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Comunicaciones
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COMUNICACIONES I
COMUNICACIONES
DIGITALESIng. Carlos Bosquez
Ing. Carlos Bosquez - UPS Guayaquil
CAPITULO 6
MULTIPLEXACION
ACCESO MULTIPLE
Ing. Carlos Bosquez - UPS Guayaquil
CONTENIDO
Multiplexación y Demultiplexación.
TDM, FDM, WDM, CDM, OFDM
Acceso Múltiple
TDMA, FDMA, WDMA, CDMA, OFDMA, CSMA,
SDMA
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MULTIPLEXACION
En telecomunicación, la multiplexación es la
combinación de dos o más canales de información en un solo
medio de transmisión usando un dispositivo
llamado multiplexor
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Existen muchas estrategias de multiplexación según el protocolo
de comunicación empleado, que puede combinarlas para alcanzar
el uso más eficiente; los más utilizados son:
la multiplexación por división de tiempo oTDM (Time division
multiplexing );
la multiplexación por división de frecuencia o FDM (Frequency-
division multiplexing) y su equivalente para medios ópticos, por
división de longitud de onda oWDM (de Wavelength);
la multiplexación por división en código o CDM (Code division
multiplexing);
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EJEMPLO
Para transmitir los canales de televisión por aire, vamos a
tener un ancho de frecuencia x, el cual habrá que multiplexar
para que entren la mayor cantidad posible de canales de tv.
Entonces se dividen los canales en un ancho de banda de
6Mhz (en gran parte de Europa y Latinoamérica, mientras
que en otros países o regiones el ancho de banda es de 8
Mhz). En este caso se utiliza una multiplexación por división
de frecuencia FDM
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Demultiplexación
En telecomunicación, la demultiplexación es la
recuperación de dos o más canales de información en un solo
medio de transmisión usando un dispositivo llamado
demultiplexor.
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ACCESO MULTIPLE
Cuando existe un esquema o protocolo de multiplexación
pensado para que múltiples usuarios compartan un medio
común, como por ejemplo en telefonía móvil oWiFi, suele
denominarse control de acceso al medio o método de acceso
múltiple.
el acceso múltiple por división de frecuencia o FDMA;
el acceso múltiple por división de tiempo o TDMA;
el acceso múltiple por división de código o CDMA
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control de acceso al medio
Uno de los problemas que resolver en comunicaciones de
datos es cómo repartir entre varios usuarios el uso de un
único canal de comunicación o medio de transmisión, para
que puedan gestionarse varias comunicaciones al mismo
tiempo. Sin un método de organización, aparecerían
interferencias que podrían bien resultar molestas, o bien
directamente impedir la comunicación. Este concepto se
denomina multiplexado o control de acceso al medio, según
el contexto.
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Se aplica el nombre "multiplexado" para los casos en que unsólo dispositivo determina el reparto del canal entre distintascomunicaciones, como por ejemplo un concentrador situadoal extremo de un cable de fibra óptica; para los terminales delos usuarios finales, el multiplexado es transparente. Seemplea en cambio el término "control de acceso al medio"cuando son los terminales de los usuarios, en comunicacióncon un dispositivo que hace de modo de red, los que debenusar un cierto esquema de comunicación para evitarinterferencias entre ellos, como por ejemplo un grupo deteléfonos móviles en comunicación con una antena deloperador.
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TDM
La multiplexación por división de tiempo (Time
Division Multiple Access o TDMA) es una técnica que permite
la transmisión de señales digitales y cuya idea consiste en
ocupar un canal (normalmente de gran capacidad) de
trasmisión a partir de distintas fuentes, de esta manera se
logra un mejor aprovechamiento del medio de trasmisión
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La multiplexación por división de tiempo (MDT) o (TDM), del
inglés Time Division Multiplexing, es el tipo
de multiplexación más utilizado en la actualidad,
especialmente en los sistemas de transmisión digitales. En
ella, el ancho de banda total del medio de transmisión es
asignado a cada canal durante una fracción del tiempo total
(intervalo de tiempo).
En la figura 1 siguiente se representa, esquematizada de
forma muy simple, un conjunto multiplexor-
demultiplexor para ilustrar como se realiza la
multiplexación-desmultiplexación por división de tiempo.
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En este circuito, las entradas de seis canales llegan a los
denominados interruptores de canal, los cuales se cierran de
forma secuencial, controlados por una señal de reloj, de
manera que cada canal es conectado al medio de transmisión
durante un tiempo determinado por la duración de los
impulsos de reloj.
