Método de acceso al canal

El esquema de acceso al canal por división de frecuencia (FDMA) es el sistema analógico más estándar, basado en el esquema de multiplexación por división de frecuencia (FDM), que proporciona diferentes bandas de frecuencia a diferentes flujos de datos. En el caso de FDMA, las bandas de frecuencia se asignan a diferentes nodos o dispositivos. Un ejemplo de sistemas FDMA fueron los sistemas de telefonía móvil 1G de primera generación , donde cada llamada telefónica se asignaba a un canal de frecuencia de enlace ascendente específico y a otro canal de frecuencia de enlace descendente. Cada señal de mensaje (cada llamada telefónica) se modula en una frecuencia portadora específica .

Una técnica relacionada es el acceso múltiple por división de longitud de onda (WDMA), basado en la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), donde diferentes flujos de datos obtienen diferentes colores en las comunicaciones por fibra óptica. En el caso de WDMA, diferentes nodos de red en una red de bus o concentrador obtienen un color diferente. ^{[ 8 ]}

Una forma avanzada de FDMA es el esquema de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), utilizado, por ejemplo, en sistemas de comunicación celular 4G . En OFDMA, cada nodo puede usar varias subportadoras, lo que permite ofrecer diferentes calidades de servicio (diferentes velocidades de datos) a diferentes usuarios. La asignación de subportadoras a los usuarios puede modificarse dinámicamente, en función de las condiciones actuales del canal de radio y la carga de tráfico. El FDMA de portadora única (SC-FDMA), también conocido como OFDMA precodificado linealmente (LP-OFDMA), se basa en la ecualización en el dominio de la frecuencia de portadora única (SC-FDE).

El esquema de acceso al canal por división de tiempo (TDMA) se basa en la multiplexación por división de tiempo (TDM). TDMA asigna diferentes intervalos de tiempo a diferentes transmisores en una estructura de trama cíclica y repetitiva. Por ejemplo, el nodo 1 puede usar el intervalo de tiempo 1, el nodo 2 el intervalo de tiempo 2, etc., hasta el último transmisor, momento en el que el ciclo se reinicia. Una forma avanzada es el TDMA dinámico (DTDMA), donde la asignación de transmisores a intervalos de tiempo varía en cada trama.

El acceso múltiple por división de tiempo multifrecuencia (MF-TDMA) combina el acceso múltiple por tiempo y frecuencia. Por ejemplo, los sistemas celulares 2G se basan en una combinación de TDMA y FDMA. Cada canal de frecuencia se divide en ocho intervalos de tiempo, de los cuales siete se utilizan para siete llamadas telefónicas y uno para datos de señalización .

El acceso múltiple por multiplexación por división de tiempo estadística también se basa típicamente en la multiplexación en el dominio del tiempo, pero no en una estructura de trama cíclicamente repetitiva. Debido a su carácter aleatorio, puede clasificarse como un método de multiplexación estadística y es capaz de asignar ancho de banda dinámico . Esto requiere un protocolo de control de acceso al medio (MAC), es decir, un principio para que los nodos se turnen en el canal y eviten colisiones. Ejemplos comunes son CSMA/CD , utilizado en redes de bus Ethernet y redes de concentradores, y CSMA/CA , utilizado en redes inalámbricas como IEEE 802.11 .

El esquema de acceso múltiple por división de código (CDMA) se basa en el espectro ensanchado , lo que significa que se utiliza un ancho de banda de canal de radio mayor que el que requiere la velocidad de datos de los flujos de bits individuales, y varias señales de mensaje se transmiten simultáneamente sobre la misma frecuencia portadora, utilizando diferentes códigos de dispersión. Según el teorema de Shannon-Hartley , el amplio ancho de banda permite transmitir con una relación señal/ruido muy inferior a 1 (menos de 0  dB), lo que significa que la potencia de transmisión se puede reducir a un nivel inferior al del ruido y la interferencia cocanal de otras señales de mensaje que comparten el mismo rango de frecuencia.

