Introducción - Universidad Simón Bolívar

TDMA: Time Division Multiple Access
Introducción
Las primeras redes celulares del mundo fueron introducidas a principios de
los años 80, usando tecnologías
analógicas de
transmisión tales como AMPS
(Advanced Mobile Phone Service), la cual utiliza FDMA (Frequency Division
Multiple Access) como método de acceso múltiple al medio, el cual asigna
canales individuales a cada usuario.
Después
de
la
introducción
de
FDMA,
los
operadores
celulares
y
fabricantes de equipos inalámbricos reconocieron las limitaciones de esta técnica
de acceso analó gica. Años más tarde aparecen los primeros sistemas celulares
digitales basados en TDMA (Time Division Multiple Access) y CDMA (Code
Division Multiple Access).
Los sistemas celulares bajo TDMA utilizan el espectro de manera similar a
los sistemas FDMA, con cada radio base ocupando una frecuencia distinta para
transmitir y recibir. Sin embargo, cada una de estas dos bandas es dividida
ranuras de tiempo para cada usuario.
Con el fin de continuar la compatibilidad con la asignación de espectro del
sistema anterior ocupado por la tecnología AMPS, se desarrolló en Norteamérica
a finales de los 80s (en base a TDMA) un sistema conocido como DAMPS
(Digital AMPS), también con 30 kHz de ancho de banda por canal. A la vez, en
Europa se desarrollaba un sistema celula r digital basado en TDMA conocido
como GSM (Groupe Special Mobile) con canales de 200 kHz. Los primeros
sistemas bajo esta tecnología fueron instalados en Europa en 1991 y el primer
sistema instalado en Norteamérica fue instalado en Canadá en 1992. 2
En e l presente trabajo se estudiará específicamente el método de acceso
múltiple
al
medio
TDMA,
centrándonos
tanto
en
las
características
fundamentales, funcionamiento, ventajas y desventajas, así como en los aspectos
técnicos involucrados con esta tecnología, asignación del espectro, frecuencias de
trabajo y métodos de modulación
1
TDMA: Time Division Multiple Access
TDMA: Time Division Multiple Access
¿Qué es TDMA?
TDMA, como su nombre lo indica, Acceso Múltiple por División de
Tiempo, es una técnica de comunicaciones que utiliza un cana l común para
comunicaciones entre múltiples usuarios al asignarle a cada uno de ellos una
ranura de tiempo diferente.
El estándar internacional original de TDMA fue el IS-54 (ver Figura 1),
introducido
en
1988- 89
por
la
TIA/CTIA
(Telecommunications
Indus try
Asociation), el cual introducía a los sistemas celulares características como
autenticación, calling number o ID, MWI o Message -Waiting Indicator y
privacidad de voz. El IS- 54B fue suplantado en 1994, por el estándar IS- 136
(compatible al IS-54B), el cual adicionaba un DCCH o Digital Control Channel
así como características técnicas avanzadas. Este, esta seguido muy cerca
por las correcciones A y B.
La Corrección A del IS-136 (IS- 136A) entre otros avances, hizo un
reacomodo de la banda de frecuencia entre los 800 y 1900 MHz, mientras que el
IS- 136B introdujo servicios tales como packet data y broadcast SMS.
2
TDMA: Time Division Multiple Access
TDMA es la técnica de acceso al medio usada por la European Digital
Standard, GSM y el estándar digital japonés PDC (Personal Digital Cellular). El
motivo por lo cual estos estándares escogieron TDMA fue el hecho de que este
incorpora características fundamentales para operaciones de sistemas en ambiente
celular avanzado o de PCS (Personal Comunication Services). Actualmente,
TDMA es una técnica altamente disponible y probada en muchos sistemas de
operaciones comerciales. 4
Principios de Funcionamiento de TDMA
TDMA es básicamente un sistema analógico FDMA con componentes de
tiempo compartido construidos dentro del sistema. FDMA asigna un ca nal simple
para cada usuario en el tiempo, tal como se puede apreciar en la Figura 2:
Y en caso que el canal de comunicación se deteriore el controlador del
sistema cambia a otro canal automáticamente. FDMA, aunque es simple de
implementar conlleva a un mal aprovechamiento del ancho de banda, debido a que
el canal se
asigna
a
una conversación sin importar que el usuario este o no
hablando. Además de esto, FDMA no puede transmitir otra información (datos)
diferentes a los de voz.
