FDMA, TDMA, and CDMA Multiple Access: Effective Utilization of Bandwidth (1)

1. Tecnologías esenciales que permiten una utilización eficaz del ancho de banda de la señal para la comunicación inalámbrica

Todos los días nuestros smartphones transmiten y reciben audio, imágenes, vídeos y otros datos. Mientras muchas personas utilizan la misma banda de señal al mismo tiempo, transfiriendo enormes cantidades de datos, hemos llegado a pensar que esto es perfectamente normal. Esto es posible gracias a tecnologías que evitan problemas al enviar y recibir distintos tipos de datos, como el solapamiento de datos o las interferencias por ruido. Este artículo utiliza ilustraciones gráficas para describir dos de estas tecnologías destinadas a permitir una utilización eficiente del ancho de banda de frecuencias (o ancho de banda, para abreviar)^,*1 es decir, la utilización eficiente de las señales de radio:
- la "multiplexación", que permite transferir varios flujos de datos al mismo tiempo, y el
- el "acceso múltiple", que utiliza la tecnología de multiplexación para permitir conexiones simultáneas con varios usuarios.

Tenga en cuenta que el acceso múltiple (también llamado "multiacceso") es una técnica importante que contribuye al sistema de comunicaciones móviles de quinta generación (5G), cuyo objetivo es soportar un número muy elevado de conexiones simultáneas (1 millón de conexiones por kilómetro cuadrado), incluidas las conexiones a "cosas" como electrodomésticos y dispositivos IoT.

*1 Cuanto mayor sea el ancho de banda de frecuencia (ancho de banda) utilizado para la comunicación inalámbrica, mayor será la velocidad de comunicación de datos (velocidad de transmisión). Tenemos previsto explicar la relación entre ancho de banda de frecuencia y velocidad de transmisión en otro artículo.

2. Transmisión de múltiples flujos de datos mediante comunicación inalámbrica

2.1 Multiplexación: Utilización eficaz de un único trayecto de transmisión (aire)

El modelo básico de un sistema de comunicación, ya sea por cable o inalámbrico^{,*2 puede} representarse como se muestra en la Figura 1 (Conocimientos básicos de la comunicación inalámbrica: Mecanismo inalámbrico (1)). En este modelo, el lado emisor, la ruta de transmisión y el lado receptor se conciben como una unidad, y el flujo de datos transmitidos en un momento determinado se concibe como una unidad. (Ahora bien, si el emisor pudiera enviar simultáneamente varios flujos de datos a la parte receptora, aumentaría la eficacia del envío y la recepción de datos. De ahí surgió la idea de transmitir varios flujos de datos simultáneamente a través de una única vía de transmisión. Esta tecnología se llama multiplexación.

*2 En términos generales, la vía de transmisión de un sistema de comunicación son los cables o el aire, y dichos sistemas se clasifican como comunicación alámbrica o inalámbrica en función de la vía de transmisión utilizada para la telecomunicación.

2.2 Acceso múltiple: Implementación de la comunicación inalámbrica entre múltiples usuarios sin interferencias

Si pensamos en la multiplexación como el envío de múltiples flujos de datos al mismo tiempo, superpuestos unos sobre otros, podemos decir que para la multiplexación no existen los elementos de lado emisor y lado receptor. En el caso de la comunicación inalámbrica, el elemento de "transcepción" (envío y recepción combinados) puede añadirse a la multiplexación para permitir que varios usuarios compartan una única ruta de transmisión para transmitir múltiples flujos de datos al mismo tiempo. Es lo que se denomina acceso múltiple^.*3

El cuadro 1 muestra la relación entre multiplexación y acceso múltiple. Para facilitar la comparación con el acceso múltiple, diremos que la multiplexación utiliza un lado emisor y un lado receptor. Además, como la multiplexación tiene varios ^canales*4 y el acceso múltiple también tiene varios canales, podemos decir que el acceso múltiple se basa en la multiplexación.

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*3 En los libros y documentos relacionados con las comunicaciones, así como en el contenido de los sitios web, a veces se hace referencia indistintamente a la multiplexación y al acceso múltiple, dependiendo de lo que se esté describiendo. En el presente artículo, el acceso múltiple se describe como una técnica que hace uso de la multiplexación para permitir que varios usuarios compartan una ruta de transmisión para enviar y recibir datos.

