Método de acceso al canal para redes que utilizan un medio de comunicación compartido
Estructura de trama TDMA que muestra un flujo de datos dividido en tramas y esas tramas divididas en intervalos de tiempo
El acceso múltiple por división de tiempo ( TDMA ) es un método de acceso a canales para redes de medio compartido . Permite que varios usuarios compartan el mismo canal de frecuencia dividiendo la señal en diferentes intervalos de tiempo. [1] Los usuarios transmiten en rápida sucesión, uno tras otro, cada uno utilizando su propio intervalo de tiempo. Esto permite que varias estaciones compartan el mismo medio de transmisión (por ejemplo, canal de radiofrecuencia) mientras utilizan solo una parte de su capacidad de canal . El TDMA dinámico es una variante de TDMA que reserva dinámicamente un número variable de intervalos de tiempo en cada trama para flujos de datos de tasa de bits variable, en función de la demanda de tráfico de cada flujo de datos.
TDMA es un tipo de multiplexación por división de tiempo (TDM), con la particularidad de que en lugar de tener un transmisor conectado a un receptor , hay varios transmisores. En el caso del enlace ascendente desde un teléfono móvil a una estación base, esto se vuelve particularmente difícil porque el teléfono móvil puede moverse y variar el avance de tiempo necesario para que su transmisión coincida con el intervalo de transmisión de sus pares.
Características
Comparte una única frecuencia portadora con múltiples usuarios
La transmisión no continua hace que la transferencia sea más sencilla
Las ranuras se pueden asignar a demanda en TDMA dinámico
Control de potencia menos estricto que CDMA debido a la interferencia intracelular reducida
La respiración celular (tomar prestados recursos de las células adyacentes) es más complicada que en CDMA
Complejidad de asignación de frecuencias/ranuras
Envolvente de potencia pulsante: interferencias con otros dispositivos
En sistemas de telefonía móvil
Sistemas 2G
La mayoría de los sistemas celulares 2G, con la notable excepción de IS-95 , se basan en TDMA. GSM , D-AMPS , PDC , iDEN y PHS son ejemplos de sistemas celulares TDMA.
En el sistema GSM, la sincronización de los teléfonos móviles se logra enviando comandos de avance de tiempo desde la estación base que indican al teléfono móvil que debe transmitir antes y con qué frecuencia. Esto compensa el retraso de propagación de la velocidad de la luz . El teléfono móvil no puede transmitir durante todo su intervalo de tiempo; hay un intervalo de guarda al final de cada intervalo de tiempo. A medida que la transmisión avanza hacia el período de guarda, la red móvil ajusta el avance de tiempo para sincronizar la transmisión.
La sincronización inicial de un teléfono requiere aún más cuidado. Antes de que un móvil transmita no hay forma de saber el desfase necesario. Por este motivo, se debe dedicar un intervalo de tiempo completo a los móviles que intentan contactar con la red; esto se conoce como canal de acceso aleatorio (RACH) en GSM. El móvil transmite al principio del intervalo de tiempo que recibe de la red. Si el móvil está cerca de la estación base, el retardo de propagación es corto y la iniciación puede tener éxito. Sin embargo, si el teléfono móvil está a menos de 35 km de la estación base, el retardo significará que la transmisión del móvil llegará al final del intervalo de tiempo. En este caso, se le indicará al móvil que transmita sus mensajes comenzando casi un intervalo de tiempo completo antes para que pueda recibirlos en el momento adecuado. Finalmente, si el móvil está más allá del alcance celular de 35 km de GSM, la transmisión llegará en un intervalo de tiempo cercano y se ignorará. Es esta característica, más que las limitaciones de potencia, la que limita el alcance de una célula GSM a 35 km cuando no se utilizan técnicas de extensión especiales. Sin embargo, modificando la sincronización entre el enlace ascendente y el enlace descendente en la estación base, se puede superar esta limitación. [ cita requerida ]
