Especialización en Telecomunicaciones Digitales

Especialización en Telecomunicaciones Digitales
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica Especialización en Telecomunicaciones Digitales Sistemas Satelitales Cohorte Nro 4 / Febrero 2011

Técnicas de Acceso Múltiple
TEMA IV Técnicas de Acceso Múltiple

SUMARIO Visión Previa Recordatorio Multiplexación y Acceso Múltiple Técnicas de Acceso: FDMA, TDMA, CDMA Tabla comparativa entre las técnicas

¿Cómo es el proceso de comunicación?
Visión Previa Consideremos algunas alternativa para comunicarse haciendo uso de un sistema de comunicación satelital. 1er caso: UN transmisor y UN receptor ¿Cómo es el proceso de comunicación?

Visión Previa 2do caso: UN transmisor y DOS receptores Fuente de Información Rx 2 Rx 1 ¿Cómo es el proceso de comunicación?

Visión Previa 3er caso: Múltiples Transreceptores UN satélite ¿Cómo es el proceso de comunicación?

Visión Previa 4to caso: Múltiples Transreceptores DOS satélite ¿Cómo es el proceso de comunicación?

Transponder o Transpondedor
Recordatorio ... Transponder o Transpondedor Es un tipo de dispositivo utilizado en telecomunicaciones cuyo nombre viene de la fusión de las palabras inglesas Transmiten (Transmisor) y Responder (Contestador/Respondedor). Son equipos que realizan la función de: a) Recepción, amplificación y reemisión en una banda distinta de una señal. b) Respuesta automática de un mensaje (predeterminado o no) a la recepción de una señal concreta de interrogación.

Introducción a Multiplexión y Acceso Múltiple
La capacidad de comunicación de un satélite es considerable La gran mayoría de las estaciones terrenas no requieren la capacidad total de potencia ni ancho de banda del transpondedor, teniendo la posibilidad o flexibilidad de admitir portadoras de una amplia gama de capacidades. Las técnicas de acceso múltiple hacen posible que distintas estaciones terrenas transmisoras utilicen un mismo transpondedor de satélite.

Multiplexión y Acceso Múltiple
Las técnicas MULTIPLEXACIÓN y ACCESO MÚLTIPLE apuntan a la compartición de un recurso de comunicación determinado. En ellas un número de señales independientes se combinan en una única señal compuesta para ser transmitida por un canal común.

Múltiple Acceso está definido como una técnica donde más de un par de estaciones terrenas pueden simultáneamente usar un transponder del satélite. La mayoría de las aplicaciones de comunicaciones por satélite involucran un número grande de estaciones terrenas comunicándose una con la otra a través de un canal satelital (de voz, datos o video).

El concepto de múltiple acceso, involucra sistemas que hacen posible que múltiples estaciones terrenas, interconecten sus enlaces de comunicaciones a través de un simple transponder. Esas portadoras pueden ser moduladas por canales simples o canales múltiples, los cuales incluyen señales de voz, datos o video.

Clasificación según la
Asignación de Canal El canal utilizado por un sistema satelital puede estarle asignado de forma permanente (fijo) o por el contrario, mediante un sistema de control, ir asignando los canales dinámicamente según los requerimientos que se presenten (asignación por demanda). Dependiendo de las características de la red y del tráfico, se emplea una u otra técnica de ASIGNACION DE CANAL de comunicación.

Asignación de Canal Esta clasificación contempla: PAMA (Permanently Assigned Multiple Access ): Cada canal de cada estación tiene asignada permanentemente una parte de la capacidad en frecuencia del transpondedor para FDMA o TDMA DAMA (Demand Assigned Multiple Access): Las estaciones no tienen asignadas en forma permanente una frecuencia de FDMA o una ráfaga de TDMA. Se asigna según la demanda.

Asignación de Canal Esta clasificación contempla: RMA (Random Multiple Access): en el momento en que una estación requiere comunicarse utiliza un intervalo de tiempo de transmisión cualquiera en una portadora.

