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

1. Tecnologias essenciais que permitem a utilização efectiva da largura de banda do sinal para comunicações sem fios

Todos os dias, os nossos smartphones transmitem e recebem áudio, imagens, vídeos e outros dados. Embora muitas pessoas estejam a utilizar a mesma banda de sinal ao mesmo tempo, transferindo enormes quantidades de dados, habituámo-nos a pensar que isto é perfeitamente normal. Isto é possível graças a tecnologias que evitam problemas ao enviar e receber diferentes tipos de dados, como a sobreposição de dados ou a interferência de ruído. Este artigo utiliza ilustrações gráficas para descrever duas dessas tecnologias destinadas a permitir a utilização eficiente da largura de banda de frequência (ou largura de banda, abreviadamente)^{,*1 ou} seja, a utilização eficiente dos sinais de rádio:
- a "multiplexagem", que permite a transferência de vários fluxos de dados ao mesmo tempo, e
- "acesso múltiplo", que utiliza a tecnologia de multiplexagem para permitir ligações simultâneas com vários utilizadores.

Note-se que o acesso múltiplo (também chamado "multiacesso") é uma técnica importante que contribui para o sistema de comunicações móveis de 5.ª geração (5G), que visa suportar um número muito elevado de ligações simultâneas (1 milhão de ligações por quilómetro quadrado), incluindo ligações a "coisas" como electrodomésticos e dispositivos IoT.

*1 Quanto maior for a largura de banda de frequência (largura de banda) utilizada na comunicação sem fios, maior será a velocidade de comunicação de dados (velocidade de transmissão). Tencionamos explicar a relação entre a largura de banda de frequência e a velocidade de transmissão noutro artigo.

2. Transmissão de múltiplos fluxos de dados por comunicação sem fios

2.1 Multiplexação: Utilização efectiva de uma única via de transmissão (ar)

O modelo básico de um sistema de comunicação, quer se utilize comunicação com ou sem ^{fios*2 , pode} ser representado como se mostra na Figura 1 (Conhecimento básico da comunicação sem fios: Mecanismo sem fios (1)). Neste modelo, o lado emissor, o caminho de transmissão e o lado recetor são concebidos como uma unidade, e o fluxo de dados transmitido num determinado momento é concebido como uma unidade. (Agora, se o remetente pudesse enviar vários fluxos de dados para o lado recetor simultaneamente, a eficiência do envio e da receção de dados aumentaria. Foi isto que levou à ideia de transmitir vários fluxos de dados em simultâneo através de um único caminho de transmissão. Esta tecnologia é designada por multiplexagem.

*2 De um modo geral, a via de transmissão de um sistema de comunicação é constituída por cabos ou pelo ar, e esses sistemas são classificados como comunicação com ou sem fios com base na via de transmissão utilizada para as telecomunicações.

2.2 Acesso Múltiplo: Implementação da comunicação sem fios entre múltiplos utilizadores sem interferência

Se pensarmos na multiplexagem como o envio de vários fluxos de dados ao mesmo tempo, sobrepostos uns aos outros, podemos dizer que, para a multiplexagem, não existem os elementos de lado emissor e lado recetor. No caso das comunicações sem fios, o elemento "transcepção" (envio e receção combinados) pode ser acrescentado à multiplexagem para permitir que vários utilizadores partilhem um único caminho de transmissão para transmitir vários fluxos de dados ao mesmo tempo. A isto chama-se acesso múltiplo^.*3

O quadro 1 mostra a relação entre multiplexagem e acesso múltiplo. Para permitir a comparação com o acesso múltiplo, diremos que a multiplexagem utiliza um lado emissor e um lado recetor. Além disso, como a multiplexagem tem múltiplos canais*4 ^e o acesso múltiplo também tem múltiplos canais, podemos dizer que o acesso múltiplo se baseia na multiplexagem.

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*3 Em livros e documentos relacionados com as comunicações, bem como no conteúdo de sítios Web, a multiplexagem e o acesso múltiplo são por vezes referidos indistintamente, dependendo do que está a ser descrito. No presente artigo, o acesso múltiplo é descrito como uma técnica que utiliza a multiplexagem para permitir que vários utilizadores partilhem um caminho de transmissão para enviar e receber dados.