Sistemas 3G
En el contexto de los sistemas 3G, la integración del acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) con el acceso múltiple por división de código (CDMA) y la duplicación por división de tiempo (TDD) en el sistema universal de telecomunicaciones móviles (UMTS) representa un enfoque sofisticado para optimizar la eficiencia del espectro y el rendimiento de la red. [6]
UTRA-FDD (Frequency Division Duplex) emplea CDMA y FDD, donde se asignan bandas de frecuencia separadas para transmisiones de enlace ascendente y descendente. Esta separación minimiza la interferencia y permite la transmisión continua de datos en ambas direcciones, lo que la hace adecuada para entornos con cargas de tráfico equilibradas. [7]
Por otra parte, el UTRA-TDD (Time Division Duplex) combina CDMA con TDMA y TDD. En este esquema, se utiliza la misma banda de frecuencia tanto para el enlace ascendente como para el descendente, pero en momentos diferentes. Esta separación basada en el tiempo es particularmente ventajosa en escenarios con cargas de tráfico asimétricas, donde las velocidades de datos para el enlace ascendente y el descendente difieren significativamente. Al asignar dinámicamente intervalos de tiempo en función de la demanda, el UTRA-TDD puede gestionar de manera eficiente los patrones de tráfico variables y mejorar la capacidad general de la red. [7] [8]
La combinación de estas tecnologías en UMTS permite un uso más flexible y eficiente del espectro disponible, atendiendo a diversas demandas de los usuarios y mejorando la adaptabilidad de las redes 3G a diferentes entornos operativos. [7]
En redes cableadas
El estándar ITU-T G.hn , que proporciona redes de área local de alta velocidad a través del cableado doméstico existente (líneas eléctricas, líneas telefónicas y cables coaxiales), se basa en un esquema TDMA. En G.hn , un dispositivo "maestro" asigna "oportunidades de transmisión sin contención" (CFTXOP) a otros dispositivos "esclavos" de la red. Solo un dispositivo puede utilizar una CFTXOP a la vez, lo que evita colisiones. El protocolo FlexRay , que también es una red cableada utilizada para comunicaciones críticas de seguridad en los automóviles modernos, utiliza el método TDMA para el control de la transmisión de datos.
Comparación con otros esquemas de acceso múltiple
En los sistemas de radio, el TDMA se suele utilizar junto con el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) y el dúplex por división de frecuencia (FDD); la combinación se conoce como FDMA/TDMA/FDD. Este es el caso, por ejemplo, tanto en GSM como en IS-136. Las excepciones a esto incluyen los sistemas microcelulares DECT y PHS ( sistema de telefonía móvil personal ), la variante UMTS-TDD y el TD-SCDMA de China , que utilizan dúplex por división de tiempo, donde se asignan diferentes intervalos de tiempo para la estación base y los teléfonos móviles en la misma frecuencia.
Una ventaja importante de TDMA es que la parte de radio del móvil sólo necesita escuchar y transmitir durante su propio intervalo de tiempo. Durante el resto del tiempo, el móvil puede realizar mediciones en la red, detectando transmisores circundantes en diferentes frecuencias. Esto permite transferencias seguras entre frecuencias , algo que es difícil en los sistemas CDMA, no compatible en absoluto en IS-95 y compatible mediante adiciones complejas al sistema en el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS). Esto, a su vez, permite la coexistencia de capas de microceldas con capas de macroceldas .
En comparación, el CDMA admite una "transferencia suave", que permite que un teléfono móvil se comunique con hasta seis estaciones base simultáneamente, un tipo de "transferencia en la misma frecuencia". Se compara la calidad de los paquetes entrantes y se selecciona el mejor. La característica de "respiración celular" del CDMA, en la que un terminal en el límite de dos celdas congestionadas no puede recibir una señal clara, a menudo puede anular esta ventaja durante los períodos pico.