Comparación entre Asignación de Canal
FIJA y DINAMICA ASIGNACIÓN FIJA a) Aspectos positivos: Al no necesitar control, es mucho más SIMPLE. Al no existir el bloqueo (del canal), la DISPONIBILIDAD es absoluta: cada vez que desee transmitir, podrá hacerlo. b) Aspectos negativos: 1. Este tipo de asignación desperdicia ANCHO DE BANDA, lo que en comunicación vía satélite, no se puede permitir.

FIJA y DINAMICA ASIGNACIÓN DINAMICA a) Aspectos positivos: Optimiza la utilización del ANCHO DE BANDA, lo cual es primordial en el tipo de comunicaciones que se estudian. b) Aspectos negativos: Ahora aparece el concepto de BLOQUEO, pudiendo encontrarse una estación con información para enviar y no encontrar un canal libre para transmitir.

FIJA y DINAMICA ASIGNACIÓN DINAMICA b) Aspectos negativos: Se necesita un canal de control de las asignaciones de frecuencias, lo que se traduce en un AUMENTO de la COMPLEJIDAD.

Existen muchas implementaciones específicas de sistemas de múltiple acceso, pero existen solo tres tipos de sistemas fundamentales: a) Frecuency-Division Multiple Access (FDMA): Acceso Múltiple por División de Frecuencias. b) Time-Division Multiple Access (TDMA): Acceso Múltiple por División de Tiempo c) Code-Division Multiple Access (CDMA): Acceso Múltiple por División de Código

Comparación entre las Técnicas de Acceso Múltiple
MÉTODO DESCRIPCIÓN VENTAJAS DESVENTAJAS FDMA Asignación de Frecuencias, acceso continuo y controlado del canal. Se recomienda cuando existen pocos nodos con mucho tráfico, con poco ancho de banda a velocidades bajas (menores que 128 Kbps). SCPC/FDMA tiene una capacidad del 100% (cero retardos) -Disponibilidad fija del canal -No se requiere control centralizado -Terminales de bajo costo. -Usuarios con diferentes capacidades pueden ser acomodados. -Requiere backoff de intermodulación (bandas de guarda), esto reduce el caudal eficaz del transponder. -Sistema muy rígido, cambios en la red hace difícil el reasignamiento. -El ancho de banda se incrementa conforme el numero de nodos aumenta. TDMA Asignación de ranuras de tiempo. Cada portadora ocupa diferente ranura. Se recomienda para muchos nodos con trafico moderado. DAMA se recomienda para muchos nodos con poco tráfico. TDMA tiene una capacidad del 60% al 80%. -Optimización del ancho de banda -La potencia y ancho de banda del transpondedor es totalmente utilizado. -Tiempos de guarda y encabezados reducen el caudal eficaz. -Requiere de sincronización centralizada. -Terminales de alto costo CDMA Asignación de códigos a cada usuario. CDMA Capacidad del canal del 10%. -Se trasmite a baja potencia -Control no centralizado, canales fijos. -Inmune a la interferencia. - Requiere de gran ancho de banda. - Existe un número limitado de códigos ortogonales. - Trabajan solo eficientemente con velocidades preseleccionadas.

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Multiplexión Los requerimientos de los usuarios son fijos o varían muy lentamente en el tiempo. La distribución de los recursos es asignada a priori y se lleva a cabo entre sitios no muy lejanos (por ejemplo, dentro de un circuito). En este caso el recurso de comunicación es suficiente para todos los usuarios.

Acceso Múltiple La distribución de recursos se lleva a cabo entre sitios remotos (por ejemplo, satélites). La asignación de recursos se realiza en forma dinámica, en función de las necesidades de los usuarios, consiguiéndose una distribución de recursos más eficiente. Existe la pérdida de una pequeña fracción de tiempo y/o ancho de banda, para que el controlador reciba la información sobre las necesidades de los usuarios.

