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 analógica. 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 el 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 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 Industry 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 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 canal 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
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
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 traduce 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
En la Figura 4, se puede observar con mayor detalle la asignación de frecuencia del espectro tanto 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. Para 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
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
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 en 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
Desventajas: Quizás la desventaja principal observada en 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 handoff a otra celda mientras el usuario se encuentra conversando y moviéndose; si todos los time slots 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 obstáculos. 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 igual 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
La cobertura de Movilnet sobre el territorio nacional venezolano se muestra en la siguiente figura: 3 10
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
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
Anexos Página 1 Especificaciones de los celulares que utilizan TDMA en Movilnet 13
Anexos Página 2 14
Índice Introducción....... 1 TDMA........ 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 15
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