TDMA: La Tecnología que Revolucionó las Comunicaciones Móviles

La tecnología TDMA, o Acceso Múltiple por División de Tiempo, representa un hito fundamental en la evolución de las comunicaciones inalámbricas, especialmente en el ámbito de la telefonía móvil. Su desarrollo permitió superar las limitaciones de capacidad de las tecnologías analógicas anteriores, sentando las bases para la expansión masiva de los servicios celulares. TDMA es una tecnología digital que permite a un número de usuarios tener acceso a un canal único de RF sin interferencias por medio de una ranura de tiempo dedicada a cada usuario en cada canal. El esquema TDMA digital multiplexa 3 señales sobre un mismo canal.

Principios Fundamentales del TDMA

En esencia, TDMA se apoya en la digitalización de las señales de audio, dividiéndolas en paquetes de varios milisegundos. Esta digitalización permite una manipulación y compresión de la información mucho más eficiente que en los sistemas analógicos. La información binaria (unos y ceros) puede ser reducida de tamaño, lo que hace posible la compresión de las conversaciones digitales. Estas conversaciones comprimidas se envían utilizando la señal de radio por un tercio de tiempo solamente.

El concepto central de TDMA radica en la compartición temporal de un canal de radiofrecuencia. En lugar de asignar un canal completo a un solo usuario durante toda la duración de una llamada, TDMA divide el tiempo de ese canal en pequeñas unidades llamadas "ranuras de tiempo" (time slots). Cada usuario recibe una ranura de tiempo asignada dentro de una estructura temporal más grande conocida como "trama" (frame). De esta manera, múltiples usuarios pueden utilizar la misma frecuencia portadora de manera secuencial y sincronizada, sin interferir entre sí.

La técnica de acceso usada en TDMA tiene a 3 usuarios compartiendo una portadora de frecuencia de 30 KHz. En el multiacceso TDMA se emplea una sola portadora para dar servicio a varios canales mediante compartición temporal. En el enlace descendente, de base a móvil, se transmite la portadora modulada por la señal de multiplex temporal con todos los canales. La transmisión en este sentido es TDM (múltiplex temporal). En el enlace ascendente, de móviles a base, cada móvil envía su información en forma de una ráfaga de datos en el intervalo de tiempo asignado dentro de la trama.

Evolución y Capacidades del TDMA

El estándar TDMA actual para celulares divide un canal en seis ranuras de tiempo, donde cada señal usa dos ranuras, brindando una ganancia de 3 a 1 en capacidad sobre el sistema AMPS. Una de las principales ventajas de TDMA es su capacidad para triplicar la capacidad de frecuencia. Las implementaciones IS-54 e IS-136 de TDMA triplicaron en forma efectiva e inmediata la capacidad de la frecuencia al dividir los canales de 30 KHZ en tres ranuras de tiempo, permitiendo así a tres diferentes usuarios ocuparlo al mismo tiempo. Actualmente, los sistemas están implementados de tal forma que soportan seis veces la capacidad de los anteriores. TDMA mejoró en forma sustancial la eficiencia del sistema celular análogo.

Sin embargo, el TDMA en sus formas iniciales presentaba una desventaja inherente: desperdiciaba ancho de banda. La ranura de tiempo era asignada para una conversación específica sin importar si el usuario estaba hablando o no. Para superar este inconveniente, se desarrolló la versión extendida de TDMA (ETDMA). En lugar de esperar a que el suscriptor transmita, ETDMA asigna dinámicamente las ranuras de tiempo, enviando información en las pausas que normalmente tienen las conversaciones. Cuando un suscriptor tiene algo que transmitir, pone un bit en el buffer de espera, el sistema escanea este buffer, notifica que el usuario tiene algo que transmitir y pone disponible el ancho de banda correspondiente.