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En el extremo distante, el desmultiplexor realiza la función
inversa, esto es, conecta el medio de transmisión,
secuencialmente, con la salida de cada uno de los seis canales
mediante interruptores controlados por el reloj del
demultiplexor. Este reloj del extremo receptor funciona de
forma sincronizada con el del multiplexor del extremo
emisor mediante señales de temporización que son
transmitidas a través del propio medio de transmisión o por
un camino.
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También se podría decir que es un proceso digital que se
puede aplicar cuando la capacidad de la tasa de datos de la
transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida
por los dispositivos emisores y receptores. En este caso,
múltiples transmisiones pueden ocupar un único enlace
subdividiéndole y entrelazándose las porciones.
Esta técnica de multiplexación se emplea en infinidad de
protocolos, sola o en combinación de otras, pero en lenguaje
popular el término suele referirse al estándar D-
AMPS detelefonía celular empleado en América.
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Características
Se utiliza con modulaciones digitales.
Tecnología simple y muy probada e implementada.
Adecuada para la conmutación de paquetes.
Requiere una sincronización estricta entre emisor y receptor.
Requiere el Time advance. (El Avance temporal (o Time
Advance) es un sistema de sincronización entre la estación
base (BS) y la estación móvil (MS) necesario en las redes
celulares que utilizan TDMAcomo método de acceso al
medio y tienen una gran cobertura.)
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Acceso múltiple por división de tiempo
El Acceso múltiple por división de tiempo (Time Division Multiple
Access o TDMA, del inglés) es una técnica de múltiplexación que
distribuye las unidades de información en ranuras ("slots")
alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple a un reducido
número de frecuencias.
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Uso en telefonía celular Mediante el uso de TDMA se divide un único canal de frecuencia
de radio en varias ranuras de tiempo (seis en D-AMPS y PCS,ocho en GSM). A cada persona que hace una llamada se le asignauna ranura de tiempo específica para la transmisión, lo que haceposible que varios usuarios utilicen un mismo canalsimultáneamente sin interferir entre sí.
Existen varios estándares digitales basados en TDMA, tal comoTDMA D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone System),TDMA D-AMPS-1900, PCS-1900 (Personal CommunicationServices), GSM (Global System for Mobile Communication, en el que seemplea junto con saltos en frecuencia o frequency hopping ), DCS-1800 (Digital Communications System) y PDC (Personal DigitalCellular).
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Multiplexación por división de
frecuencia FDM
La multiplexación por división de frecuencia (MDF)
o (FDM), del inglés Frequency Division Multiplexing, es un tipo
de multiplexación utilizada generalmente en sistemas de
transmisión analógicos. La forma de funcionamiento es la
siguiente: se convierte cada fuente de varias que
originalmente ocupaban el mismo espectro de frecuencias, a
una banda distinta de frecuencias, y se transmite en forma
simultánea por un solo medio de transmisión. Así se pueden
transmitir muchos canales de banda relativamente angosta
por un solo sistema de transmisión de banda ancha.
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El FDM es un esquema análogo de multiplexado; la
información que entra a un sistema FDM es analógica y
permanece analógica durante toda su transmisión. Un
ejemplo de FDM es la banda comercial de AM, que ocupa un
espectro de frecuencias de 535 a 1605 kHz. Si se transmitiera
el audio de cada estación con el espectro original de
frecuencias, sería imposible separar una estación de las
demás. En lugar de ello, cada estación modula por amplitud
una frecuencia distinta de portadora, y produce una señal de
doble banda lateral de 10KHz.
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Hay muchas aplicaciones de FDM, por ejemplo, la FM
comercial y las emisoras de televisión, así como los sistemas
de telecomunicaciones de alto volumen. Dentro de
cualquiera de las bandas de transmisión comercial, las
transmisiones de cada estación son independientes de las
demás.
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Acceso múltiple por división de
frecuencia El Acceso múltiple por división de frecuencia
(Frequency Division Multiple Access o FDMA, del inglés)es una técnica de multiplexación usada en múltiples protocolos decomunicaciones, tanto digitales como analógicos, principalmentede radiofrecuencia, y entre ellos en los teléfonos móviles de redesGSM.
En FDMA, el acceso al medio se realiza dividiendo el espectrodisponible en canales, que corresponden a distintos rangos defrecuencia, asignando estos canales a los distintos usuarios ycomunicaciones a realizar, sin interferirse entre sí. Los usuariospueden compartir el acceso a estos distintos canales por diferentesmétodos como TDMA, CDMA o SDMA, siendo estos protocolosusados indistintamente en los diferentes niveles del modelo OSI.