Acceso Múltiple Es posible que el recurso de comunicación no alcance a satisfacer las necesidades de comunicación de todos los usuarios simultáneamente, produciéndose una disputa por la utilización del recurso. Por este motivo, se deben acordar y cumplir ciertas reglas que pongan un equilibrio en el sistema.

Frecuency-Division Multiple Access (FDMA)
Este tipo de sistemas canalizan el transpondedor usando múltiples portadoras, donde a cada portadora se le asigna un par de frecuencias. El ancho de banda total utilizado dependerá del número total de portadoras. Existen dos variantes de esta técnica: SCPC (Single Channel Per Carrier) y MCPC (Multiple Channel Per Carrier)

Ejemplo para un Sistema Satelital Ejemplo para un sistema de comunicación de voz

En banda C, cada satélite tiene permitido el uso de un ancho de banda de 500 MHz. Típicamente cada satélite tiene 12 transponders de 36 MHz cada uno y los restantes 68 MHz del ancho de banda del satélite, se usan para control. El más común de los transponders opera en el modo multidestino en FDM/FM/FDMA. La mayor ventaja que tiene FDMA sobre TDMA es su simplicidad. FDMA no requiere sincronización y cada canal es casi independiente de los restantes.

FDM/FM/FDMA FDM: Señales como las de teléfono (SSB) se les hace FDM para formar una señal “compuesta”. FM: Con esta señal compuesta se produce modulación en frecuencia y luego es transmitida al satélite. FDMA: Se asignan subdivisiones del ancho de banda de 36 MHz a distintos usuarios.

Distribución de potencia en FDMA

Esquema de generación de FDM

Frecuency-Division Multiple Access FDMA-SPADE
Desarrollado por Comsat y permite asignación por demanda de FDMA. Se empleó en el Intelsat IV. La técnica se llamó SPADE (Single Chanel per carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment) Utilizado para dar servicios de comunicación a países que tienen poco trafico entre sí, pero que por supuesto necesitan comunicarse ocasionalmente.

Frecuency-Division Multiple Access (FDMA)-SPADE
Consiste en un transpondedor de 36 MHz ranurado en 800 secciones capaces de conducir simultáneamente 400 conversaciones telefónicas (400 ranuras se emplean para los canales de ida y 400 para los de retorno). Cada una de las ranuras tiene su frecuencia portadora y puede ser utilizada temporal o indistintamente por cualquiera de los países que integran al sistema, sincronizándose con el banco central de frecuencias mediante un canal digital de solicitudes.

Los canales de voz poseen dos frecuencia, una para subir (ida) y otra para bajar (regreso). La portadora para CSC es de MHz

51.885MHz+80KHz= MHz 52MHz+22.5KHz= kHz Portadora Canal 3 36 MHz

Estructura de la trama TDM para CSC Cada estación terrestre transmite en el canal CSC solo durante su ranura de tiempo de 1 ms que le fue pre-asignada. El código CSC se usa para establecer y desconectar enlaces de banda de voz entre dos estaciones terrestres usuarias, cuando se usa asignación de canal por demanda.

Ejemplo de aplicación: Según el esquema anterior, una estación terrena de usuario ubicada en el Auyantepuy, Estado Bolívar (Estación 1), desea establecer un enlace de banda de voz, entre ella y Carora, Estado Lara (Estación 2).

Mecanismo de Establecimiento del enlace La Estación 1 selecciona aleatoriamente un canal de voz que no esté trabajando. Entonces transmite un mensaje en código binario a estación 2, en el canal CSC durante su ranura de tiempo respectiva, solicitando que se establezca un enlace en el canal seleccionado aleatoriamente. La Estación 2 responde en el canal CSC durante su ranura de tiempo con un código binario ya sea confirmando o negando el establecimiento de la conexión. El proceso de desconexión es similar.

SCPC (Single Channel per Carrier) Como en el sistema SPADE, cada ranura tiene su propia frecuencia portadora y su ancho de banda es ocupado por un solo canal telefónico modulado, esta forma de transmisión se le llama canal único por portadora o SCPC, y aún cuando en este caso la asignación es por demanda, es fácil comprender que puede haber otros sistemas domésticos o internacionales con SCPC, pero de asignación fija.

