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Método de acceso al canal

En telecomunicaciones y redes informáticas , un método de acceso al canal o un método de acceso múltiple permite que más de dos terminales conectados al mismo medio de transmisi...

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En telecomunicaciones y redes informáticas , un método de acceso al canal o un método de acceso múltiple permite que más de dos terminales conectados al mismo medio de transmisión transmitan a través de él y compartan su capacidad. [ 1 ] Ejemplos de medios físicos compartidos son las redes inalámbricas , las redes de bus , las redes de anillo y los enlaces punto a punto que operan en modo semidúplex .

Un método de acceso al 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 al canal también puede formar 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 .

Asuntos

Hay dos problemas principales con los medios compartidos que el método de acceso al canal necesita resolver: colisiones y inanición: [ 2 ]

  • Pueden producirse colisiones cuando dos o más terminales intentan transmitir mensajes al mismo tiempo;
  • La inanición se produce cuando un terminal en particular no puede transmitir un mensaje durante un período prolongado debido a que otros terminales están transmitiendo sus datos.

Los métodos de acceso al canal resuelven el problema de colisión mediante la prevención de colisiones y el problema de inanición mediante la equidad .

Esquemas fundamentales

En la literatura se han utilizado varias formas de categorizar los esquemas y protocolos de acceso múltiple. Por ejemplo, Daniel Minoli (2009) [ 3 ] identifica cinco tipos principales de esquemas de acceso múltiple: FDMA , TDMA , CDMA , SDMA y acceso aleatorio . R. Rom y M. Sidi (1990) [ 4 ] categorizan los protocolos en protocolos de acceso sin conflictos , protocolos Aloha y protocolos de detección de portadora .

El Manual de Telecomunicaciones (Terplan y Morreale, 2000) [ 5 ] identifica las siguientes categorías MAC:

  • Asignado fijo: TDMA, FDMA+WDMA, CDMA, SDMA
  • Demanda asignada (DA)
    • Reserva: DA/TDMA, DA/FDMA+DA/WDMA, DA/CDMA, DA/SDMA
    • Sondeo: Sondeo generalizado, sondeo distribuido, paso de token, sondeo implícito, acceso ranurado
  • Acceso aleatorio (RA): RA puro (ALOHA, GRA), RA adaptativo (TRA), CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Los esquemas de acceso al canal generalmente se dividen en las siguientes categorías. [ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]

Acceso múltiple por división de frecuencia

El esquema de acceso al canal 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 diferentes flujos de datos obtienen diferentes colores en las comunicaciones por fibra óptica. En el caso de WDMA, diferentes nodos de red en una red de bus o concentrador obtienen un color diferente. [ 8 ]

Una forma avanzada de FDMA es el esquema de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), utilizado, por ejemplo, en sistemas de comunicación celular 4G . En OFDMA, cada nodo puede usar varias subportadoras, lo que permite ofrecer diferentes calidades de servicio (diferentes velocidades de datos) a diferentes usuarios. La asignación de subportadoras a los usuarios puede modificarse dinámicamente, 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 la frecuencia de portadora única (SC-FDE).

Acceso múltiple por división de tiempo

El esquema de acceso al canal por división de tiempo (TDMA) se basa en la multiplexación por división de tiempo (TDM). TDMA asigna diferentes intervalos de tiempo a diferentes transmisores en una estructura de trama cíclica y repetitiva. Por ejemplo, el nodo 1 puede usar el intervalo de tiempo 1, el nodo 2 el intervalo de tiempo 2, etc., hasta el último transmisor, momento en el que el ciclo se reinicia. Una forma avanzada es el TDMA dinámico (DTDMA), donde 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 por división de tiempo estadística también se basa típicamente en la multiplexación en el dominio del tiempo, pero no en una estructura de trama cíclicamente repetitiva. Debido a su carácter aleatorio, puede clasificarse como un método de multiplexación estadística y es capaz de asignar ancho de banda dinámico . 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. 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 .

Acceso múltiple por división de código y acceso múltiple por espectro ensanchado

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 mayor que el que requiere la velocidad de datos de los flujos de bits individuales, y varias señales de mensaje se transmiten simultáneamente sobre la misma frecuencia portadora, utilizando diferentes códigos de dispersión. Según el teorema de Shannon-Hartley , el amplio ancho de banda permite transmitir con una relación señal/ruido muy inferior a 1 (menos de 0  dB), lo que significa que la potencia de transmisión se puede reducir a un nivel inferior al del ruido y la interferencia cocanal de otras señales de mensaje que comparten el mismo rango de frecuencia.