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En algunos sistemas, como GSM, el FDMA se complementa
con un mecanismo de cambio de canal según las necesidades
de la red lo precisen, conocido en inglés como frequency
hopping o "saltos en frecuencia".
Su primera aparición en la telefonía móvil fue en los equipos
de telecomunicación de Primera Generación (años 1980),
siendo de baja calidad de transmisión y una pésima
seguridad.[cita requerida] La velocidad máxima de transferencia de
datos fue 240 baudios.
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Características
Tecnología muy experimentada y fácil de implementar.
Gestión de recursos rígida y poco apta para flujos de tránsito
variable.
Requiere duplexor de antena para transmisión dúplex.
Se asignan canales individuales a cada usuario.
Los canales son asignados de acuerdo a la demanda.
Normalmente FDMA se combina con multiplexing FDD
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Multiplexación por división de longitud
de onda En telecomunicación, la multiplexación por división de
longitud de onda (WDM, del inglés Wavelength DivisionMultiplexing) es una tecnología que multiplexa varias señales sobreuna sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferentelongitud de onda, usando luz procedente de un láser o un LED.
Este término se refiere a una portadora óptica (descritatípicamente por su longitud de onda) mientras que lamultiplexación por división de frecuencia generalmente se empleapara referirse a una portadora de radiofrecuencia (descritahabitualmente por su frecuencia). Sin embargo, puesto que lalongitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales,y la radiofrecuencia y la luz son ambas formas de radiaciónelectromagnética, la distinción resulta un tanto arbitraria.
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El dispositivo que une las señales se conoce como
multiplexor mientras que el que las separa es un
demultiplexor. Con el tipo adecuado de fibra puede
disponerse un dispositivo que realice ambas funciones a la
vez, actuando como un multiplexor óptico de inserción-
extracción.
Los primeros sistemas WDM aparecieron en torno a 1985 y
combinaban tan sólo dos señales. Los sistemas modernos
pueden soportar hasta 160 señales y expandir un sistema de
fibra de 10 Gb/s hasta una capacidad total 25,6 Tb/s sobre
un solo par de fibra.
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Tipos
WDM puede ser de dos tipos:
Densa (DWDM, ‘Dense’WDM): Muchas longitudes de onda
y larga distancia
Ligera (CWDM ‘Coarse’WDM): Pocas longitudes de onda y
entornos metropolitanos
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Acceso múltiple por división de código La multiplexación por división de código, acceso
múltiple por división de código o CDMA (del inglés CodeDivision Multiple Access) es un término genérico para varios métodos de multiplexación o control de acceso al medio basados en la tecnología de espectro expandido.
La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, expandido, difuso o disperso para referirse en todos los casos al mismo concepto.
Habitualmente se emplea en comunicaciones inalámbricas (por radiofrecuencia), aunque también puede usarse en sistemas de fibra óptica o de cable.
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Uso popular del término
El término CDMA, sin embargo, suele utilizarse
popularmente para referirse a una interfaz de aire
inalámbrica de telefonía móvil desarrollada por la empresa
Qualcomm, y aceptada posteriormente como estándar por la
TIA norteamericana bajo el nombre IS-95 (o, según la marca
registrada por Qualcomm, "cdmaONE" y su sucesora
CDMA2000). En efecto, los sistemas desarrollados por
Qualcomm emplean tecnología CDMA, pero no son los
únicos en hacerlo.
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CDMA2000 CDMA2000 es una familia de estándares de telecomunicaciones
móviles de tercera generación (3G) que utilizan CDMA, un
esquema de acceso múltiple para redes digitales, para enviar voz,
datos, y señalización (como un número telefónico marcado) entre
teléfonos celulares y estaciones base. Ésta es la segunda generación
de la telefonía celular digital IS-95.
CDMA (code division multiple access ó acceso múltiple por división
de código) es una estrategia de multiplexado digital que transmite
flujos de bits. Básicamente, CDMA permite que múltiples
terminales compartan el mismo canal de frecuencia,
identificándose el "canal" de cada usuario mediante (secuencias
PN).
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CDMA2000 ha tenido relativamente un largo historial técnico,[cita requerida]
y aún sigue siendo compatible con los antiguos estándares en telefoníaCDMA (como cdmaOne) primero desarrollado por Qualcomm, unacompañía comercial, y propietario de varias patentes internacionalessobre la tecnología.
