¿Cuáles son las técnicas de acceso múltiple?

Las técnicas de acceso múltiple forman la columna vertebral de los sistemas modernos de comunicación inalámbrica y cableada. Permiten a múltiples usuarios o dispositivos compartir un recurso de comunicación finito, como una banda de radio frecuencia o una línea de transmisión cableada, sin interferencias destructivas. Como el tráfico de datos global continúa su crecimiento exponencial, impulsado por la transmisión de vídeo, servicios en la nube y el Internet de las cosas (IoT), la necesidad de exprimir la máxima eficiencia de cada herviraje nunca ha sido mayor.

En los términos más simples, una técnica de acceso múltiple define cómo el medio compartido se divide entre los contendientes. La división puede ocurrir en el dominio de frecuencia, el dominio del código, el dominio espacial o cualquier combinación de él. Cada dominio produce una familia distinta de protocolos, desde la clásica División de frecuencias Acceso múltiple (FDMA) hasta el sistema de vanguardia Acceso múltiple no ortogonal (NOMA) utilizado en 5G Nuevos dictados

Tipos de núcleo de técnicas de acceso múltiple

Aunque existen muchos métodos de acceso patentados e híbridos, la mayoría de los sistemas modernos dependen de un puñado de familias bien establecidas. Entender sus mecánicos, ventajas y compensaciones es esencial para cualquier ingeniero de red o arquitecto de sistemas.

División de frecuencias Acceso múltiple (FDMA)

FDMA es el método más antiguo y conceptualmente más simple. La banda de frecuencia disponible se divide en sub-bandas más estrechas, cada una asignada a un usuario único durante la llamada o sesión. El transmisor del usuario ocupa que subbanda continuamente, mientras que los receptores utilizan filtros de bandpass para aislar la señal deseada. FDMA se utiliza en sistemas análogos como AMPS (sistema de teléfono móvil avanzado) y canales digitales todavía está presente

La principal ventaja de FDMA es su baja complejidad y mínima interferencia entre usuarios cuando las bandas de guardia son suficientes. Sin embargo, sufre de mala eficiencia espectral si los usuarios están ociosos, porque el ancho de banda asignado no puede ser reutilizado por otros durante los períodos de silencio. Además, la planificación estricta de frecuencias es necesaria para evitar interferencias de canal adyacente, que desperdicia el espectro en las bandas de guardia.

Time Division Multiple Access (TDMA)

TDMA divide el canal en marcos repetitivos, cada uno subdividido en ranuras de tiempo. Cada usuario obtiene una ranura exclusiva para transmitir sus datos. Esta técnica es fundamental para el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM), sistemas de satélites como Iridium, y muchos estándares de radio industriales. Un marco TDMA típicamente contiene una serie de ranuras, con cada ranura que transporta una explosión de datos de un usuario particular.

TDMA mejora la utilización de ancho de banda en comparación con FDMA puro porque un canal de frecuencia único puede soportar múltiples usuarios. También simplifica la programación digital y permite una asignación flexible de duración de ranura. Sin embargo, TDMA requiere una sincronización estrecha entre todos los usuarios para evitar la superposición de las transmisiones, y los tiempos de guardia entre ranuras consumen algunos gastos generales. Cuando un usuario tiene poco que transmitir, la ranura permanece vacía — una forma de ineficiencia que mitiende el acceso estadístico

Code Division Multiple Access (CDMA)

CDMA representa un cambio de paradigma: en lugar de separar usuarios en frecuencia o tiempo, permite que todos los usuarios transmitan simultáneamente sobre la banda espectral completa, pero la señal de cada usuario está codificada con un código de difusión único. En el receptor, la señal deseada se recupera correlacionando con el código de coincidencia, mientras que las señales con diferentes códigos aparecen como ruido de bajo nivel. CDMA es la base de los estándares UGOne) y 3

Las ventajas clave de CDMA incluyen la resistencia a la pérdida de múltiples caminos, la seguridad inherente (ya que los códigos son pseudo-aleatorios), y la capacidad de soportar los desvíos suaves. También proporciona una degradación natural graciosa: como más usuarios se unen, el suelo de ruido aumenta y la relación de señal a ruido de cada usuario (SNR) disminuye lentamente, en lugar de un límite difícil en la capacidad.

División de Frecuencia Ortogonal Acceso Múltiple (OFDMA)

OFDMA es una versión multiusuario de la División de Frecuencia Ortogonal Multiplexxing (OFDM). El canal de banda ancha se divide en muchos subcarriers ortogonales. Los subconjuntos de estos subcarriers se asignan a diferentes usuarios, a menudo adaptablemente por intervalo de tiempo de transmisión. Esta técnica es el núcleo de la separación de 4G LTE y 5G NR capas físicas.