Una desventaja de los sistemas TDMA es que crean interferencias en una frecuencia que está directamente relacionada con la longitud del intervalo de tiempo. Se trata del zumbido que a veces se puede oír si se deja un teléfono TDMA cerca de una radio o de unos altavoces. [9] Otra desventaja es que el "tiempo muerto" entre intervalos de tiempo limita el ancho de banda potencial de un canal TDMA. Esto se implementa en parte debido a la dificultad de garantizar que los diferentes terminales transmitan exactamente en los momentos necesarios. Los teléfonos móviles tendrán que ajustar constantemente sus tiempos para garantizar que su transmisión se reciba exactamente en el momento adecuado, porque a medida que se alejan de la estación base, su señal tardará más en llegar. Esto también significa que los principales sistemas TDMA tienen límites estrictos en cuanto al tamaño de las celdas en términos de alcance, aunque en la práctica los niveles de potencia necesarios para recibir y transmitir a distancias mayores que el alcance admitido serían en su mayoría imprácticos de todos modos.
Ventajas de TDMA
TDMA (acceso múltiple por división de tiempo) es un método de comunicación que asigna ancho de banda de radiofrecuencia (RF) en intervalos de tiempo discretos, lo que permite que varios usuarios compartan el canal de manera secuencial. Este enfoque no solo mejora la eficiencia del espectro en comparación con los sistemas analógicos, sino que también ofrece varias ventajas específicas que mejoran la calidad de la comunicación y el rendimiento del sistema. [10]
Ventajas de TDMA:
Eficiencia de espectro mejorada : TDMA maximiza el uso del ancho de banda disponible al permitir que varios usuarios compartan el mismo canal sin superposición. A cada usuario se le asigna un intervalo de tiempo específico, lo que garantiza que se utilice por completo la capacidad del canal, lo que aumenta la eficiencia general del sistema.
Reducción de la interferencia entre símbolos : al asignar intervalos de tiempo que no se superponen a los usuarios, TDMA reduce significativamente el riesgo de interferencia entre símbolos. Esta interferencia se produce cuando las señales de símbolos adyacentes se superponen, lo que genera distorsión y errores de comunicación. La clara separación de los intervalos de tiempo garantiza que cada símbolo se transmita de forma distinta, lo que mejora la fiabilidad y la claridad de la señal.
Eliminación de bandas de protección : dado que los canales adyacentes en TDMA no interfieren entre sí, no hay necesidad de bandas de protección (rangos de frecuencia no utilizados que normalmente separan los canales para evitar interferencias en otros sistemas). Esta ausencia de bandas de protección permite un uso más eficiente del espectro disponible, lo que proporciona capacidad adicional para más usuarios. [11]
Asignación de velocidad flexible : TDMA admite la asignación dinámica de franjas horarias, lo que permite que el sistema se adapte a las distintas demandas de los usuarios. Se pueden asignar múltiples franjas horarias a los usuarios en función de sus necesidades de transmisión de datos, que pueden variar debido a factores como la duración de la llamada o los requisitos de datos. Esta flexibilidad optimiza el uso de los recursos y puede mejorar la experiencia general del usuario.
Bajo consumo de batería : a diferencia de FDMA (acceso múltiple por división de frecuencia), que requiere una transmisión continua, TDMA funciona de manera discontinua. Cada transmisor se puede apagar cuando no se utiliza, lo que supone un importante ahorro de energía. Esto resulta especialmente ventajoso para los dispositivos móviles, ya que prolonga la vida útil de la batería y reduce la necesidad de recargas frecuentes.
Implementación simplificada : la naturaleza basada en el tiempo de TDMA simplifica la implementación de mecanismos de sincronización entre usuarios. A medida que los usuarios se turnan para usar el canal, el sistema puede gestionar más fácilmente la sincronización y la coordinación en comparación con métodos más complejos como CDMA (Acceso múltiple por división de código), donde las señales se superponen. [12]
Escalabilidad : los sistemas TDMA se pueden escalar de manera eficaz para adaptarse a un número creciente de usuarios. A medida que aumenta la demanda, se pueden introducir franjas horarias adicionales sin necesidad de realizar cambios significativos en la infraestructura existente, lo que facilita la expansión de la capacidad de la red.
Calidad de servicio mejorada (QoS) : con la capacidad de asignar franjas horarias específicas y gestionar el acceso de los usuarios de forma dinámica, TDMA puede mejorar la calidad general del servicio. Esto puede generar una latencia reducida y un mayor rendimiento, lo que garantiza que los usuarios experimenten una comunicación confiable y eficiente.