Los estándares CDMA2000 CDMA2000 1x, CDMA2000 1xEV-DO,y CDMA2000 1xEV-DV son interfaces aprobadas por el estándar ITUIMT-2000 y un sucesor directo de la 2G CDMA, IS-95 (cdmaOne).CDMA2000 es estandarizado por 3GPP2.
CDMA2000 es una marca registrada de la Telecommunications IndustryAssociation (TIA-USA) en los Estados Unidos, no del término genéricoCDMA. (Similarmente Qualcomm bautizó y registró el estándar 2Gbasado en CDMA, IS-95, como cdmaOne).
CDMA2000 es un competidor incompatible con otros estándares 3Gcomo W-CDMA (UMTS).
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Multiplexación por División de
Frecuencias Ortogonales La Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales,
en inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), o DiscreteMulti-tone Modulation (DMT) es una multiplexación que consiste en enviarun conjunto de ondas portadoras de diferentes frecuencias, donde cadauna transporta información, la cual es modulada en QAM o en PSK.
Normalmente se realiza la multiplexación OFDM tras pasar la señal porun codificador de canal con el objetivo de corregir los erroresproducidos en la transmisión, entonces esta multiplexación se denominaCOFDM, del inglés Coded OFDM.
Debido al problema técnico que supone la generación y la detección entiempo continuo de los cientos, o incluso miles de portadorasequiespaciadas que forma OFDM, los procesos de multiplexación ydemultiplexación se realizan en tiempo discreto mediante la IDFT y laDFT respectivamente.
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Características de la modulación
OFDM
La multiplexación de portadoras OFDM es muy robusta
frente al multitrayecto (multi-path), que es muy habitual en
los canales de radiodifusión, frente a las atenuaciones
selectivas en frecuencia y frente a las interferencias de RF.
Debido a las características de esta multiplexación, es capaz
de recuperar la información de entre las distintas señales con
distintos retardos y amplitudes (fading) que llegan al receptor,
por lo que existe la posibilidad de crear redes de
radiodifusión de frecuencia única sin que existan problemas
de interferencia.
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OFDMA OFDMA, que proviene de Orthogonal Frecuency-Division Multiple Access es
la versión multiusuario de la conocida OFDM, MultiplexaciónFrecuency-Division Orthogonal. Se utiliza para conseguir que unconjunto de usuarios de un sistema de telecomunicaciones puedancompartir el espectro de un cierto canal para aplicaciones de bajavelocidad. El acceso múltiple se consigue dividiendo el canal en unconjunto de subportadoras (subcarriers) que se reparten en grupos enfunción de la necesidad de cada uno de los usuarios.
Para conseguir una mayor eficiencia, el sistema se realimenta con lascondiciones del canal, adaptando continuamente el número desubportadoras asignadas al usuario en función de la velocidad que éstenecesita y de las condiciones del canal. Si la asignación se hacerápidamente, se consigue cancelar de forma eficiente las interferenciasco-canal y los desvanecimientos rápidos, proporcionando una mejoreficiencia espectral del sistema que OFDM.
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Características y principios de
operación
Este método de acceso permite asignar un número diferentede subportadores a cada uno de los usuarios garantizando así,una diferente calidad de servicio (QoS) en función del anchode banda asignado. Es decir, OFDMA permite establecer unavelocidad de conexión y una probabilidad de errorindividualmente para cada usuario.
OFDMA se parece al CDMA (acceso del múltiplo de ladivisión de códigos) por emplear la tecnología del espectroseparado, donde a cada transmisor se le asigna un código. Losusuarios pueden alcanzar dife-rentes velocidades de conexióngracias a un asignado factor que separa un código o undiverso número de códigos que se separan a cada usuario.
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Aplicaciones y usosActualmente OFDMA se usa en el modelo de movilidad del
estándar IEEE 802.16, conocido comercial-mente como
WiMAX. OFDMA también se está usando en un enlace de
descarga mejorado para 3GPP que se llama HSOPA (High
Speed OFDM Packet Access). También es uno de los candidatos
para proporcionar el acceso en el IEEE 802.22, las conocidas
"Wireless Regional Area Networks" (WRAN), de ser así sería
el primer diseño de un sistema cognitivo de radio en las bandas
bajas de VHF y las de UHF, es decir las bandas que comúnmente
se usan para transmitir la televisión. El término "OFDMA" es
una marca registrada por RuncomTechnologies Ltd.
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OFDMA se utiliza en:
El modo de movilidad del estándar IEEE 802.16 Wireless MAN,comúnmente contemplado comoWiMAX.