*4 Canal: Tal y como se utiliza aquí, se puede considerar simplemente como una ruta (camino de comunicación) a lo largo del cual viaja una forma de onda de señal de radio que transporta un único flujo de datos. El término canal se utiliza en este sentido para referirse a una línea de señal. En el caso de la comunicación inalámbrica, se puede describir un caso en el que se transmiten 10 formas de onda de señal diferentes (transmisión multiplexada) como una ruta de comunicación con 10 canales, por ejemplo.

En la comunicación inalámbrica real, más que los casos en los que se comparte un trayecto de transmisión para transmitir datos de un usuario a otro, o de un usuario a varios usuarios, son más comunes los casos en los que varios usuarios de un sistema de comunicación móvil (Figura 2) o de un sistema de comunicación por satélite (Figura 3) comparten un trayecto de transmisión. Por ello, el análisis que sigue se centra en el funcionamiento del acceso múltiple. La multiplexación se explica en< Columna > Cómo funciona la multiplexación: FDM, TDM y CDM.

3. Funcionamiento del acceso múltiple: FDMA, TDMA y CDMA

Como hemos mencionado en el apartado anterior, el acceso múltiple es una técnica que permite a varios usuarios comunicarse sin interferencias compartiendo canales multiplexados.
Los tipos básicos de acceso múltiple, del menos al más avanzado, son los siguientes:
- Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA)
- Acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA)
- Acceso múltiple por división de código (CDMA)
A continuación explicamos cómo funciona cada uno de ellos, utilizando diagramas conceptuales de cada tipo de acceso múltiple y diagramas conceptuales basados en la Figura 3 utilizando como ejemplo la comunicación por satélite^.*5

*5 Los estándares de comunicación inalámbrica más recientes, como la comunicación móvil 4G-LTE o la comunicación personal Wi-Fi 6/6E y Wi-Fi 7, utilizan un esquema llamado acceso múltiple por división ortogonal de frecuencia (OFDMA) que se basa en una tecnología de modulación y multiplexación llamada multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM).Se omite aquí una explicación de OFDM porque requeriría un conocimiento previo de temas complejos como la multivaluación de datos, la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y las propiedades ortogonales de las señales de datos en los espectros de frecuencia. Tenemos previsto tratar este tema en otro artículo.

3.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA)

FDMA divide los flujos de datos de varios usuarios y los asigna a canales que utilizan bandas de frecuencia diferentes, todas las cuales comparten una única ruta de transmisión (Figura 4-1). La adopción de FDMA comenzó en la década de 1980, y se utilizó para transportar llamadas de teléfonos móviles y de automóviles en el marco del sistema analógico de comunicaciones móviles de primera generación (1G).

La Figura 4-2 muestra un diagrama conceptual del uso de FDMA para la comunicación por satélite. La Figura 4-2 muestra una disposición basada en la Figura 3 en la que se utilizan un lado emisor (estación terrena E0) y múltiples lados receptores (estaciones terrenas E1 a E3) para transmitir señales de datos multiplexadas.
La señal de datos procedente de la estación terrena E0, consistente en flujos de datos dirigidos a las estaciones terrenas E1 a E3, modulados y asignados a diferentes frecuencias dispuestas a intervalos igualmente espaciados dentro del ancho de banda soportado por el repetidor de satélite, se envía de forma que se garantice que las bandas de frecuencia de las señales adyacentes no se solapen (para evitar interferencias). Cuando las estaciones terrenas E1 a E3 reciben estas señales, se dividen según la frecuencia que cada estación puede recibir, y se extraen los flujos de datos.

3.2 Acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA)

TDMA divide los flujos de datos de varios usuarios en intervalos de tiempo uniformes y los asigna a canales, todos los cuales comparten una única ruta de transmisión (Figura 5-1). La adopción de TDMA comenzó en los años 90, y se utilizó para transportar llamadas de telefonía móvil (GSM, PDC, PHS, etc.) en el marco del sistema digital de comunicaciones móviles de 2ª generación (2G).

