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 se utiliza en los sistemas celulares digitales 2G como el Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM), IS-136 , Celular Digital Personal (PDC) e iDEN , y en el estándar de Telecomunicaciones Inalámbricas Digitales Mejoradas (DECT) para teléfonos portátiles . TDMA fue utilizado por primera vez en sistemas de comunicación por satélite por Western Union en su satélite de comunicaciones Westar 3 en 1979. Ahora se utiliza ampliamente en comunicaciones por satélite, [2] [3] [4] [5] sistemas de radio de red de combate y redes ópticas pasivas (PON) para tráfico ascendente desde las instalaciones hasta el operador.
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.
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 ]
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]
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.
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 denomina 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 microcélulas con capas de macrocélulas .
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.
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