El primer factor influyente de TDMA es el hecho que cuenta con una
digitalización de la señal de audio, esto es dividir a la señal en paquetes de
longitud muy pequeña (alrededor de los milisegundos). Este sistema, asigna un
canal simple de frecuencia por un corto periodo de tiempo y luego cambia a otro
canal, por lo que requiere métodos de sincronismo eficaces.
3
TDMA: Time Division Multiple Access
Las
muestras
digitales
de
un
transmisor
simple
(resultado
de
la
digitalización de la data) ocupan diferentes time slots en muchas bandas al mismo
tiempo tal como se muestra en la Figura 3:
La técnica de acceso usado en TDMA tiene tres usuarios compartiendo un
mismo canal (de 30Khz), una misma frecuencia portadora.
Cabe destacar que una de las características mas llamativas de esta
tecnología de división de tiempo (TDMA), es que un teléfono individual
solamente necesita o utiliza dos de los espacios de tiempo (timeslots) disponibles
para enviar o recibir audio. Por lo que en el tiempo restante, pueden hacerse otras
cosas. Por ejemplo puede ser utilizada para llevar una señal de llamada en espera,
y permite que el usuario cambie entre dos llamadas.
En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de
técnicas de compresión de voz digitales, que permite a múltiples usuarios
compartir un canal común utilizando un orden temporal. La codificación de voz
moderna, reduce mucho el tiempo que se lleva en transmitir mensajes de voz,
eliminando la mayoría de la redundancia y periodos de silencio en las
comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durante
los periodos en que éste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal físico en
un sistema TDMA, donde están asignados unos espacios de tiempo (timeslots). A
todos los usuarios que comparten la misma frecuencia se les asigna un espacio de
tiempo (timeslot), que se repite dentro de un grupo de espacios (slots) que se
llama trama. Un espacio (slot) GSM es de 577 µs, y cada usuario tiene uso del
canal (mediante su espacio (slot)) cada 4.615 ms (577 µs 8 = 4.615 ms), ya que
en GSM tenemos 8 espacios de tiempo (timeslots).
4
TDMA: Time Division Multiple Access
Características Técnicas
Como en FDMA (AMPS), TDMA (D-AMPS) usa frecuencias comprendidas
en el rango entre los 800 y 900 MHz. del espectro radioeléctrico. Cada servicio
provisto puede usar la mitad del espectro asignado, siendo usado el rango de
frecuencias de 824-849 MHz. para las señales trasmitidas del Móvil a la Base
Estación (Uplink)
y el rango de 869 -894 MHz. para las trasmisiones desde la
Base Estación (Downlink). La división del Espectro en subcanales es realizaba a
partir de FDMA, a diferencia de que ahora también se procesa la subdivisión de
cada canal en subcanales digitales.
La separación entre canales es de 30KHz. Y la separación entre la
portadora de transmisión y recepción es de 45MHz. lo que se tra duce en un total
de 832 canales (Full-Duplex) con capacidad tres usuarios cada uno y una rata de
bit en RF de 48.6 kbps producto del uso de audio digital.
5
TDMA: Time Division Multiple Access
En la Figura 4, se puede observar con mayor detalle la asignación de
frecuencia del espectro tant o de 800 MHz como de 1900Mhz, relacionados a
TDMA.
Una de las principales diferencias entre las tecnologías analógicas y
digitales es que esta ultima basada en amplificación lineal requiere de una mayor
alimentación
para
producir
la
misma
potencia
RF
de
salida
durante
la
transmisión. Para contrarrestar esta limitación la tecnología digital hace las
trasmisiones por periodos cortos de tiempo o simplemente mediante el control
preciso de la potencia de transmisión para lograr una baja potencia promedio.
P a r a las Base Estaciones, se tiene como referencia una potencia máxima de 100W
estando las potencias típicas entre los 10 y 50 Vatios, dependiendo de la
localidad y las condiciones de donde se encuentre, así como del radio de
cobertura que se requiera alcance que se requiera, el cual puede variar entre los 2
y los 25 Km.