Una de sus variantes es la CDMA de secuencia directa (DS-CDMA), basada en el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), utilizada, por ejemplo, en sistemas de telefonía móvil 3G . Cada bit de información (o cada símbolo) se representa mediante una larga secuencia de códigos de varios pulsos, denominados chips. Esta secuencia es el código de dispersión, y cada señal de mensaje (por ejemplo, cada llamada telefónica) utiliza un código de dispersión diferente.

Otra forma es la CDMA con salto de frecuencia (FH-CDMA), basada en el espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), donde la frecuencia del canal cambia rápidamente según una secuencia que constituye el código de dispersión. Por ejemplo, el sistema de comunicación Bluetooth se basa en una combinación de salto de frecuencia y comunicación por multiplexación por división de tiempo estadística CSMA/CA (para aplicaciones de comunicación de datos ) o TDMA (para transmisión de audio). Todos los nodos pertenecientes al mismo usuario (a la misma piconet ) utilizan la misma secuencia de salto de frecuencia de forma síncrona, lo que significa que transmiten en el mismo canal de frecuencia, pero se utiliza CDMA/CA o TDMA para evitar colisiones dentro de la red de área personal virtual (VPAN). Bluetooth utiliza el salto de frecuencia para reducir la diafonía y la probabilidad de colisión entre nodos en diferentes VPAN.

Otras técnicas incluyen OFDMA y acceso múltiple por división de código multicarrier (MC-CDMA).

El acceso múltiple por división espacial (SDMA) transmite información diferente en distintas áreas físicas. Algunos ejemplos son los sistemas de radio celular sencillos y los sistemas celulares más avanzados que utilizan antenas direccionales y modulación de potencia para optimizar los patrones de transmisión espacial.

El esquema de acceso múltiple por división de potencia ( PDMA ) se basa en el uso de potencia de transmisión variable entre usuarios para compartir la potencia disponible en el canal. Un ejemplo son los módems SCPC múltiples en un transpondedor satelital, donde los usuarios obtienen bajo demanda una mayor proporción del presupuesto de potencia para transmitir a velocidades de datos más altas. ^{[ 9 ]}

Los métodos de acceso al canal en modo paquete seleccionan un único transmisor de red durante la transmisión de un paquete. Algunos métodos son más adecuados para la comunicación por cable, mientras que otros lo son para la comunicación inalámbrica. ^{[ 1 ]}

Los protocolos de acceso múltiple por multiplexación por división de tiempo estadístico comunes para redes cableadas multipunto incluyen:

• Acceso múltiple con detección de colisiones y detección de portadora (CSMA/CD), utilizado en Ethernet e IEEE 802.3.
• Acceso múltiple con sistema de prevención de colisiones (MACA)
• Acceso múltiple con prevención de colisiones para redes inalámbricas (MACAW)
• Acceso múltiple con detección de portadora (CSMA)
• Acceso múltiple con detección de portadora, prevención de colisiones y resolución mediante prioridades (CSMA/CARP)
• Arbitraje bit a bit basado en interferencia constructiva, tal como se utiliza en el bus CAN.
• Autobús de fichas (IEEE 802.4)
• Anillo de tokens (IEEE 802.5)
• Paso de testigo , utilizado en FDDI
• Acceso múltiple por división de tiempo dinámico (TDMA dinámico)

Entre los protocolos de acceso múltiple comunes que pueden utilizarse en redes inalámbricas de radio por paquetes se incluyen:

• Acceso múltiple con detección de portadora y prevención de colisiones (CSMA/CA), utilizado en IEEE 802.11 / WiFi , que potencialmente utiliza una función de coordinación distribuida.
• ALOHA y ALOHA ranurada, utilizados en ALOHAnet
• Reserva ALOHA (R-ALOHA)
• Aloha móvil ranurado (MS-ALOHA)
• Acceso múltiple por división de código (CDMA)
• Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA)
• Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)