OFDMA destaca en el manejo de la reducción selectiva de frecuencias: asignando subcarriers que experimentan condiciones de canal favorables para cada usuario, el programador puede lograr una entrada casi óptima. También soporta bloques de recursos finos, permitiendo una asignación muy eficiente para el tráfico desbordado. Los principales costos son la necesidad de prefijos cíclicos para combatir la interferencia intersymbol, la sensibilidad a la frecuencia de portadores offset, y los altos niveles de potencia

División espacial Acceso múltiple (SDMA)

Con el advenimiento de múltiples antenas (MIMO), la división espacial se ha vuelto práctica. SDMA explota la dimensión espacial mediante el uso de rayos individuales para dirigir a diferentes usuarios. Múltiples usuarios pueden ser servidos en el mismo recurso de frecuencia de tiempo siempre que sus firmas espaciales sean suficientemente separables. SDMA es un habilitador clave para el MIMO masivo en estaciones base 5G, donde docenas o cientos de elementos de antenas permiten un enfoque energético preciso.

El aumento de capacidad de SDMA es multiplicativo: con un conocimiento perfecto del canal, la tasa de sumas puede aumentar linealmente con el número de antenas. Sin embargo, SDMA requiere información precisa del estado del canal en el transmisor (CSIT), que es difícil obtener a altas velocidades de usuario. También requiere procesamiento de señales sofisticado y coordinación a través de múltiples antenas, aumentando el hardware y la sobrecarga computacional.

Factores que determinan la eficiencia del canal

La eficiencia del canal no es una sola métrica; abarca la eficiencia espectral (bits por segundo por hertz), la eficiencia energética (bits por joule), latencia, la equidad entre los usuarios, y la capacidad de soportar diversos patrones de tráfico. Varios factores clave influyen en lo bien que una técnica de acceso múltiple funciona en un escenario dado.

  • Granularidad de recursos anchos: Las técnicas que permiten la asignación de recursos finos (como los bloques de recursos de OFDMA) pueden servir muchos dispositivos de IoT de bajo contenido de datos sin capacidad de desperdicio. La granularidad gruesa (por ejemplo, los canales de FDMA grandes) conduce a una infrautilización cuando los usuarios tienen paquetes pequeños.
  • Intervalos de cabeza y guardia: Cada esquema de acceso múltiple introduce alguna forma de bandas de guardia en FDMA, tiempos de guardia en TDMA, prefijos cíclicos en OFDMA, o sincronización de código en CDMA. Minimizar la sobrecarga mientras mantiene la ortogonalidad es un intercambio de ingeniería constante.
  • Multipath and fading resilience: CDMA y OFDMA son inherentemente robustos contra el multipat, aunque a través de diferentes mecanismos. FDMA y TDMA pueden sufrir desfados profundos a través de toda una submarina o ranura, que requieren técnicas de adaptación de enlaces o diversidad.
  • Gestión de las interferencias: En redes celulares, las células vecinas reutilizan frecuencias. Múltiples técnicas de acceso interactúan con la coordinación de interferencias entre células (IC). OFDMA permite reutilizar frecuencias fraccionadas, mientras que CDMA se basa en la transferencia suave y el control de potencia.
  • ] Escalabilidad a la conectividad masiva: Para escenarios de IoT con millones de dispositivos, la señalización de la sobrecarga para la programación (por ejemplo, en TDMA) se vuelve prohibitiva. El acceso aleatorio y la NOMA libre de subvenciones están surgiendo para abordar esto.

Implementación de múltiples accesos para la máxima eficiencia: Estrategias Prácticas

En redes de mundo real, ninguna técnica de acceso múltiple es universalmente óptima. Los ingenieros combinan varias técnicas y aumentan con algoritmos avanzados de programación para crear un sistema robusto y eficiente. Los siguientes enfoques son ampliamente adoptados en implementaciones comerciales.

Planes de acceso híbrido

Los estándares celulares más exitosos son híbridos. LTE utiliza OFDMA en el enlace descendente y SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) en el enlace para reducir PAPR. Dentro de OFDMA, los bloques de recursos se dividen más en tiempo (cada 1 ms subframe) y frecuencia (12 subcarritos por bloque), combinando eficazmente FDMA y TDMA.

Adaptive Resource Allocation

Una asignación estática de recursos (por ejemplo, bandas de frecuencia fija para cada usuario) es altamente ineficiente. Los sistemas modernos emplean cronogramas dinámicos que asignan recursos temporales-espaciales basados en condiciones de canal instantáneos, colas de tráfico y requisitos de calidad de servicio (QoS). Por ejemplo, el programador LTE actualiza las asignaciones de recursos cada 1 ms, utilizando indicadores de calidad de canal comunicados por equipos de usuario.

CoMP y gestión de las interferencias

Incluso el mejor esquema de acceso múltiple no puede resolver la interferencia intercelular solo. Las técnicas de coMP coordinan las transmisiones en múltiples estaciones de base para que las señales de las células vecinas refuercen la señal deseada (transmisión conjunta) o eviten colisiones (evitación de interferencia). Esto es particularmente eficaz en los sistemas de OFDMA, donde la interferencia puede alinearse en el tiempo y la frecuencia.