Una de sus variantes es la CDMA de secuencia directa (DS-CDMA), basada en el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), utilizada, por ejemplo, en sistemas de telefonía móvil 3G . Cada bit de información (o cada símbolo) se representa mediante una larga secuencia de códigos de varios pulsos, denominados chips. Esta secuencia es el código de dispersión, y cada señal de mensaje (por ejemplo, cada llamada telefónica) utiliza un código de dispersión diferente.

Another form is frequency-hopping CDMA (FH-CDMA), based on frequency-hopping spread spectrum (FHSS), where the channel frequency is changed rapidly according to a sequence that constitutes the spreading code. As an example, the Bluetooth communication system is based on a combination of frequency-hopping and either CSMA/CA statistical time-division multiplexing communication (for data communication applications) or TDMA (for audio transmission). All nodes belonging to the same user (to the same piconet) use the same frequency hopping sequence synchronously, meaning that they send on the same frequency channel, but CDMA/CA or TDMA is used to avoid collisions within the virtual personal area network (VPAN). Frequency-hopping is used by Bluetooth to reduce the cross-talk and collision probability between nodes in different VPANs.

Other techniques include OFDMA and multi-carrier code-division multiple access (MC-CDMA).

Space-division multiple access

Space-division multiple access (SDMA) transmits different information in different physical areas. Examples include simple cellular radio systems and more advanced cellular systems that use directional antennas and power modulation to refine spatial transmission patterns.

Power-division multiple access

Power-division multiple access (PDMA) scheme is based on using variable transmission power between users in order to share the available power on the channel. Examples include multiple SCPC modems on a satellite transponder, where users get on demand a larger share of the power budget to transmit at higher data rates.[9]

Packet mode methods

Packet mode channel access methods select a single network transmitter for the duration of a packet transmission. Some methods are more suited to wired communication, while others are more suited to wireless.[1]

Common statistical time-division multiplexing multiple access protocols for wired multi-drop networks include:

Common multiple access protocols that may be used in packet radio wireless networks include:

Duplexing methods

Where these methods are used for dividing forward and reverse communication channels, they are known as duplexing methods. A duplexing communication system can be either half-duplex or full duplex. In a half-duplex system, communication only works in one direction at a time. A walkie-talkie is an example of a half-duplex system because both users can communicate with one another, but not at the same time; someone has to finish transmitting before the next person can begin. In a full-duplex system, both users can communicate at the same time. A telephone is the most common example of a full-duplex system because both users can speak and be heard at the same time on each end. Some types of full-duplexing methods are:

Hybrid application examples

Note that hybrids of these techniques are frequently used. Some examples:

  • The GSM cellular system combines the use of frequency-division duplex (FDD) to prevent interference between outward and return signals, with FDMA and TDMA to allow multiple handsets to work in a single cell.
  • GSM with the GPRS packet-switched service combines FDD and FDMA with slotted Aloha for reservation inquiries and a dynamic TDMA scheme for transferring the actual data.
  • Bluetooth packet mode communication combines frequency hopping for shared channel access among several private area networks in the same room with CSMA/CA for shared channel access within a network.
  • IEEE 802.11bwireless local area networks (WLANs) are based on FDMA and DS-CDMA for avoiding interference among adjacent WLAN cells or access points. This is combined with CSMA/CA for multiple access within the cell.
  • HIPERLAN/2 wireless networks combine FDMA with dynamic TDMA, meaning that resource reservation is achieved by packet scheduling.
  • G.hn, an ITU-T standard for high-speed networking over home wiring (power lines, phone lines and coaxial cables) employs a combination of TDMA, token passing and CSMA/CARP to allow multiple devices to share the medium.

Application-specific definitions

Different channel access constraints and schemes apply to different applications.

Local and metropolitan area networks

In local area networks (LANs) and metropolitan area networks (MANs), multiple access methods enable bus networks, ring networks, star networks, wireless networks and half-duplex point-to-point communication, but are not required in full-duplex point-to-point serial lines between network switches and routers. The most common multiple access method is CSMA/CD, which is used in Ethernet. Although today's Ethernet installations use full-duplex connections directly to switches. CSMA/CD is still implemented to achieve compatibility with older repeater hubs.

Satellite communications

In satellite communications, multiple access is the capability of a communications satellite to function as a portion of a communications link between more than one pair of ground-based terminals concurrently. Three types of multiple access presently used with communications satellites are code-division, frequency-division, and time-division multiple access.

