアナログ信号またはデジタルデータストリームをまとめ、一つの共有された伝送路で送る技術です。多重通信や多重伝送とも呼ばれます。この技術の主な目的は、高価で貴重な資源を効率的に共有することです。

例えば、無線LANのアクセスポイントは、複数の端末が同時に接続し、一つの伝送路を共有して利用できます。これは多重化の一例です。

多重化は電信の時代から始まり、その後、様々な通信技術で活用されるようになりました。

多重化の仕組み

多重化された信号は、一つの伝送路上で送られます。これは、物理的には一つの高速大容量の伝送路を、論理的な複数の伝送路に分割し、それぞれの論理伝送路を個々の信号やデータストリームに割り当てることで実現されます。

受信側では、この逆の処理である多重分離（demultiplexing）を行い、元の伝送路群を展開します。

多重化を行う装置をマルチプレクサ（MUX）、多重分離を行う装置をデマルチプレクサ（DEMUX）と呼びます。

また、逆多重化（IMUX）という技術も存在します。これは、一つのデータストリームを複数の伝送路に分割して同時に送信し、受信側で元のデータストリームを再構成する技術です。

多重化の種類

多重化技術には、いくつかの種類があり、それぞれに様々な派生技術が存在します。主な多重化方式として、以下のものがあります。

空間分割多重化（SDM）: 物理的な空間を分割して複数の伝送路を構成する方式。
周波数分割多重化（FDM）: 異なる周波数帯域を各伝送路に割り当てる方式。
時分割多重化（TDM）: 時間を分割して各伝送路に割り当てる方式。
符号分割多重化（CDM）: 符号を用いて各伝送路を識別する方式。

これらの方式は、伝送路を有効に利用するために、組み合わせて使用されることも多くなっています。

パケット通信と統計多重化

ビットレートが変化するデジタルビットストリームの場合、統計多重化を用いることで、固定帯域幅の伝送路を効率的に利用できます。パケット通信は、非同期な時間領域多重化の一例であり、時分割多重化に似た概念です。

デジタルビットストリームと符号分割多重化

デジタルビットストリームは、符号分割多重化（CDM）を用いることで、アナログ伝送路上で伝送できます。この技術には、周波数ホッピング・スペクトラム拡散（FHSS）や直接シーケンス・スペクトラム拡散（DSSS）などがあります。

無線通信における多重化

無線通信では、隣接する伝送路や人工衛星で偏波をずらすことで多重化したり、MIMO（Multiple-input multiple-output）方式を組み合わせたアレイアンテナによって多重化したりします。

空間分割多重化の詳細

有線通信の空間分割多重化では、複数の電線で2地点を繋ぎ、それぞれを異なる伝送路として使用します。例えば、ステレオオーディオケーブルでは、左右のチャンネル用にそれぞれペアのワイヤが使われています。

無線通信における空間分割多重化では、複数のアンテナ部品を並べたアレイアンテナを使用します。MIMO、SIMO（single-input and multiple-output）、MISO（multiple-input and single-output）といった方式があります。

例えば、IEEE 802.11nの無線ルータでは、複数のアンテナがそれぞれ異なるマルチパス特性を示すため、デジタル信号処理によって個々の信号に分離できます。この技術は、多重化だけでなく、通信品質の向上やビームフォーミングにも利用されます。

周波数分割多重化の詳細

周波数分割多重化（FDM）は、元々はアナログ通信の技術です。FDMでは、複数のデジタル信号をそれぞれ異なる周波数帯域で送信し、一つの媒体で同時に伝送します。

ケーブルテレビは、FDMの代表的な例です。1本のケーブルで複数のチャンネルの放送を同時に送信し、受信側は周波数を選択することで特定のチャンネルを受信します。

光通信では、FDMから派生した波長分割多重化（WDM）が使われています。

時分割多重化の詳細

時分割多重化（TDM）は、デジタル技術です（稀にアナログでも使用されます）。TDMでは、数ビットまたは数バイトを1グループとして、個々の入力ストリームを分割し、それらを交互に並べて送信します。受信側では、この逆の処理を行い、元のストリームを再構成します。

例えば、空港の複数の端末を中央コンピュータに接続する際に、TDMを使用することで、回線数を減らすことができます。

符号分割多重化の詳細

符号分割多重化（CDM）は、複数の伝送路が同じ周波数帯域を同時に共有する技術です。CDMでは、各伝送路に異なる符号を割り当て、符号によって各伝送路を識別します。

CDMは、周波数ホッピングや直接拡散などのスペクトラム拡散技術を用いて実現されます。

CDMは、多元接続法としても利用され、符号分割多元接続（CDMA）と呼ばれます。携帯電話サービスや無線ネットワーク、GPSなどで広く使われています。

各方式の比較と今後の展望

WDM、OCDM、OPDMなどを組み合わせることで、ペタビット級の光通信を目指した研究開発が進められています。

多元接続との関係

多重化を発展させたものが多元接続です。例えば、TDMから時分割多元接続（TDMA）、統計多重化から搬送波感知多元接続（CSMA）といった技術が派生しています。

符号分割多重化（CDM）を多元接続として使う場合、符号分割多元接続（CDMA）と呼ばれます。

多重化の応用

多重化技術は、様々な分野で応用されています。

電信

初期の電気通信である電信では、電線を媒体として使用していたため、多重化によるコスト削減が重視されました。初期には双方向通信（複信）が行われていましたが、後に一方通行の通信も実現されました。

1870年代には、エミール・ボードが時分割多重化システムを開発し、1874年にはトーマス・エジソンが四重電信機を開発しました。

電話

電話回線では、地区の加入者線を遠隔集線装置に集めて多重化しています。これにより、電話局までの回線数を減らすことが可能となります。近年では、光ファイバーを使った多重化通信が一般的になっています。

映像処理

映像信号の編集・処理システムでは、音声と動画をインターリービング処理によって単一のMPEG-2システムに多重化します。このシステムは、可変ビットレートの音声ストリームと動画ストリームを扱うことができます。

デジタル放送

デジタルテレビやデジタルラジオでは、複数の可変ビットレートのデータストリームを多重化し、固定ビットレートのトランスポートストリームを生成します。これにより、複数の動画や音声のチャンネルを、他のサービスと共に1つの周波数チャンネルで送信できます。

アナログ放送

FM放送などのアナログラジオでは、音声信号を送信機で変調する前に、副搬送波を加える処理を多重化と呼ぶことがあります。

まとめ

多重化は、電気通信やコンピュータネットワークにおいて、資源を効率的に利用するための重要な技術です。様々な種類や応用例があり、今後の技術発展においても、重要な役割を果たすと考えられます。

参考文献

（参考文献リストは、実際の資料に基づいて追加してください）

関連項目

伝送工学
多元接続
複信
中継方式
マルチプレクサ
* 逆マルチプレクサ

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