SCPC (Single Channel per Carrier) Así mismo, e independientemente de sí se tenga asignación fija o por demanda, un canal SCPC no necesariamente debe conducir telefonía análoga, sino que puede contener un canal telefónico digitalizado o un canal de datos de baja velocidad transmitido con modulación digital, de la cual hay varias ocupaciones utilizadas a la vez en la práctica.

SCPC (Single Channel per Carrier) El servicio establece una portadora por cada enlace (a manera de un canal dedicado), el cual por lo general, es de naturaleza Point to Point (punto a punto).

Ventajas de SCPC (Single Channel per Carrier) Enlaces satelitales nacionales e internacionales con velocidades desde 9.6 Kbps hasta Mbps, con posibilidad de utilizar Frame Relay. Enlaces punto a punto entre las ciudades por medio de estaciones terrenas ubicadas estratégicamente.

Ventajas de SCPC (Single Channel per Carrier) Administración de la capacidad del canal de acuerdo a sus características de tráfico. Alta disponibilidad, confiabilidad y seguridad de la información transmitida.

MCPC (Multiple Channel Per Carrier) Este sistema FDMA se basa en la asignación de una portadora por estación conectada, teniendo una capacidad de N portadoras. Además, el ancho de banda es asignado según tráfico y la demanda que se cursa en el satélite. El acceso al medio puede ser FDM/FDMA o TDM/FDMA.

MCPC (Multiple Channel Per Carrier) Así los terminales adquieren un canal dentro de la portadora según una disciplina FDM o TDM, estos una vez multiplexados en banda base, se modulan analógica o digitalmente y son transmitidos mediante una disciplina FDMA desde y hacia el satélite. El sistema asigna una portadora por enlace, así hay N·(N-1) portadoras en transmisión. El ancho de banda es asignado según el tráfico que se demanda.

Time-Division Multiple Access (TDMA)

Time-Division Multiple Access (TDMA)
El TDMA es un método de multiplexado por división de tiempo que multiplexa portadoras moduladas digitalmente entre las estaciones terrestres participantes en la red satelital, empleando un satélite transpondedor común. Existen otras variantes a este método, el más conocido es DAMA (Demand Access Multiple Access), el cual asigna ranuras de tiempo de acuerdo a la demanda del canal.

En el TDMA cada estación terrestre transmite una ráfaga corta de una portadora modulada digitalmente, durante una ranura precisa de tiempo dentro de una trama TDMA. Cada estación terrestre recibe las ráfagas de todas las demás estaciones y debe seleccionar de entre ellas el trafico destinado a ella. La ráfaga de cada estación se sincroniza de tal modo que llegue al satélite transpondedor en distinto momento.

Trama básica de TDMA La estructura básica de una trama de TDMA tiene la forma siguiente…

Trama básica de TDMA Ráfaga de referencia dentro de preámbulo de un canal Ráfaga de referencia separada Todas las ráfagas se sincronizan a una ráfaga de referencia según se muestra a continuación. Tiempo de espera entre ráfagas adyacentes Pico de correlación: momento exacto en que termina la secuencia UW

Trama básica de TDMA: Ráfaga de Referencia Permite la recuperación de portadora de frecuencia y fase coherentes para demodular PSK

Trama básica de TDMA: Ráfaga de Referencia Secuencia binaria para recuperación de sincronización de bits o señal de reloj.

Trama básica de TDMA: Ráfaga de Referencia Palabra Única: empleada para establecer referencia precisa de tiempo. La emplea cada estación para sincronizar la transmisión de su ráfaga.

Trama básica de TDMA: Preámbulo de la Estación Ráfaga de referencia como preámbulo de un canal En el proceso de transmisión, cada estación precede los datos a transmitir con un PREAMBULO Cada estación recibe la transmisión suya y la de las demás estaciones, por lo tanto, todas las estaciones deben recuperar la información de la portadora y del reloj, antes de demodular los datos.