Cellular networks

In cellular networks, the two most widely adopted technologies are CDMA and TDMA. TDMA technology works by identifying natural breaks in speech and utilizing one radio wave to support multiple transmissions in turn. In CDMA technology, each individual packet receives a unique code that is broken up over a wide frequency spectrum and is then reassembled on the other end. CDMA allows multiple people to speak at the same time over the same frequency, allowing more conversations to be transmitted over the same amount of spectrum; this is one reason why CDMA eventually became the most widely adopted channel access method in the wireless industry.[10]

Los orígenes de CDMA se remontan a la década de 1940, cuando fue patentado por el gobierno de Estados Unidos y utilizado durante la Segunda Guerra Mundial para transmitir mensajes. Sin embargo, tras la guerra, la patente expiró y el uso de CDMA disminuyó, siendo ampliamente reemplazado por TDMA. [ 10 ] Esto cambió cuando Irwin M. Jacobs, ingeniero del MIT, y sus compañeros de la empresa Linkabit fundaron la compañía de telecomunicaciones Qualcomm . [ 11 ] En el momento de la fundación de Qualcomm, Jacobs ya trabajaba en la solución de problemas de telecomunicaciones para el ejército, utilizando tecnología digital para aumentar la capacidad del espectro. [ 12 ] Qualcomm sabía que CDMA aumentaría considerablemente la eficiencia y la disponibilidad de las comunicaciones inalámbricas, pero la industria inalámbrica, que ya había invertido millones de dólares en TDMA, se mostraba escéptica. [ 12 ] Jacobs y Qualcomm dedicaron varios años a mejorar la infraestructura y a realizar pruebas y demostraciones de CDMA. En 1993, CDMA se consolidó como el estándar de la industria inalámbrica. Para 1995, CDMA se utilizaba comercialmente en la industria inalámbrica como base de 2G . [ 10 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Guowang Miao; Jens Zander; Ki Won Sung; Ben Slimane (2016). Fundamentos de redes de datos móviles . Cambridge University Press. ISBN 978-1107143210.
  2. ↑ Howser 2019 , pág. 44.
  3. ↑ Daniel Minoli (3 de febrero de 2009). Ingeniería de sistemas satelitales en un entorno IPv6 . CRC Press. págs. 136–. ISBN  978-1-4200-7868-8Consultado el 1 de junio de 2012 .
  4. ↑ Rom, Raphael; Sidi, Moshe (1990). Protocolos de acceso múltiple . Redes de telecomunicaciones y sistemas informáticos. Springer-Verlag/Universidad de Michigan. doi : 10.1007/978-1-4612-3402-9 . ISBN 978-1-4612-7997-6.
  5. ↑ Kornel Terplan (2000). Manual de telecomunicaciones . CRC Press. págs. 266–. ISBN  978-0-8493-3137-4Consultado el 1 de junio de 2012 .
  6. ↑ "Fundamentos de las tecnologías de acceso a las comunicaciones: FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA y SDMA" . Diseño electrónico. 22 de enero de 2013. Consultado el 28 de agosto de 2014 .
  7. ↑ Halit Eren (16 de noviembre de 2005). Sensores e instrumentos inalámbricos: redes, diseño y aplicaciones . CRC Press. pág. 112. ISBN  9781420037401.
  8. ↑ Sadique, Abubaker. "Técnicas de acceso múltiple en comunicación: FDMA, TDMA, CDMA" . Archivado del original el 9 de octubre de 2019.
  9. ↑ Elinav, Doron; Rubin, Mati E.; Brener, Snir (6 de marzo de 2014), Power Division Multiple Access , consultado el 29 de junio de 2016.
  10. 1 2 3 Qualcomm, Qualcomm. "La tecnología que cambió el mundo y que casi no llegó a serlo" . Qualcomm .
  11. ↑ Tibken, Shara (21 de diciembre de 2011). "El fundador de Qualcomm se prepara para jubilarse" . Wall Street Journal . ISSN 0099-9660 . Consultado el 3 de diciembre de 2019 . 
  12. 1 2 Mock, Dave (2005). La ecuación de Qualcomm: Cómo una empresa de telecomunicaciones incipiente forjó un nuevo camino hacia grandes beneficios y dominio del mercado . Amacom. ISBN 978-0-8144-2858-0.

Fuentes

  • Howser, Gerry (23 de diciembre de 2019). Redes informáticas e Internet: Un enfoque práctico . Springer Nature. ISBN 978-3-030-34496-2. Consultado el 10 de febrero de 2026 .

Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C . Administración de Servicios Generales . Archivado del original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de la norma MIL-STD-188 ).