Método de acceso al canal

En telecomunicaciones y redes informáticas, un método de acceso al canal o método de acceso múltiple permite que más de dos terminales conectados al mismo medio de transmisión transmitan por él y compartan su capacidad. Ejemplos de medios físicos compartidos son las redes inalámbricas, las redes de bus, las redes en anillo y los enlaces punto a punto que funcionan 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 ser parte del mecanismo de control y protocolo de acceso múltiple, también conocido como control de acceso al medio (MAC). El control de acceso medio se ocupa de cuestiones como el direccionamiento, la asignación de canales multiplex a diferentes usuarios y la prevención de colisiones. El control de acceso a medios es una subcapa en la capa de enlace de datos del modelo OSI y un componente de la capa de enlace del modelo TCP/IP.

Esquemas fundamentales

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

El Manual de Telecomunicaciones (Terplan y Morreale, 2000) 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
  • Contaminación: Votación generalizada, Votación distribuida, Token Passing, Votación implícita, Acceso Ranurado
• Acceso aleatorio (RA): RA pura (ALOHA, GRA), RA adaptativa (TRA), CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Los esquemas de acceso al canal generalmente se clasifican en las siguientes categorías.

Acceso múltiple por división de frecuencia

El esquema de acceso al canal de acceso múltiple 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 para 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 celular 1G de primera generación, en los que cada llamada telefónica se asignaba a un canal de frecuencia de enlace ascendente específico ya 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 de fibra óptica. En el caso de WDMA, los diferentes nodos de red en una red de bus o concentrador obtienen un color diferente.

Una forma avanzada de FDMA es el esquema de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), por ejemplo, que se utiliza en los sistemas de comunicación celular 4G. En OFDMA, cada nodo puede usar varias subportadoras, lo que hace posible brindar una calidad de servicio diferente (diferentes velocidades de datos) a diferentes usuarios. La asignación de subportadoras a los usuarios se puede cambiar dinámicamente, según las condiciones actuales del canal de radio y la carga de tráfico. FDMA de portadora única (SC-FDMA), también conocida como OFDMA precodificado linealmente (LP-OFDMA), se basa en la ecualización de dominio de frecuencia de portadora única (SC-FDE).

Acceso múltiple por división de tiempo

El esquema de acceso al canal de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) se basa en el esquema de multiplexación por división de tiempo (TDM). TDMA proporciona diferentes intervalos de tiempo a diferentes transmisores en una estructura de trama cíclicamente 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 cuando comienza de nuevo. Una forma avanzada es la TDMA dinámica (DTDMA), en la que 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. Como 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 señalizar datos.

El acceso múltiple de multiplexación por división de tiempo estadística normalmente también se basa en la multiplexación en el dominio del tiempo, pero no en una estructura de trama cíclicamente repetitiva. Debido a su carácter aleatorio, puede categorizarse como métodos de multiplexación estadística y capaz de asignación dinámica de ancho de banda. Esto requiere un protocolo de control de acceso a medios (MAC), es decir, un principio para que los nodos se turnen en el canal y eviten colisiones. Los ejemplos comunes son CSMA/CD, que se usa en redes de bus Ethernet y redes de concentradores, y CSMA/CA, que se usa en redes inalámbricas como IEEE 802.11.

Acceso múltiple por división de código y acceso múltiple de 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 más amplio que el que requiere la velocidad de datos de los flujos de bits individuales, y varias señales de mensajes se transfieren simultáneamente a través de la misma frecuencia portadora., utilizando diferentes códigos de ensanchamiento. Según el teorema de Shannon-Hartley, el ancho de banda amplio permite enviar con una relación señal-ruido mucho menor que 1 (menos de 0 dB), lo que significa que la potencia de transmisión se puede reducir a un nivel por debajo del nivel de el ruido y la interferencia cocanal de otras señales de mensajes que comparten el mismo rango de frecuencia.

Una forma es CDMA de secuencia directa (DS-CDMA), basada en espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS), que se utiliza, por ejemplo, en sistemas de telefonía celular 3G. Cada bit de información (o cada símbolo) está representado por una larga secuencia de código de varios pulsos, llamados chips. La secuencia es el código de difusión y cada señal de mensaje (por ejemplo, cada llamada telefónica) utiliza un código de difusión diferente.