El estándar IEEE 802.20 de hombre Wireless móvil, comúnmenteconocida como MBWA.
El descendente de la 3GPP LTE (Long Term Evolution) estándarde cuarta generación para móviles. La interfaz de radio fuenombrada anteriormente HSOPA (High Speed OFDM PacketAccess), ahora llamado E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial RadioAcces).
El Qualcomm FlarionTechnologies móvil Flash-OFDM.
El ahora extinguido proyecto Qualcomm/3GPP2 Ultra MobileBroadband (UMB), concebido como un sucesor de CDMA2000,pero reemplazado por LTE.
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Acceso múltiple por división de espacio
El Acceso múltiple por división de espacio (Space
Division Multiple Access o SDMA, del inglés) es una
tecnología que segmenta el espacio en sectores utilizando
antenas unidireccionales.
Se utiliza generalmente en comunicaciones por satélite, pero
también en redes celulares para reducir el número de
estaciones base.
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Características
Permite mas de un usuario en cada celda o sector.
En una estructura celular, se requieren antenas fijas
direccionales.
Incrementa la capacidad por kilómetro cuadrado.
Es muy simple de implementar y sólo es útil en combinación
con FDMA, TDMA o CDMA.
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CSMA (Carrier sense multiple Access)
En telecomunicaciones, se entiende por Acceso Múltiple
por Detección de Portadora (Carrier Sense Multiple
Access) el escuchar el medio para saber si existe presencia de
portadora en los momentos en los que se ocupa el canal. El
fin es evitar colisiones, es decir que dos host hablen al mismo
tiempo. Por otro lado define el procedimiento que estos dos
host deben seguir si llegasen a usar el mismo medio de forma
simultánea.
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Distintos tipos de CSMA que podemos encontrarnos son:
CSMA/CD (Collision Detection)
CSMA/CA (Collision Avoidance)
CSMA-NP (no persistente): si el medio está libre transmite,
si no, espera un tiempo aleatorio. Este tiempo es distinto para
dos estaciones lo que evitará las colisiones, pero esto deriva
en una pérdida de tiempo al final de cada transmisión.
Ventaja: Es más fácil de implementar. Inconveniente:
introduce una mayor latencia.
CSMA-P
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CSMA-pP(p-Persistente): Esta variación de CSMA, es el casogeneral en el que cada estación, si tiene el canal libre,transmite con probabilidad "p" y si detecta que existe alguientransmitiendo, espera un tiempo aleatorio con probabilidad"q=(1-p)". Escucha nuevamente el canal transmitiendo siestá libre y si no espera hasta que se libere y repite elalgoritmo. Con este método se pretende minimizar lascolisiones y el tiempo en el que el canal está desocupado. Lapersistencia de este tipo requiere un canal ranurado. Paratráficos moderados se comporta peor que el 1-Persistente,pero en situaciones de congestión evita el efecto de cola deespera.
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CSMA- 1P (1-Persistente): escucha el canal y transmite tan prontocomo éste esté libre (enfoque codicioso, “greedy approach”). Si estáocupado, continúa escuchando el medio hasta que lo encuentre libre.Los tiempos de propagación largos deben ser evitados, puesto que si no,aumenta la probabilidad de que varias estaciones intenten acceder almedio a la vez produciendo colisiones, al interpretar que el medio estálibre, cuando de hecho ya ha sido ocupado por la trama de otra estación.El retardo impide que las demás se enteren a tiempo. Este protocolo sedenomina CSMA 1−persistente porque hay una probabilidad 1 (es decircerteza) de que la trama se transmita cuando el canal esté libre.
CSMA/BA (Collision Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration): Si dosnodos están hablando al mismo tiempo, se les para y según la direcciónse determina quien transmite primero.
CSMA/CD 1-Persistente.
http://web.archive.org/web/20090219074248/http://211.65.48.150/pages/network/Networks_6.pdf
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SDMA (Acceso múltiple por división de
espacio)
El Acceso múltiple por división de espacio (Space
Division Multiple Access o SDMA, del inglés) es una
tecnología que segmenta el espacio en sectores utilizando
antenas unidireccionales.
Se utiliza generalmente en comunicaciones por satélite, pero
también en redes celulares para reducir el número de
estaciones base.
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Características
Permite mas de un usuario en cada celda o sector.
En una estructura celular, se requieren antenas fijas
direccionales.
Incrementa la capacidad por kilómetro cuadrado.
Es muy simple de implementar y sólo es útil en combinación
con FDMA, TDMA o CDMA.
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