Por otro lado, para las estaciones móviles se tiene una potencia máxima de
4W, y una promedio cercana a los 3W. A continuación en la Figura 5, se muestra
con mayor detalle los valores especificados por el estándar IS- 136, para móviles. 4
En referencia a las antenas en la banda de frecuencias de 800- 900MHz
(TDMA) se utilizan polarizaciones del tipo vertical, dual y dual simplex, así
como dual dual y Quad, cuyas configuraciones se muestran en la Figura 6. Dichas
antenas típicamente tienen ganancias entre los 15 y los 20 dBi, siendo la más
común la de 17 dBi. Las alturas utilizadas
son de aproximadamente de 40m,
según las condiciones físicas del emplazamiento donde se encuentren. Todo esto
varía de acuerdo a las necesidades específicas del proveedor del servicio. 1
6
TDMA: Time Division Multiple Access
Por otro lado en cuanto a la modulación tenemos que el esquema de
modulación digital que será usado es diferencialmente codificado con 90° de
desfasaje utilizando QPSK. La codificación diferencial se usa para insensibilizar
a la señal de datos recibida de las ambigüedades introducidas por el circuito de
recuperación de la portadora.
Un filtro Nyquist o de coseno alzado será usado para que la transmisión
del pulso esté libre de interferencia intersimbólica. El filtro de Nyquist será
separado en dos partes, una en el transmisor y otra en el receptor, cada una igual
a la raíz cuadrada de la respuesta en frecuencia de transmisión del filtro.
El factor de roll- off del filtro es seleccionada como ±=0.5, mientras mas
grande elijamos ±, se tendrá el menor efecto jitter en la señal, haciendo que la
apertura horizontal del diagrama del ojo sea mayor, y proporcionando una mejor
sincronización de símbolo. Pero si lo elegimos muy grande ocasionará que la
eficiencia espectral de la modulación disminuya junto con la capacidad del
sistema.
7
TDMA: Time Division Multiple Access
Ventajas y Desventajas de TDMA
TDMA ofrece una serie de ve ntajas y desventajas en comparación a las
otras tecnologías utilizadas en las comunicaciones móviles. Entre ellas se pueden
mencionar las siguientes:
Ventajas:
Primero y principal, TDMA es una interfaz de aire que se puede adaptar
fácilmente a la trans misión de datos y voz. Esta interfaz posee la capacidad de
transmitir datos a velocidades desde 64kbps hasta 120Mbps, entendiéndose este
último dato como la expansión en múltiplos de 64kbps. Estas características
permiten a las operadoras incluir servicios tales como FAX, servicios de
mensajería corta (SMS) así como también aplicaciones de multimedia y videoconferencias .
A diferencia de las técnicas que utilizan el espectro expandido las cuales
pueden sufrir de interferencia entre los usuarios que se encuentran transmitiendo
en una misma frecuencia y al mismo tiempo, TDMA separa a los usuarios en
varios “time slots” (de ahí el nombre de “time division”); esto asegura que los
usuarios
no
experimenten
ningún
tipo
de
interferencia
por
transmisiones
simultáneas. Esta última característica permite al usuario ahorrar en batería ya
que la unidad móvil solo transmite en una porción del tiempo (de 1/3 a 1/10)
menor al tiempo total de la conversación.
Las instalaciones utilizadas en TDMA ofrecen bastantes “ahorros ” e n
cuanto al espacio físico y a los equipos utilizados en las base estaciones, lo cual
disminuye el mantenimiento, factor importante en el inminente crecimiento de
una red celular.
TDMA es la única tecnología que ofrece una utilización eficiente de la
estructura jerárquica de la distribución de celdas; dicha jerarquía puede dividirse
en pico, micro y macro celdas y le permite al sistema soportar tráficos y
necesidades del servicio específicas.
8
TDMA: Time Division Multiple Access
Desventajas:
Quizás la desventaja principal observada e n los esquemas de TDMA es que
cada usuario posee un time slot predefinido. Esta característica se ve afectada en
el momento en el que un móvil solicita un h a n d o f f a otra celda mientras el
usuario se encuentra conversando y moviéndose; si todos los time slo ts de la otra
celda se encuentran ocupados, la llamada se desconecta del sistema. Igual sucede
cuando un abonado solicita llamar a un cierto número y si los time slots de su
celda en particular no están disponibles (ocupados), el usuario no recibe tono de
marcado.
Otro problema que surge con TDMA es la distorsión por multi- trayecto.
Una señal que llega a un móvil proveniente originalmente de una base estación,
puede en realidad llegar después de haber recorrido un largo camino chocando
con
diversos
obstácu los.
En
esta
tecnología,
estos
diferentes
recorridos
introducen más distorsión, especialmente en las jerarquías de micro y macro
celdas, en comparación con tecnologías similares.
