5.4: Esquemas de acceso múltiple

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Se han desarrollado muchos esquemas para permitir que múltiples usuarios compartan una banda de frecuencia. El esquema más simple que requiere la menor sofisticación en la gestión de canales es el esquema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), mostrado en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a), donde los números indican un usuario en particular. En FDMA el espectro disponible se divide por frecuencia, con cada usuario asignado una banda de frecuencia estrecha que se mantiene durante la duración de una llamada. Esto se puede implementar convenientemente en radio analógica. En la operación dúplex se asigna un canal de frecuencia para el enlace ascendente así como el enlace descendente. Un ejemplo de donde se usa FDMA es AMPS, donde\(30\text{ kHz}\) se asigna a cada canal. Claramente esto es un derroche de espectro, ya que no toda la banda se usa continuamente.

En la primera técnica de acceso digital, acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), mostrada en la Figura\(\PageIndex{4}\) (b), un flujo de bits se divide entre unos pocos usuarios que utilizan el mismo canal físico. En el sistema de telefonía móvil GSM,\(^{1}\) un canal físico se divide en ocho intervalos de tiempo y se asigna un usuario a cada uno de manera que ocho usuarios puedan ser soportados en cada canal físico. Así, los canales lógicos se dividen tanto en frecuencia como en tiempo. En un sistema TDMA, la estación base transmite un flujo continuo de datos que contiene tramas de intervalos de tiempo para múltiples usuarios. La unidad móvil escucha este flujo continuo, extrayendo y procesando únicamente las franjas horarias asignadas a la misma. En la transmisión inversa, la unidad móvil transmite a la estación base en ráfagas solo en sus intervalos de tiempo asignados. Esta es otra complicación más para el diseño de RF de los sistemas TDMA. La circuitería de RF opera en un modo de ráfaga con restricciones en el tiempo de asentamiento. Una de las ventajas de GSM es que se pueden asignar múltiples ranuras al mismo usuario para soportar altas velocidades de datos y se pueden omitir ranuras de tiempo.

Otra técnica que se puede utilizar en la radio digital es el espectro ensanchado (SS [12]), cuya invención se atribuye a Hedwig Kiesler Markey\(^{2}\). La mayor parte del desarrollo del espectro extendido fue secreto hasta mediados de la década de 1970. Existen dos tipos principales de técnicas de espectro expandido utilizadas en la comunicación multiusuario: secuencia directa y salto de frecuencia. Es tanto una técnica de acceso como una forma de asegurar las comunicaciones. El acceso múltiple por división de código de secuencia directa (DS-CDMA)\(^{3}\) se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (c). DSCDMA mezcla la señal de banda base con una señal de código de expansión de banda ancha para producir una señal de banda ancha que luego se usa para modular una señal de RF [13, 14, 15]. Este proceso se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La velocidad del código de ensanchamiento se conoce como la velocidad de chip en lugar de la velocidad de bits, que se reserva para la velocidad de la señal portadora de información. Se utiliza un código único para

Figura\(\PageIndex{1}\): Esquemas de acceso múltiple para soportar múltiples usuarios con cada usuario indicado por un número excepto para (b), TDMA, donde los números indican intervalos de tiempo.

Figura\(\PageIndex{2}\): Esquema de bloques de la operación de un radio de espectro ensanchado CDMAone.

Figura\(\PageIndex{3}\): Bases de la comunicación multiusuario de espectro expandido.

“codifica” la señal de banda base original, y la señal original solo se puede recuperar usando ese código en particular. El sistema puede soportar muchos usuarios, con cada usuario asignado un código único, de ahí el término acceso múltiple por división de código (CDMA). Otra interpretación del proceso DS-CDMA se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (a). Una de las características únicas es que diferentes usuarios están usando la misma banda de frecuencia al mismo tiempo. CDMA se utiliza en el sistema CDMA de banda ancha 3G (WCDMA).

Otra forma de acceso CDMA es el esquema CDMA de salto de frecuencia (FH-CDMA) mostrado en las Figuras\(\PageIndex{1}\) (d) y\(\PageIndex{3}\) (b). Este esquema utiliza espectro ensanchado de salto de frecuencia (FHSS) para separar a los usuarios. Para un usuario en particular, se usa un código para determinar la secuencia de saltos y los saltos pueden ocurrir más rápido que la velocidad de datos. La señal solo puede ser reensamblada en el receptor si se conoce el código de salto. FH-CDMA es útil en entornos no regulados, como una red de radio ad hoc, donde no es posible coordinar múltiples usuarios. En este caso, dos usuarios pueden transmitir información en la misma banda de frecuencia al mismo tiempo con corrección de errores por errores ocasionales. FH-CDMA se usa comúnmente en radios para trabajadores de emergencia y por militares.

Otro esquema de acceso múltiple es el acceso múltiple con sentido de portadora (CSMA), que se utiliza en el sistema WiFi (IEEE 802.11). El esquema de acceso se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (e). Este esquema también se utiliza en ambientes hostiles donde diversas radios no pueden estar bien coordinadas. En CSMA, los usuarios transmiten en diferentes momentos, pero sin coordinación. Una unidad terminal escucha el canal y transmite un paquete de datos cuando está libre. Las colisiones son inevitables y se pierden datos, requiriendo retransmisión de datos, pero los terminales utilizan un retardo aleatorio antes de retransmitir datos. En el caso de WiFi hay varios canales y si las colisiones son excesivas se puede seleccionar otro canal ya sea como el canal de arranque preferido o en sistemas evolucionados bajo control de unidad central.

El acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) se utiliza en la interoperabilidad mundial para el acceso por microondas (WiMAX) y en la radio celular 4G y 5G. Supera muchas de las limitaciones de rendimiento encontradas con CSMA ya que se utiliza la asignación de canales efectivos. OFDMA se basa en la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) introducida en la Sección 5.10.2.

Notas al pie

[1] GSM significa 2G Global System for Mobile Communications y antes era conocido como Groupe Special Mobile. El sistema se desplegó en todo el mundo en 1991. Una nota interesante al pie de página es que el grupo GSM inició discusiones que condujeron al sistema en 1982. A mediados de la década de 1980 había muchas versiones diferentes del sistema GSM en Europa. La Unión Europea (UE) intervino y todos los países miembros adoptaron una norma única.

[2] La invención de 1940 se describe en [12]. La patente describe un esquema de salto de frecuencia para hacer que los torpedos guiados por radio sean inmunes a la interferencia usando un piano roll para saltar entre frecuencias\(88\) portadoras.

[3] El DS-CDMA generalmente se conoce como solo CDMA.