Cuando estos métodos se utilizan para dividir los canales de comunicación de ida y vuelta, se conocen como métodos de dúplex . Un sistema de comunicación dúplex puede ser semidúplex o dúplex completo . En un sistema semidúplex, la comunicación solo funciona en una dirección a la vez. Un walkie-talkie es un ejemplo de sistema semidúplex porque ambos usuarios pueden comunicarse entre sí, pero no al mismo tiempo; uno tiene que terminar de transmitir antes de que la siguiente persona pueda comenzar. En un sistema dúplex completo, ambos usuarios pueden comunicarse al mismo tiempo. Un teléfono es el ejemplo más común de un sistema dúplex completo porque ambos usuarios pueden hablar y ser escuchados al mismo tiempo en cada extremo. Algunos tipos de métodos de dúplex completo son:

• Dúplex por división de tiempo (TDD)
• Dúplex por división de frecuencia (FDD)
• Cancelación de eco

En las redes de área local (LAN) y las redes de área metropolitana (MAN), los métodos de acceso múltiple permiten redes de bus, redes de anillo, redes en estrella, redes inalámbricas y comunicación punto a punto semidúplex, pero no son necesarios en las líneas seriales punto a punto dúplex completo entre conmutadores y enrutadores de red. El método de acceso múltiple más común es CSMA/CD, que se utiliza en Ethernet . Si bien las instalaciones Ethernet actuales utilizan conexiones dúplex completo directamente a los conmutadores , CSMA/CD todavía se implementa para lograr compatibilidad con concentradores repetidores más antiguos .

En las comunicaciones por satélite , el acceso múltiple es la capacidad de un satélite de comunicaciones para funcionar simultáneamente como parte de un enlace de comunicaciones entre más de un par de terminales terrestres. Actualmente, se utilizan tres tipos de acceso múltiple en satélites de comunicaciones: acceso múltiple por división de código , acceso múltiple por división de frecuencia y acceso múltiple por división de tiempo .

En las redes celulares , las dos tecnologías más utilizadas son CDMA y TDMA. La tecnología TDMA funciona identificando pausas naturales en el habla y utilizando una onda de radio para admitir múltiples transmisiones de forma secuencial. En la tecnología CDMA, cada paquete individual recibe un código único que se divide en un amplio espectro de frecuencias y luego se recompone en el otro extremo. CDMA permite que varias personas hablen al mismo tiempo en la misma frecuencia, lo que permite transmitir más conversaciones en la misma cantidad de espectro; esta es una de las razones por las que CDMA se convirtió finalmente en el método de acceso al canal más utilizado en la industria inalámbrica. ^{[ 10 ]}

Los orígenes de CDMA se remontan a la década de 1940, cuando fue patentado por el gobierno de Estados Unidos y utilizado durante la Segunda Guerra Mundial para transmitir mensajes. Sin embargo, tras la guerra, la patente expiró y el uso de CDMA disminuyó, siendo ampliamente reemplazado por TDMA. ^{[ 10 ]} Esto cambió cuando Irwin M. Jacobs, ingeniero del MIT, y sus compañeros de la empresa Linkabit fundaron la compañía de telecomunicaciones Qualcomm . ^{[ 11 ]} En el momento de la fundación de Qualcomm, Jacobs ya trabajaba en la solución de problemas de telecomunicaciones para el ejército, utilizando tecnología digital para aumentar la capacidad del espectro. ^{[ 12 ]} Qualcomm sabía que CDMA aumentaría considerablemente la eficiencia y la disponibilidad de las comunicaciones inalámbricas, pero la industria inalámbrica, que ya había invertido millones de dólares en TDMA, se mostraba escéptica. ^{[ 12 ]} Jacobs y Qualcomm dedicaron varios años a mejorar la infraestructura y a realizar pruebas y demostraciones de CDMA. En 1993, CDMA se consolidó como el estándar de la industria inalámbrica. Para 1995, CDMA se utilizaba comercialmente en la industria inalámbrica como base de 2G . ^{[ 10 ]}