La Figura 5-2 muestra un diagrama conceptual del uso de TDMA para la comunicación por satélite. Al igual que en la sección anterior, la Figura 5-2 muestra una disposición basada en la Figura 3 en la que se utilizan un lado emisor (estación terrena E0) y múltiples lados receptores (estaciones terrenas E1 a E3) para transmitir señales de datos multiplexadas.
La señal de datos se envía desde la estación terrena E0, delimitada por tramas temporales y consistente en "ranuras" utilizadas como canales, excluyendo la señal de ráfaga ^estándar*6 incluida en cada trama, y a cada canal se le asigna uno de los flujos de datos dirigidos a las estaciones terrenas E1 a E3. A continuación, en cada estación terrena de E1 a E3 la señal se divide de forma sincronizada con el tiempo de transmisión de la estación terrena E0, y se extraen los flujos de datos^.*6Nótese que TDMA se adoptó para la comunicación por satélite además de FDMA a partir de 1985 aproximadamente.

*6 Para garantizar la estabilidad y evitar interferencias en la comunicación, TDMA requiere que la velocidad de conmutación del canal, etc., esté sincronizada entre el lado emisor y el lado receptor. La estación terrena E0 inserta una señal llamada ráfaga al principio de cada trama para controlar la sincronización.

3.3 Acceso múltiple por división de código (CDMA)

CDMA genera señales en las que los flujos de datos de los usuarios se mezclan con códigos identificadores únicos, y las señales de todos los usuarios se superponen dentro de la misma banda de frecuencias y se transportan por una única vía de transmisión (Figura 6-1). CDMA se utiliza para transportar llamadas de telefonía móvil en el sistema de comunicaciones móviles de tercera generación (3G) introducido en la década de 2000.

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La Figura 6-2 muestra un diagrama conceptual del uso de CDMA para la comunicación por satélite. Al igual que en la sección anterior, la Figura 6-2 muestra una disposición basada en la Figura 3 en la que se utiliza un lado emisor (estación terrena E0) y múltiples lados receptores (estaciones terrenas E1 a E3) para transmitir señales de datos multiplexadas.

La estación terrena E0 mezcla los códigos identificadores asignados a las estaciones terrenas E1 a E3 en el lado receptor con las señales de datos dirigidas a cada estación terrena, generando señales con bandas de frecuencia más anchas que la de las señales de datos originales, y las suma para crear una señal multiplexada que envía al repetidor por satélite.
Las estaciones terrenas E1 a E3 reciben cada una las señales multiplexadas del repetidor por satélite, mezclan los códigos identificadores de la estación terrena para dividir las señales y extraen datos sólo de la señal que coincide con su propio código identificador.
Hay que tener en cuenta que la adopción de CDMA para la comunicación por satélite comenzó en la década de 1990.

4. Resumen

Como hemos visto, el acceso múltiple es una técnica importante para la comunicación inalámbrica, desde el punto de vista de permitir la comunicación inalámbrica entre varios usuarios sin interferencias. Ahora nos gustaría profundizar un poco más antes de concluir este artículo.
Los esquemas de acceso múltiple se han hecho más avanzados con el tiempo, evolucionando de FDMA a TDMA y a CDMA, pero no es exagerado decir que la mayor eficiencia en la utilización de ^{frecuencias*7} que acompaña a estos avances ha sido un aspecto clave del desarrollo de la comunicación inalámbrica. Por ejemplo, lograr una mayor eficiencia en la utilización de frecuencias en las comunicaciones móviles permite aumentar tanto el número de usuarios como el volumen global de datos que pueden transmitirse.
Esto se aborda brevemente en este artículo, pero el esquema de acceso múltiple utilizado por 4G, el sistema de comunicaciones móviles más utilizado en la actualidad, es el acceso múltiple ortogonal por división en frecuencia (OFDMA), del que se dice que proporciona el doble de eficiencia en la utilización de frecuencias que 3G utilizando CDMA. A su vez, 5G utiliza el acceso múltiple no ortogonal (NOMA), que ofrece una eficiencia de utilización de frecuencias aún mejor que OFDMA.
Así que, repitiendo, el acceso múltiple, que ha avanzado con el objetivo de aumentar la eficiencia de la utilización de frecuencias, puede considerarse indispensable para el futuro desarrollo de las comunicaciones inalámbricas, así como para ampliar su adopción.

*7 Eficiencia de utilización de frecuencias: Tal como se utiliza aquí, puede entenderse simplemente como la velocidad de transmisión de datos (en unidades de bits por segundo (bps)/Hz) por unidad de ancho de banda de frecuencia. Obsérvese que la eficiencia de utilización de frecuencias se denomina a veces eficiencia del espectro o eficiencia del ancho de banda.

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