TDMA en el Contexto de las Comunicaciones Inalámbricas

Los sistemas de comunicación inalámbrica permiten que varios usuarios compartan la misma banda de frecuencia o canal, pero esto también crea interferencias y limita la capacidad del sistema. Para superar este desafío, se utilizan técnicas de acceso múltiple inalámbrico para asignar los recursos del canal entre los usuarios. El acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA) es una de las técnicas más utilizadas, que divide el canal en franjas horarias y las asigna a diferentes usuarios de forma cíclica.

La tecnología TDMA fue una de las bases para el desarrollo de estándares de telefonía móvil digital como GSM (Sistema Global para la Comunicación Móvil), que emplea una variación de TDMA. Otros estándares digitales basados en TDMA incluyen D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone System), TDMA D-AMPS-1900, PCS-1900 (Personal Communication Services), DCS-1800 (Digital Communications System) y PDC (Personal Digital Cellular). El motivo por el 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 Communication Services).

Componentes Clave en un Sistema TDMA

En un sistema TDMA, varios componentes trabajan conjuntamente para gestionar la comunicación:

• MSC (Mobile Switching Center): Es el "cerebro" del sistema TDMA, encargado de dirigir la conmutación de las llamadas desde y hacia los terminales móviles a través de las radiobases.
• HLR (Home Location Register): Base de datos que almacena la información de los suscriptores del propio operador.
• VLR (Visitor Location Register): Equivalente al HLR, pero utilizado para los usuarios que se encuentran en roaming (visitando otra red).
• Radiobase (RB): El dispositivo inalámbrico que establece conexión con el terminal móvil.
• RCC (Radio Control Complex): Recibe el control y los datos de voz del MSC.
• EDRU (Estación de Radio Base): Transmiten y reciben en el rango de 850 MHz.

El proceso de establecimiento de una comunicación celular típicamente involucra el encendido del terminal, la búsqueda de una radiobase, la sincronización a través de un canal de control dedicado (DCCH), la autenticación del usuario y, finalmente, la asignación de un canal de voz y una ranura de tiempo específica para la comunicación.

Características Técnicas y Modulación

La técnica de acceso usada en TDMA tiene tres usuarios compartiendo un mismo canal (de 30 KHz), una misma frecuencia portadora. Cada canal de voz TDMA se forma de seis ranuras de tiempo (time slots) y soporta hasta 3 canales full rate o 6 half rate. Particularmente en full rate, las ranuras de tiempos deben ser iguales. Por ejemplo, si un usuario ocupa las ranuras 1 y 4, y el usuario 2 ocupa las 2 y la 5, el tercer usuario ocupa la 3 y 6. Dentro de cada canal de voz coexisten 4 canales de información (data channels) simultáneamente. El más importante es el canal de tráfico digital DTC que transmite datos o la voz del usuario, por otro lado, los otros tres transmiten información de control del sistema.

El espectro radioeléctrico se utiliza de manera eficiente. Cada servicio provisto puede usar la mitad del espectro asignado, siendo usado el rango de frecuencias de 824-849 MHz. para las señales transmitidas del Móvil a la Base Estación (Uplink) y el rango de 869 -894 MHz. para las trasmisiones desde la Base Estación (Downlink). La separación entre canales es de 30 KHz. Y la separación entre la portadora de transmisión y recepción es de 45 MHz.

En cuanto a la modulación, el esquema de modulación digital utilizado es diferencialmente codificado con 90° de desfasaje utilizando QPSK. Se emplea un filtro Nyquist o de coseno alzado para que la transmisión del pulso esté libre de interferencia intersimbólica. El filtro de Nyquist se separa 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 se selecciona como ±=0.5.

El código Gray se utiliza en el mapeo: dos símbolos di-bit correspondientes a fases de señal adyacentes difieren solo de un bit. Como los errores más probables debido al ruido resultan en una selección errónea de una fase adyacente, la mayoría de los errores de los símbolos di-bit contienen solo un error simple de bit. La señalización provee control e información de ruteo. Se toman dos bits de cada canal en los frames 6 y 12 de cada multiframe. La calidad de la voz no se ve afectada cuando se toma solo el 2% de la señal.