*4 Canal: Tal como aqui utilizado, pode ser considerado simplesmente como uma rota (via de comunicação) ao longo da qual se desloca uma forma de onda de sinal de rádio que transporta um único fluxo de dados. O termo canal é utilizado neste sentido para se referir a uma linha de sinal. No caso da comunicação sem fios, pode descrever-se um caso em que são transmitidas 10 formas de onda de sinal diferentes (transmissão multiplex) como uma via de comunicação com 10 canais, por exemplo.

Na comunicação sem fios real, em vez de casos em que um caminho de transmissão está a ser partilhado para transmitir dados de um utilizador para outro utilizador, ou de um utilizador para vários outros utilizadores, são mais comuns os casos em que vários utilizadores de um sistema de comunicação móvel (Figura 2) ou de um sistema de comunicação por satélite (Figura 3) partilham um caminho de transmissão. Por conseguinte, a discussão que se segue centra-se no funcionamento do acesso múltiplo. A multiplexagem é explicada em< Coluna > Como funciona a multiplexagem: FDM, TDM e CDM.

3. Como funciona o acesso múltiplo: FDMA, TDMA e CDMA

Como mencionámos na secção anterior, o acesso múltiplo é uma técnica que permite que vários utilizadores comuniquem sem interferências através da partilha de canais multiplexados.
Os tipos básicos de acesso múltiplo, do menos para o mais avançado, são os seguintes
- Acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA)
- Acesso múltiplo por divisão no tempo (TDMA)
- Acesso múltiplo por divisão de código (CDMA)
A seguir, explicamos o funcionamento de cada um deles, utilizando diagramas conceptuais de cada tipo de acesso múltiplo e diagramas conceptuais baseados na Figura 3, utilizando as comunicações por satélite como exemplo^.*5

*5 As normas recentes de comunicações sem fios, como as comunicações móveis 4G-LTE ou as comunicações pessoais Wi-Fi 6/6E e Wi-Fi 7, utilizam um esquema designado acesso múltiplo por divisão ortogonal em frequência (OFDMA), que se baseia numa tecnologia de modulação e multiplexagem designada multiplexagem ortogonal por divisão em frequência (OFDM). Tencionamos abordar este assunto num outro artigo.

3.1 Acesso múltiplo por divisão de frequências (FDMA)

O FDMA divide os fluxos de dados de vários utilizadores e atribui-os a canais que utilizam diferentes bandas de frequência, partilhando todos eles um único caminho de transmissão (Figura 4-1). A adoção do FDMA começou na década de 1980, tendo sido utilizado para efetuar chamadas de telemóvel e de automóvel no âmbito do sistema analógico de comunicações móveis de 1ª geração (1G).

A figura 4-2 apresenta um diagrama concetual da utilização do FDMA nas comunicações por satélite. A figura 4-2 mostra um esquema baseado na figura 3 em que um lado emissor (estação terrena E0) e vários lados receptores (estações terrestres E1 a E3) são utilizados para transmitir sinais de dados multiplexados.
O sinal de dados da estação terrena E0, que consiste em fluxos de dados destinados às estações terrestres E1 a E3, modulados e atribuídos a diferentes frequências dispostas em intervalos igualmente espaçados dentro da largura de banda suportada pela retransmissão por satélite, é enviado de forma a garantir que as bandas de frequência dos sinais adjacentes não se sobrepõem (para evitar interferências). Quando as estações terrestres E1 a E3 recebem estes sinais, eles são divididos de acordo com a frequência que cada estação é capaz de receber e os fluxos de dados são extraídos.

3.2 Acesso múltiplo por divisão no tempo (TDMA)

O TDMA divide os fluxos de dados de vários utilizadores em intervalos de tempo uniformes e atribui-os a canais, que partilham todos um único caminho de transmissão (Figura 5-1). A adoção do TDMA começou na década de 1990, tendo sido utilizado para transportar chamadas de telemóvel (GSM, PDC, PHS, etc.) no âmbito do sistema de comunicações móveis digitais de segunda geração (2G).