Desventajas de TDMA:
Intervalos de guarda : para evitar interferencias entre ranuras TDMA adyacentes, se deben agregar intervalos de guarda. Estos intervalos, que suelen oscilar entre 30 y 50 microsegundos, sirven como búfer para garantizar que las transmisiones no se superpongan. Sin embargo, este requisito de tiempo adicional significa que se puede reducir el rendimiento general del sistema, ya que se gasta un tiempo valioso en intervalos de guarda en lugar de transmitir datos. Esto es particularmente problemático en redes celulares donde el tiempo y la eficiencia energética son primordiales. [13]
Consumo de energía : si bien la tecnología TDMA permite ahorrar algo de energía al apagar los transmisores durante los períodos de inactividad, la inclusión de intervalos de guarda puede contrarrestar estos beneficios. La necesidad de sincronización y la sobrecarga asociada con la gestión de franjas horarias pueden generar un mayor consumo de energía, en particular en situaciones en las que numerosos usuarios compiten por el acceso al canal. Esto puede ser un problema crítico para los dispositivos móviles que dependen de la energía de la batería.
Desafíos de sincronización : TDMA requiere una sincronización precisa entre todos los usuarios para garantizar que cada uno transmita dentro de su franja horaria designada. Esto puede complicar el diseño y la implementación del sistema, especialmente en entornos dinámicos donde los usuarios pueden unirse o abandonar la red con frecuencia. Mantener la sincronización se vuelve cada vez más difícil a medida que aumenta la cantidad de usuarios, lo que genera posibles interrupciones y errores de comunicación si no se gestiona de manera eficaz.
Velocidades de datos limitadas : TDMA generalmente proporciona velocidades de datos medias en comparación con otras técnicas de acceso múltiple como CDMA (Acceso múltiple por división de código). Esta limitación surge de la asignación de intervalos de tiempo fijos, que pueden restringir la cantidad de datos que se pueden transmitir en un período de tiempo determinado. Como resultado, los usuarios con mayores requisitos de datos pueden experimentar velocidades de transmisión más lentas, lo que genera una posible insatisfacción y un rendimiento reducido para aplicaciones con uso intensivo de datos.
Flexibilidad moderada del sistema : TDMA ofrece una flexibilidad moderada en términos de asignación de usuarios y velocidades de transmisión de datos. A diferencia de CDMA, que permite un uso más dinámico y adaptativo del ancho de banda, la asignación de intervalos de tiempo fijos de TDMA puede generar ineficiencias. En escenarios en los que la demanda de los usuarios fluctúa significativamente, la estructura rígida de TDMA puede dar lugar a una subutilización de los recursos, ya que no todos los intervalos de tiempo pueden llenarse durante períodos de baja demanda. [14]
Problemas de latencia : debido a la naturaleza de tiempo compartido de TDMA, los usuarios pueden experimentar una mayor latencia. Cuando varios usuarios están conectados, cada uno debe esperar su franja horaria designada para transmitir datos. En aplicaciones que requieren comunicación en tiempo real, como llamadas de voz o videoconferencias, este retraso adicional puede afectar la calidad del servicio, lo que genera demoras y una menor capacidad de respuesta.
Restricciones de escalabilidad : si bien TDMA puede adaptarse a un número creciente de usuarios agregando más franjas horarias, esta escalabilidad está limitada por la necesidad de sincronización y la naturaleza fija de las asignaciones de franjas horarias. A medida que aumenta la demanda de los usuarios, el sistema puede enfrentar desafíos para mantener los niveles de rendimiento sin una inversión significativa en actualizaciones de infraestructura o sistemas de gestión más complejos. [15]
TDMA dinámico
En el acceso múltiple por división de tiempo dinámico ( TDMA dinámico ), un algoritmo de programación reserva dinámicamente una cantidad variable de intervalos de tiempo en cada trama para flujos de datos de velocidad de bits variable, en función de la demanda de tráfico de cada flujo de datos. El TDMA dinámico se utiliza en
^ Maine, K.; Devieux, C.; Swan, P. (noviembre de 1995). Panorama general de la red satelital IRIDIUM. WESCON'95. IEEE. pág. 483.
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