Quizás la mayor desventaja que posee TDMA es que se encuentra en
periodo de desaparición siendo substituida por GSM y W- CDMA en una creciente
tendencia hacia la tercera generación de la telefonía móvil (3G). 2
TDMA en Venezuela: MOVILNET
Movilnet es una empresa de comunicación celular que posee una muy alta
tecnología al ig ual que una diversidad de servicios. Esta empresa se mantiene en
un continuo proceso de cambio debido al crecimiento acelerado de la telefonía
celular en Venezuela.
En el año 1996 esta operadora de 0416 migró de la telefonía celular
analógica al mundo digital, sobre TDMA, aumentando así la capacidad del
sistema. Actualmente, posee una cantidad de 2.511.612 abonados de los cuales un
98% posee terminales celulares digitales. Algunos ejemplos de estos terminales
que utilizan TDMA se muestran a continuación:
9
TDMA: Time Division Multiple Access
La cobertura de Movilnet sobre el territorio nacional venezolano se
muestra en la siguiente figura:
3
10
TDMA: Time Division Multiple Access
Conclusiones
"El Santo Grial del mundo de la telefonía es un pequeño teléfono
inalámbrico que usted puede usar por toda la casa y llevar a cualquier parte en el
mundo” dijo Tanenbaum en su artículo “Personal Communication Services” en
1996. Este autor se encuentra muy en lo cierto ya que ese objetivo que propone es
la meta de toda compañía celular.
Hoy en día, la infraestructura de las redes celulares está creciendo a
tremenda velocidad. La gente está comprando contratos de esta clase ya que
proveen servicio útil y relativamente barato. Los servicios provistos por las
operadoras de esas redes se están expandiendo para incluir servicios de valor
agregado que atraigan más clientes. TDMA es una tecnología que introduce una
limitación básica de 9,6 kbps de velocidad. Con avances tales como la evolución
hacia GPRS permite acceder a los servicios de datos con una velocidad que
alcanza los 115kbit/s eficaces gracias a la utilización de múltiples canales de
radio que se atribuyen a un usuario o se comparten con varios. También, los
servicios móviles de datos de GPRS incluyen la oficina móvil (remote access), el
correo electrónico, acceso a Internet, el comercio electrónico al igual que muchos
otros.
La principal desventaja de TDMA es que ya se encuentra en periodo de
desaparición. Nuevas tecnologías tales como GPRS/EDGE, UMTS y W-CDMA
nos llevan hacia un nuevo y moderno ideal, la tercera generación de celulares
(3G). Para lograr esta meta, todos los interesados del mundo celular tendrán que
trabajar juntos para normalizar las comunicaciones entre unos y otros. Este nuevo
avance futurista no solo integra muchas redes de telecomunicaciones a nivel
mundial sino que también introduce tasas de transferencia de datos de hasta
2Mbps al igual que servicios de video-conferencia, navegación por Internet a alta
velocidad y aplicaciones que necesite n gran ancho de banda. Se observa una clara
tendencia hacia la video- telefonía en el mundo celular. El futuro está muy
cerca…
11
TDMA: Time Division Multiple Access
Bibliografía
- http://www.emswireless.com (1)
- http://www.iec.org (2)
- http://www.movilnet.com.ve (3)
- http://www.acm.org/crossroads/espanol/xrds7-2/cellular.html ( 4 )
- http://html.rincondelvago.com/multiplexacion-de -canales.html (5)
12
TDMA: Time Division Multiple Access
Anexos Página 1
Especificaciones de los celulares que utilizan TDMA en Movilnet
13
TDMA: Time Division Multiple Access
Anexos Página 2
14
TDMA: Time Division Multiple Access
Índice
Introducción
.
.
.
.
.
.
.
1
.
.
.
.
.
.
.
2
- ¿Qué es TDMA? . .
.
.
.
.
.
2
- Principios de Funcionamiento .
.
.
.
.
3
- Características Técnicas .
.
.
.
.
.
5
- Ventajas y Desventajas .
.
.
.
.
.
8
TDMA en Venezuela
.
.
.
.
.
.
9
Conclusiones
.
.
.
.
.
.
.
11
Bibliografía .
.
.
.
.
.
.
.
12
Anexos
.
.
.
.
.
.
.
13
TDMA
.
.
.
15
TDMA: Time Division Multiple Access
VALLE DE SARTENEJAS
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
FUNDAMENTOS DE RADIOCOMUNICACIONES
SECCIÓN 01
TDMA
Realizado por:
Maria Matilde Carrasco 9931588
Alvaro Luis 9931967
Sergio Ascanio 9830381
Diego López 9830872
Profesor: Miguel Díaz
16