A figura 5-2 apresenta um diagrama concetual da utilização de TDMA para comunicações por satélite. Tal como na secção anterior, a figura 5-2 mostra uma disposição baseada na figura 3 em que um lado emissor (estação terrena E0) e vários lados receptores (estações terrestres E1 a E3) são utilizados para transmitir sinais de dados multiplexados.
O sinal de dados é enviado da estação terrena E0, delimitado por períodos de tempo e constituído por "slots" utilizados como canais, excluindo o sinal de rajada ^padrão*6 incorporado em cada quadro, e a cada canal é atribuído um dos fluxos de dados destinados às estações terrestres E1 a E3. Em seguida, em cada estação terrena de E1 a E3, o sinal é dividido de forma sincronizada com o tempo de transmissão da estação terrena E0 e os fluxos de dados são extraídos^{.*6 Note-se} que o TDMA foi adotado para as comunicações por satélite, para além do FDMA, por volta de 1985.

*Para assegurar a estabilidade e evitar interferências nas comunicações, o TDMA exige que a velocidade de comutação do canal, etc., seja sincronizada entre o lado emissor e o lado recetor. A estação terrestre E0 insere um sinal denominado burst no início de cada quadro para controlo da sincronização.

3.3 Acesso múltiplo por divisão de código (CDMA)

O CDMA gera sinais em que os fluxos de dados dos utilizadores são misturados com códigos identificadores únicos e os sinais de todos os utilizadores são sobrepostos na mesma banda de frequência e transmitidos através de um único caminho de transmissão (Figura 6-1). O CDMA é utilizado para transportar chamadas telefónicas móveis no âmbito do sistema de comunicações móveis de terceira geração (3G) introduzido na década de 2000.

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A figura 6-2 apresenta um diagrama concetual da utilização da tecnologia CDMA nas comunicações por satélite. Tal como na secção anterior, a figura 6-2 mostra uma disposição baseada na figura 3 em que um lado emissor (estação terrestre E0) e vários lados receptores (estações terrenas E1 a E3) são utilizados para transmitir sinais de dados multiplexados.

A estação terrestre E0 mistura os códigos identificadores atribuídos às estações terrenas E1 a E3 no lado recetor com os sinais de dados destinados a cada estação terrestre, gerando sinais com bandas de frequência mais largas do que as dos sinais de dados originais, e adiciona-os para criar um sinal multiplexado que envia para o retransmissor de satélite.
As estações terrenas E1 a E3 recebem os sinais multiplexados do retransmissor de satélite, misturam os códigos identificadores das estações terrenas para dividir os sinais e extraem dados apenas do sinal que corresponde ao seu próprio código identificador.
Note-se que a adoção do CDMA para comunicações por satélite teve início na década de 1990.

4. Resumo

Como vimos, o acesso múltiplo é uma técnica importante para a comunicação sem fios, na medida em que permite a comunicação sem fios entre vários utilizadores sem interferências. Agora gostaríamos de nos aprofundar um pouco mais antes de concluir este artigo.
Os esquemas de acesso múltiplo têm-se tornado mais avançados ao longo do tempo, evoluindo do FDMA para o TDMA e para o CDMA, mas não é exagero dizer que o aumento da eficiência da utilização de ^{frequências*7} que acompanha estes avanços tem sido um aspeto fundamental do desenvolvimento das comunicações sem fios. Por exemplo, a obtenção de uma melhor eficiência na utilização de frequências nas comunicações móveis permite aumentar o número de utilizadores e o volume global de dados que podem ser transmitidos.
Este aspeto é abordado brevemente neste artigo, mas o esquema de acesso múltiplo utilizado pelo 4G, o sistema de comunicações móveis mais utilizado atualmente, é o acesso múltiplo por divisão ortogonal de frequências (OFDMA), que se diz proporcionar o dobro da eficiência de utilização de frequências do 3G utilizando CDMA. Por sua vez, o 5G utiliza o acesso múltiplo não ortogonal (NOMA), que proporciona uma eficiência de utilização de frequências ainda melhor do que o OFDMA.
Assim, repetindo, o acesso múltiplo, que avançou com o objetivo de aumentar a eficiência da utilização das frequências, pode ser considerado indispensável para a evolução futura das comunicações sem fios, bem como para a sua adoção alargada.

*7 Eficiência de utilização da frequência: Tal como aqui utilizado, pode ser entendido simplesmente como a velocidade de transmissão de dados (em unidades de bits por segundo (bps)/Hz) por unidade de largura de banda de frequência. Note-se que a eficiência da utilização da frequência é por vezes referida como eficiência do espetro ou eficiência da largura de banda.

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