Compartiendo espectro y radio cognitivo

El acceso múltiple no se limita a las bandas con licencia. En espectro sin licencia (por ejemplo, Wi-Fi, Bluetooth), protocolos basados en contención como Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) se utilizan. Estas no son técnicas tradicionales de acceso determinista sino que se encuentran bajo el paraguas de la distribución de canales. La radio cognitiva extiende esta idea permitiendo a los usuarios secundarios acceder dramáticamente a los agujeros de espectros de radio sin mayor.

Técnicas de acceso avanzado y futuro

A medida que las redes inalámbricas evolucionan hacia 6G y más allá, los investigadores están explorando nuevos paradigmas de acceso múltiple que rompen la limitación de la ortogonalidad y empujan la eficiencia más allá.

Acceso múltiple no ortogonal (NOMA)

NOMA permite a múltiples usuarios compartir el mismo recurso de frecuencia-tiempo con diferentes niveles de potencia. El receptor realiza sucesivas cancelación de interferencia (SIC) para decodificar la señal más fuerte primero, restarla y luego decodificar la más débil. Esto puede proporcionar aumentos de capacidad significativos, especialmente en escenarios de centro celular y de división celular. SuperMA ya es parte de la estimación de 3GPP 16 y 17 especificaciones para el canal de 5Gser

Código de concesión gratuita y de espaciado Acceso múltiple (SCMA)

Para comunicaciones masivas tipo máquina (mMTC), el acceso tradicional basado en donaciones (con la búsqueda de un recurso, esperando una subvención, luego la transmisión) crea demasiado sobrecabezado. Los esquemas libres de subvenciones permiten a los dispositivos transmitir datos inmediatamente utilizando los recursos preconfigurados. SCMA es una forma de código-dominio NOMA donde los usuarios mapean sus bits en cuadernos de códigos escasos; el receptor utiliza algoritmos de transmisión de mensajes para separar las señales de alta frecuencia.

Acceso múltiple multiplicador de tarifas (RSMA)

RSMA es una propuesta más reciente que generaliza el acceso múltiple convencional dividiendo el mensaje de cada usuario en partes comunes y privadas. La parte común es decodificada por todos los usuarios, mientras que la parte privada es decodificada sólo por el destinatario previsto. Este enfoque ofrece robustez bajo conocimiento de canal imperfecto y puede superar NOMA en escenarios de interferencia limitada. RSMA está siendo investigado activamente para 6G y comunicaciones por satélite.

Aplicaciones en el mundo real en todas las industrias

Las técnicas de acceso múltiple no se limitan a los teléfonos móviles. Sus principios se aplican en un amplio espectro de tecnologías, cada una con objetivos de optimización únicos.

  • Redes celulares (4G/5G): OFDMA + FDMA + TDMA + SDMA (MMO masivo). Los esquemas híbridos proporcionan una alta eficiencia espectral, baja latencia y apoyo para el IoT masivo.
  • Wi-Fi (IEEE 802.11ax/be):] OFDMA fue introducida en Wi-Fi 6 para mejorar la eficiencia en despliegues densos, reemplazando el acceso basado en contención CSMA/CA más antiguo. Wi-Fi 7 lo extiende con operación multi-enlace y anchos de banda más grandes.
  • ]Comunicaciones satélite: DVB-S2X y DVB-RCS2 utilizan MF-TDMA (multi-frequency TDMA) para enlaces de retorno, combinando frecuencia y división de tiempo. Los satélites de alta velocidad emplean rayos de puntos (SDMA) para reutilizar frecuencias en áreas geográficas.
  • ] Redes industriales de IoT y sensores: TSCH (Atrapado de canales en tiempo) en IEEE 802.15.4e utiliza TDMA combinado con frecuencias de acaparamiento para la confiabilidad en entornos industriales duros. LoRaWAN utiliza acceso aleatorio similar a Aloha con espectro de propagación (grupo de propagación de chips, una forma de CDMA).
  • Astronomía radiológica y radar: En bandas de frecuencia compartida, el acceso cognitivo múltiple garantiza que los radiotelescopios puedan observar sin interferencias dañinas de las señales de comunicación.

Conclusión

La máxima eficiencia del canal a través de múltiples técnicas de acceso es un desafío multidimensional que toca casi cada capa de diseño de red. Desde la clásica FDMA y TDMA hasta la sofisticada OFDMA, NOMA y SDMA de los sistemas 5G de hoy, cada técnica ofrece un comercio único de la complejidad, la tolerancia de interferencia y la granularidad de recursos.

Para más lectura, consulte la serie de especificación 3GPP sobre procedimientos de capa física (TS 38.214 para NR) o los artículos de IEEE en NOMA y RSMA. El informe de la UIT-R M.2375-0 sobre la viabilidad técnica del IMT-2020 también ofrece una visión general autorizada de múltiples requisitos de acceso para sistemas móviles avanzados.