Otra forma es el CDMA con salto de frecuencia (FH-CDMA), basado en el espectro ensanchado con salto de frecuencia (FHSS), donde la frecuencia del canal cambia rápidamente de acuerdo con una secuencia que constituye el código de ensanchamiento. Como ejemplo, el sistema de comunicación Bluetooth se basa en una combinación de salto de frecuencia y comunicación multiplexada por división de tiempo estadística CSMA/CA (para aplicaciones de comunicación de datos) o TDMA (para transmisión de audio). Todos los nodos que pertenecen al mismo usuario (a la misma piconet) usan la misma secuencia de salto de frecuencia de forma síncrona, lo que significa que envían en el mismo canal de frecuencia, pero se usa CDMA/CA o TDMA para evitar colisiones dentro de la VPAN. El Bluetooth utiliza el salto de frecuencia para reducir la diafonía y la probabilidad de colisión entre nodos en diferentes VPAN.

Otras técnicas incluyen OFDMA y acceso múltiple por división de código multiportadora (MC-CDMA).

Acceso múltiple por división espacial

El acceso múltiple por división espacial (SDMA) transmite diferente información en diferentes áreas físicas. Los ejemplos incluyen sistemas de radio celulares simples y sistemas celulares más avanzados que utilizan antenas direccionales y modulación de potencia para refinar los patrones de transmisión espacial.

Acceso múltiple por división de potencia

El acceso múltiple por división de potencia (PDMA) se basa en el uso de potencia de transmisión variable entre usuarios para compartir la potencia disponible en el canal. Los ejemplos incluyen múltiples módems SCPC en un transpondedor satelital, donde los usuarios obtienen a pedido una mayor parte del presupuesto de energía para transmitir a velocidades de datos más altas.

Métodos en modo paquete

Los métodos de acceso al canal en modo paquete seleccionan un solo transmisor de red durante la transmisión de un paquete. Algunos métodos son más adecuados para la comunicación por cable, mientras que otros son más adecuados para la comunicación inalámbrica.

Los protocolos de acceso múltiple de multiplexación estadística por división de tiempo comunes para redes multipunto cableadas incluyen:

• Acceso múltiple Carrier-sense con detección de colisión (CSMA/CD), utilizado en Ethernet e IEEE 802.3
• Acceso múltiple con Evitación de Colisión (MACA)
• Acceso múltiple con Evitación de Colisión para Wireless (MACAW)
• Acceso múltiple (CSMA)
• Acceso múltiple de Carrier-sense con evitación de colisiones y resolución utilizando prioridades (CSMA/CARP)
• Bitwise Arbitration based on constructive interference as used on CAN bus
• Token bus (IEEE 802.4)
• Token Ring (IEEE 802.5)
• Token de paso, utilizado en FDDI
• Digitalización dinámica de tiempo de acceso múltiple (Dynamic TDMA)

Los protocolos comunes de acceso múltiple que pueden usarse en redes inalámbricas de radio por paquetes incluyen:

• Acceso múltiple Carrier-sense con evitación de colisión (CSMA/CA), utilizado en IEEE 802.11/WiFi, potencialmente utilizando una función de coordinación distribuida
• ALOHA y ALOHA ranurado, utilizado en ALOHAnet
• Reserva ALOHA (R-ALOHA)
• Mobile Slotted Aloha (MS-ALOHA)
• Acceso múltiple (CDMA)
• Acceso múltiple de frecuencia-división ortogonal (OFDMA)
• Multixing de frecuencia-división ortogonal (OFDM)

Métodos de duplicación

Cuando estos métodos se utilizan para dividir los canales de comunicación directos e inversos, se conocen como métodos de duplicación. Un sistema de comunicación dúplex puede ser semidúplex o dúplex completo. En un sistema semidúplex, la comunicación solo funciona en una dirección a la vez. Un walkie-talkie es un ejemplo de un sistema semidúplex porque ambos usuarios pueden comunicarse entre sí, pero no al mismo tiempo, alguien tiene que terminar de transmitir antes de que la siguiente persona pueda comenzar. En un sistema full-duplex, ambos usuarios pueden comunicarse al mismo tiempo. Un teléfono es el ejemplo más común de un sistema full-duplex porque ambos usuarios pueden hablar y ser escuchados al mismo tiempo en cada extremo. Algunos tipos de métodos de dúplex completo son:

• Dúplex de división del tiempo (TDD)
• Duplex de división de frecuencias (FDD)
• Cancelación de Eco

Ejemplos de aplicaciones híbridas

Tenga en cuenta que se utilizan con frecuencia híbridos de estas técnicas. Algunos ejemplos:

• El sistema celular GSM combina el uso de dúplex de frecuencia-división (FDD) para evitar interferencias entre señales externas y de retorno, con FDMA y TDMA para permitir que múltiples teléfonos funcionen en una sola célula.
• GSM con el servicio de paquetes GPRS combina FDD y FDMA con Aloha ranurado para preguntas de reserva y un esquema dinámico de TDMA para transferir los datos reales.
• La comunicación del modo Bluetooth packet combina el acoplamiento de frecuencias para el acceso de canales compartidos entre varias redes de área privada en la misma habitación con CSMA/CA para el acceso de canales compartidos dentro de una red.
• Las redes locales inalámbricas IEEE 802.11b (WLAN) se basan en FDMA y DS-CDMA para evitar interferencias entre células WLAN adyacentes o puntos de acceso. Esto se combina con CSMA/CA para el acceso múltiple dentro de la célula.
• Las redes inalámbricas HIPERLAN/2 combinan FDMA con TDMA dinámica, lo que significa que la reserva de recursos se logra mediante la programación de paquetes.
• G.hn, un estándar de la UIT-T para redes de alta velocidad en el cableado de casa (líneas de potencia, líneas telefónicas y cables coaxiales) emplea una combinación de TDMA, paso token y CSMA/CARP para permitir que varios dispositivos compartan el medio.

Definición dentro de ciertas áreas de aplicación

Redes de área local y metropolitana

En las redes de área local (LAN) y las redes de área metropolitana (MAN), los métodos de acceso múltiple permiten redes de bus, redes en anillo, redes en estrella, redes inalámbricas y comunicación punto a punto semidúplex, pero no se requieren en su totalidad. -líneas serie punto a punto dúplex entre conmutadores de red y enrutadores. El método de acceso múltiple más común es CSMA/CD, que se utiliza en Ethernet. Aunque las instalaciones de Ethernet actuales utilizan conexiones full-duplex directamente a los conmutadores. CSMA/CD todavía se implementa para lograr la compatibilidad con concentradores repetidores más antiguos.

Comunicaciones por satélite

En las comunicaciones por satélite, el acceso múltiple es la capacidad de un satélite de comunicaciones para funcionar como parte de un enlace de comunicaciones entre más de un par de terminales terrestres al mismo tiempo. Los tres tipos de acceso múltiple que se utilizan actualmente con los satélites de comunicaciones son el acceso múltiple por división de código, por división de frecuencia y por división de tiempo.

Redes móviles

En las redes celulares, las dos tecnologías más ampliamente adoptadas son CDMA y TDMA. La tecnología TDMA funciona mediante la identificación de pausas naturales en el habla y utiliza una onda de radio para soportar múltiples transmisiones a su vez. En la tecnología CDMA, cada paquete individual recibe un código único que se divide en un amplio espectro de frecuencias y luego se vuelve a ensamblar en el otro extremo. CDMA permite que varias personas hablen al mismo tiempo en la misma frecuencia, lo que permite que se transmitan más conversaciones en la misma cantidad de espectro; esta es una de las razones por las que CDMA finalmente se convirtió en el método de acceso a canales más ampliamente adoptado en la industria inalámbrica.

Los orígenes de CDMA se remontan a la década de 1940, cuando el gobierno de los Estados Unidos lo patentó y se usó durante la Segunda Guerra Mundial para transmitir mensajes. Sin embargo, después de la guerra, la patente expiró y el uso de CDMA disminuyó y fue ampliamente reemplazado por TDMA. Eso fue hasta que Irwin M. Jacobs, ingeniero del MIT, y compañeros de trabajo de la empresa Linkabit fundaron la empresa de telecomunicaciones Qualcomm. Cuando se fundó Qualcomm, Jacobs ya había estado trabajando para abordar los problemas de telecomunicaciones de los militares utilizando tecnología digital para aumentar la capacidad del espectro. Qualcomm sabía que CDMA aumentaría en gran medida la eficiencia y la disponibilidad de la tecnología inalámbrica, pero la industria inalámbrica, que ya había invertido millones de dólares en TDMA, se mostró escéptica. Jacobs y Qualcomm pasaron varios años mejorando la infraestructura y realizando pruebas y demostraciones de CDMA. En 1993, CDMA fue aceptado como el estándar de la industria inalámbrica. Para 1995, CDMA se usaba comercialmente en la industria inalámbrica como la base de 2G.