Canales de Control y Señalización en TDMA

Dentro de la estructura de tramas TDMA, coexisten canales de tráfico (TCHs) para voz o datos de usuario y canales de control (CCHs) para señalización y sincronización.

• Canal de Tráfico Digital (DTC): Transmite la voz o datos del usuario. El canal RDTC transmite la conversación o datos del usuario a la radio base, y el FDTC, forward DTC transmite a la inversa.
• SACCH (Slow Associated Control Channel): Se manda en cada ranura de tiempo y provee una supervisión de la transmisión en paralelo con la comunicación. Transmite mensajes de control entre la unidad del usuario y la radio base, como cambios de niveles de potencia y requerimientos de handoff.
• CDVCC (Channel Code Vertical Check Code): Un mensaje de 12 bits que se manda cada ranura. Es un número de 8 bits protegido con 4 bits de código de canal adicionales de código Haming. La radio base transmite un valor de CDVCC en el canal de forward de voz y cada abonado debe recibir, decodificar y volver a transmitir el mismo valor a la radio base en el canal de reverse.
• FACCH (Fast Associated Control Channel): Usado para mandar información especializada de control o tráfico entre la radio base y las unidades de control. Si se inicia una transmisión de información del FACCH, este toma el lugar de los datos de información del usuario dentro del frame. Soporta transmisiones de múltiples frecuencias de tonos duales, instrucciones de llamadas salientes, instrucciones de colgado rápido y del MAHO (Mobile Assisted Hand Over) o requerimientos de estado del abonado.
• MAHO (Mobile Assisted Hand Over): El sistema asiste al MSC con decisiones durante el handover mandando información sobre la calidad de los distintos canales, como potencia de señal de los canales vecinos y estimación del BER (Bit Error Rate) del canal actual. Permite las medidas de la calidad de Down link que no son posibles desde la BTS.

En downlink, el campo SACCH se reemplaza por el campo SCF. El campo de voz es reemplazado por datos del DCCH. El campo CDVCC es reemplazado por un campo contador de frame llamado CSFP.

TDMA en Comparación con Otras Tecnologías

TDMA se distingue de otras técnicas de acceso múltiple como FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia) y CDMA (Acceso Múltiple por División de Código). Mientras que FDMA asigna un canal de frecuencia distinto a cada usuario, TDMA comparte una frecuencia pero la divide en el tiempo. Ambas tecnologías tienen la misma función: permitir el mayor número de llamadas simultáneas con el mínimo uso de los rangos de frecuencia posibles.

FDMA, aunque 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 esté o no hablando. Además, FDMA no puede transmitir otra información (datos) diferentes a los de voz. TDMA, por otro lado, al ser un sistema digital, permite una mayor flexibilidad y eficiencia en el uso del espectro.

En comparación con CDMA, TDMA asigna ranuras de tiempo específicas a cada usuario dentro de un canal, mientras que CDMA permite que múltiples usuarios transmitan simultáneamente en el mismo canal de frecuencia, pero utilizando códigos únicos para distinguir sus señales. La elección entre estas tecnologías depende de las necesidades específicas de la red y las aplicaciones previstas. En entornos donde la eficiencia espectral es crucial y se espera un tráfico variable, TDMA puede ser la elección ideal.

Conclusión Parcial

La tecnología TDMA representó un avance significativo en la capacidad y eficiencia de las redes celulares. Al permitir que múltiples usuarios compartieran un canal de radiofrecuencia mediante la división temporal, se logró un aumento sustancial en el número de llamadas simultáneas y se sentaron las bases para la telefonía móvil digital. Su influencia se extendió a numerosos estándares de comunicación, y las lecciones aprendidas de su implementación y sus limitaciones impulsaron el desarrollo de tecnologías aún más avanzadas.

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