Trama básica de TDMA: Palabra Única Cada receptor de estación demodula e integra la secuencia UW. La UW es una secuencia de veinte “1” binarios sucesivos y terminada en un “0” lógico. El integrador y el detector de umbral se diseñan de tal forma que se alcance el voltaje umbral exactamente cuando se integre el último bit de la secuencia UW.

Trama básica de TDMA: Ráfaga de Referencia

Trama básica de TDMA: Palabra Única Cada estación espera distintas longitudes de tiempo para transmitir. NO hay dos estaciones que transmitan su información al mismo tiempo.

Aplicación de TDMA: Trama de CEPT Se analiza a continuación la trama TDMA de la conferencia de Telecomunicaciones y Administraciones Postales Europeas (CEPT). Emplea la estrategia de procesar y almacenar (temporalmente) las señales de banda de voz antes de transmitirlas. Las estaciones terrestres solo pueden transmitir durante su ranura de tiempo especifica.

Diagrama de un transmisor de trama CEPT Tiene 16 canales de entrada de ancho de banda 4 kHz c/u. Muestreo a 16 kHz Codificación de 8 bits.

Diagrama de un transmisor de trama CEPT Las 16 entradas de 128 Kbps se multiplexan por división de tiempo en una sub-trama.

Diagrama de un transmisor de trama CEPT Se transmite a una velocidad de Mbps Un ciclo de muestreo tiene 8 bits X 16 canales =128 bits Los 128 bits se acumulan en 62.5 us si R=2.048 Mbps

Diagrama de un transmisor de trama CEPT La salida del TDM se pasa al registro de memoria de entrada. El proceso se repite 32 veces Se almacenan 32 sub-tramas, dando 4096 bits. Lleno el registro, se envía a la etapa siguiente.

Diagrama de un transmisor de trama CEPT El registro de memoria de entrada pasa los datos la conversor paralelo serie. Se transmiten los datos a una velocidad de Mbps hacia el modulador en la etapa siguiente.

Trama primaria del sistema CEPT La trama primaria del sistema CEPT se conforma de la siguiente manera Son 32 sub-tramas de 8 bits cada una, de cada uno de los 16 canales de voz, produciendo así 4096 bits. Cada sub-trama dura 62.5 us, al ser 32 sub-tramas la duración de la trama será 2 ms (32 X us)

Trama primaria del sistema CEPT

Trama primaria del sistema CEPT Primera Muestra del Primer Canal de 8 bits Primera Muestra del Canal 16 de 8 bits

Trama primaria del sistema CEPT Primera Sub-trama de 128 bits (16 canales X 8 bits/canal)

Trama primaria del sistema CEPT La duración del canal es 62.5 us La transferencia se realiza a 2,048 Mbps

Time-Division Multiple Access (TDMA) Arreglo de las 32 sub-tramas
Trama primaria del sistema CEPT Sub-trama 32 Sub-trama 1 Arreglo de las 32 sub-tramas 4096 bits

Time-Division Multiple Access (TDMA) Duración de Sub-trama: 2 ms
Trama primaria del sistema CEPT Duración de Sub-trama: 2 ms

Trama primaria del sistema CEPT Velocidad de Transmisión de (4096 bits/33.9 us) = Mbps Tiempo de Transmisión de Bloque primario: 33.9 us

Code-Division Multiple Access (CDMA)

Code-Division Multiple Access (CDMA)
El CDMA mejor conocido como Spread Spectrum (Espectro esparcido) es una técnica de modulación que convierten la señal en banda base en una señal modulada con un espectro de ancho de banda que cubre o se esparce sobre una banda de magnitud más grande que la que normalmente se necesita para transmitir la señal en banda base por si misma.

Code-Division Multiple Access (CDMA)
Es una técnica muy robusta en contra de la interferencia en el espectro común de radio y ha sido usado muy ampliamente en aplicaciones militares. Esta técnica se aplica en comunicaciones vía satélite particularmente para transmisión de datos a bajas velocidades.

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