En telecomunicaciones y redes informáticas , un método de acceso a canal o método de acceso múltiple permite que más de dos terminales conectados al mismo medio de transmisión transmitan sobre él y compartan su capacidad. [1] Ejemplos de medios físicos compartidos son las redes inalámbricas , las redes de bus , las redes en anillo y los enlaces punto a punto que funcionan en modo semidúplex .
Un método de acceso a un canal se basa en la multiplexación , que permite que varios flujos de datos o señales compartan el mismo canal de comunicación o medio de transmisión. En este contexto, la multiplexación la proporciona la capa física .
Un método de acceso a un canal también puede ser parte del protocolo de acceso múltiple y del mecanismo de control, también conocido como control de acceso al medio (MAC). El control de acceso al medio se ocupa de cuestiones como el direccionamiento, la asignación de canales multiplexados a diferentes usuarios y la prevención de colisiones. El control de acceso al medio es una subcapa de la capa de enlace de datos del modelo OSI y un componente de la capa de enlace del modelo TCP/IP .
En la literatura se han utilizado varias formas de categorizar los esquemas y protocolos de acceso múltiple. Por ejemplo, Daniel Minoli (2009) [2] identifica cinco tipos principales de esquemas de acceso múltiple: FDMA , TDMA , CDMA , SDMA y acceso aleatorio . R. Rom y M. Sidi (1990) [3] categorizan los protocolos en protocolos de acceso libre de conflictos , protocolos Aloha y protocolos de detección de portadora .
El Manual de Telecomunicaciones (Terplan y Morreale, 2000) [4] identifica las siguientes categorías MAC:
Los esquemas de acceso al canal generalmente se dividen en las siguientes categorías: [1] [5] [6]
El esquema de acceso a canal de acceso múltiple 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 los diferentes flujos de datos obtienen diferentes colores en las comunicaciones por fibra óptica. En el caso de WDMA, los diferentes nodos de red en una red de bus o concentrador obtienen un color diferente. [7]
Una forma avanzada de FDMA es el esquema de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), por ejemplo, utilizado en los sistemas de comunicación celular 4G . En OFDMA, cada nodo puede utilizar varias subportadoras, lo que permite proporcionar una calidad de servicio diferente (diferentes velocidades de datos) a diferentes usuarios. La asignación de subportadoras a los usuarios puede cambiar de forma dinámica, 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 frecuencia de portadora única (SC-FDE).
El esquema de acceso al canal de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) se basa en el esquema de multiplexación por división de tiempo (TDM). El TDMA proporciona diferentes intervalos de tiempo a diferentes transmisores en una estructura de trama repetitiva cíclica. Por ejemplo, el nodo 1 puede utilizar el intervalo de tiempo 1, el nodo 2 el intervalo de tiempo 2, etc. hasta el último transmisor, momento en el que comienza de nuevo. Una forma avanzada es el TDMA dinámico (DTDMA), en el que 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 estadística por división de tiempo también suele basarse en la multiplexación en el dominio del tiempo, pero no en una estructura de trama repetitiva cíclica. Debido a su carácter aleatorio, se puede categorizar como métodos de multiplexación estadística y es capaz de asignar dinámicamente el ancho de banda . 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. Algunos 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 más amplio que el que requiere la velocidad de datos de los flujos de bits individuales, y se transfieren varias señales de mensaje simultáneamente sobre la misma frecuencia portadora, utilizando diferentes códigos de ensanchamiento. Según el teorema de Shannon-Hartley , el ancho de banda amplio permite enviar con una relación señal-ruido de mucho menor que 1 (menos de 0 dB), lo que significa que la potencia de transmisión se puede reducir a un nivel por debajo del nivel del ruido y la interferencia cocanal de otras señales de mensaje que comparten el mismo rango de frecuencia.
Una forma es el CDMA de secuencia directa (DS-CDMA), basado en el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), utilizado por ejemplo en los sistemas de telefonía móvil 3G . Cada bit de información (o cada símbolo) está representado por una larga secuencia de código de varios pulsos, llamados chips. La secuencia es el código de ensanchamiento, y cada señal de mensaje (por ejemplo, cada llamada telefónica) utiliza un código de ensanchamiento diferente.
Otra forma es el CDMA con salto de frecuencia (FH-CDMA), basado en el espectro ensanchado con salto de frecuencia (FHSS), donde la frecuencia del canal cambia rápidamente de acuerdo con una secuencia que constituye el código de ensanchamiento. Como ejemplo, el sistema de comunicación Bluetooth se basa en una combinación de salto de frecuencia y comunicación de multiplexación por división de tiempo estadística CSMA/CA (para aplicaciones de comunicación de datos) o TDMA (para transmisión de audio). Todos los nodos que pertenecen al mismo usuario (a la misma piconet ) utilizan la misma secuencia de salto de frecuencia de manera sincrónica, lo que significa que envían en el mismo canal de frecuencia, pero se utiliza CDMA/CA o TDMA para evitar colisiones dentro de la VPAN (red de área personal virtual). 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 multiportadora (MC-CDMA).
El acceso múltiple por división espacial (SDMA) transmite información diferente en distintas áreas físicas. Algunos ejemplos son los sistemas de radio celular simples y los sistemas celulares más avanzados que utilizan antenas direccionales y modulación de potencia para refinar 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. Algunos ejemplos incluyen múltiples módems SCPC en un transpondedor satelital, donde los usuarios obtienen, a demanda, una mayor proporción del presupuesto de potencia para transmitir a velocidades de datos más altas. [8]
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 son más adecuados para la comunicación inalámbrica. [1]
Los protocolos de acceso múltiple de multiplexación por división de tiempo estadístico comunes para redes multipunto cableadas incluyen:
Los protocolos de acceso múltiple comunes que pueden utilizarse en redes inalámbricas de radio por paquetes incluyen:
Cuando estos métodos se utilizan para dividir los canales de comunicación de ida y vuelta, se conocen como métodos 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 un sistema semidúplex porque ambos usuarios pueden comunicarse entre sí, pero no al mismo tiempo, alguien 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:
Cabe señalar que con frecuencia se utilizan combinaciones de estas técnicas. Algunos ejemplos:
Se aplican diferentes esquemas y restricciones de acceso al canal a diferentes aplicaciones.
En las redes de área local (LAN) y las redes de área metropolitana (MAN), los métodos de acceso múltiple permiten redes de bus, redes en anillo, redes en estrella, redes inalámbricas y comunicación punto a punto semidúplex, pero no son necesarios en líneas seriales punto a punto full-duplex entre conmutadores de red y enrutadores. El método de acceso múltiple más común es CSMA/CD, que se utiliza en Ethernet . Aunque las instalaciones Ethernet actuales utilizan conexiones full-duplex 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 de funcionar como parte de un enlace de comunicaciones entre más de un par de terminales terrestres simultáneamente. Los tres tipos de acceso múltiple que se utilizan actualmente con los satélites de comunicaciones son el acceso múltiple por división de código , el acceso múltiple por división de frecuencia y el acceso múltiple por división de tiempo .
En las redes celulares, las dos tecnologías más ampliamente adoptadas son CDMA y TDMA. La tecnología TDMA funciona identificando cortes naturales en el habla y utilizando una onda de radio para soportar múltiples transmisiones a su vez. En la tecnología CDMA, cada paquete individual recibe un código único que se divide en un amplio espectro de frecuencias y luego se vuelve a ensamblar en el otro extremo. CDMA permite que varias personas hablen al mismo tiempo en la misma frecuencia, lo que permite que se transmitan más conversaciones en la misma cantidad de espectro; esta es una de las razones por las que CDMA finalmente se convirtió en el método de acceso al canal más ampliamente adoptado en la industria inalámbrica. [9]
Los orígenes de CDMA se remontan a la década de 1940, cuando fue patentado por el gobierno de los Estados Unidos y utilizado durante la Segunda Guerra Mundial para transmitir mensajes. Sin embargo, después de la guerra, la patente expiró y el uso de CDMA disminuyó y fue ampliamente reemplazado por TDMA. [9] Eso fue hasta que Irwin M. Jacobs , un ingeniero del MIT, y sus compañeros de trabajo de la empresa Linkabit fundaron la empresa de telecomunicaciones Qualcomm . [10] En el momento en que se fundó Qualcomm, Jacobs ya había estado trabajando en abordar problemas de telecomunicaciones para el ejército utilizando tecnología digital para aumentar la capacidad del espectro. [11] Qualcomm sabía que CDMA aumentaría en gran medida la eficiencia y la disponibilidad de la tecnología inalámbrica, pero la industria inalámbrica, que ya había invertido millones de dólares en TDMA, se mostró escéptica. [11] Jacobs y Qualcomm pasaron varios años mejorando la infraestructura y realizando pruebas y demostraciones de CDMA. En 1993, CDMA fue aceptado como el estándar de la industria inalámbrica. En 1995, CDMA se estaba utilizando comercialmente en la industria inalámbrica como la base de 2G . [9]
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