TéCNICAS DE ACCESO MúLTIPLE BOLETíN DE LA INFANTERíA DE MARINA 35 dad espectral de energía, proporcione capacidad de acceso múltiple sin control externo y un canal seguro e inaccesible para oyentes no autorizados. Por todo esto, a veces es necesario y conveniente sacrificar algo de la eficiencia del sistema. Las técnicas de modulación de espectro ensanchado permiten cumplir tales objetivos. Los aspectos teóricos de la utilización del espectro ensanchado en un medio con fuertes interferencias se conocían desde hace ya cuarenta años. Lo que sí ha sido muy reciente es su implementación práctica. Inicialmente, las técnicas de espectro ensanchado se desarrollaron para propósitos militares, y sus implementaciones eran extremadamente caras. Sólo los nuevos avances tecnológicos tales como el vLSI (very large-scale integration), es decir, el proceso de colocar miles, o cientos de miles de componentes electrónicos en un solo chip) y las técnicas de procesado de señal avanzadas hicieron posible desarrollar un equipamiento de espectro ensanchado menos caro para uso civil. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen teléfonos móviles, transmisión de datos sin cable y comunicaciones por satélite. Las técnicas de espectro expandido se pueden clasificar en: — direct sequence (DS), — frequency hopping (FH). La secuencia directa es quizás uno de los sistemas de espectro ensanchado más ampliamente conocido, utilizado y relativamente sencillo de implementar. Una portadora en banda estrecha se modula mediante una secuencia pseudoaleatoria (es decir, una señal periódica que parece ruido, pero que no lo es). Para la secuencia directa, el incremento de ensanchado depende de la tasa de bits de la secuencia pseudoaleatoria por bit de información. En el receptor, la información se recupera al multiplicar la señal con una réplica generada localmente de la secuencia de código. Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada en secuencia directa. La señal en banda estrecha se suprime al transmitir el espectro ensanchado. En los sistemas de salto de frecuencia, la frecuencia portadora del transmisor cambia (o salta) abruptamente de acuerdo con una secuencia pseudoaleatoria. El orden de las frecuencias seleccionadas por el transmisor viene dictado por la secuencia de código. El receptor rastrea estos cambios y produce una señal de frecuencia intermedia constante. En FH se asigna una banda de frecuencias durante un time slot y en el siguiente intervalo de tiempo se asigna otra banda de frecuencias. Esto puede visualizarse en la siguiente figura. Cada usuario emplea un código (pseudonoise code-PN, que es un código cíclico, pero con características aleatorias similares al ruido) que le determina los saltos (hops) a las distintas bandas de frecuencias asignadas en los distintos time slots. El frequency hopper sintetiza uno de los saltos frecuenciales permitidos. Los datos vienen modulados en (MFSK), con lo que se logra un sistema de (FH)MFSK. La diferencia entre MSFK y (FH)MFSK es que, en el sistema convencional, un símbolo modula una portadora que es fija en frecuencia, mientras que en (FH)MSFK, un símbolo modula una portadora que salta dentro de todo el ancho de banda del recurso de comunicación. La modulación FH puede pensarse como un proceso de dos etapas: modulación de la información y modulación por saltos de frecuencia. Las señales de espectro ensanchado se demodulan en dos pasos: 1.º) se elimina la modulación en espectro ensanchado (para secuencia directa y salto de frecuencia); 2.º) la señal se demodula. Al proceso de desensanchado de una señal se le conoce como «correlación ». Este proceso se consigue mediante la sincronización adecuada de la secuencia pseudoaleatoria ensanchadora entre el transmisor y el receptor. La sincronización es el aspecto más difícil que tiene que resolver el receptor. Precisamente, se ha empleado más tiempo, investigación, esfuerzo y dinero en el desarrollo y mejora de las técnicas de sincronización que en cualquier otra área del espectro ensanchado. Para hacernos una idea de su complejidad, podemos decir que la sincronización se descompone en dos partes: primero se requiere una adquisición inicial de la señal, y luego su rastreo posterior, dos tareas complicadas de implementar. Hay varios métodos para resolver estos problemas; muchos de ellos requieren una gran cantidad de complementos discretos para poderse llevar a cabo. Pero esto se ha podido solucionar gracias a las técnicas de procesado de señales digitales (DSP) y a los circuitos integrados en aplicaciones específicas (ASIC). El DSP proporciona funciones matemáticas que pueden desmenuzar la señal en pequeñas partes, analizarla para su sincronización y descorrelacionarla a gran velocidad. En cuanto a los chips ASIC, se recurre a ellos para disminuir el coste de los sistemas, ya que se basan en la tecnología vLSI y se utilizan para crear bloques que se puedan implementar en cualquier tipo de aplicación que desee el diseñador. Hay tres configuraciones básicas que se usan para la recuperación de la portadora en espectro ensanchado: — Sistemas de referencia transmitida: permiten la detección transmitiendo dos versiones de la portadora, una modulada con datos y otra no modulada. Estas dos señales entran en un entonces la estación principal reducirá la prioridad de autorizaciones para dicho usuario y se lo saltará de la lista en el siguiente turno. acceso Múltiple por división Temporal (TdMa) El Acceso Múltiple por División de Tiempo o TDMA es una técnica totalmente digital mediante la cual varias estaciones terrenas acceden u ocupan un transpondedor o parte de él. A diferencia del Acceso Múltiple por División en Frecuencia, en donde cada estación transmisora tiene asignada una ranura de frecuencias dentro del transpondedor, normalmente con un ancho de banda diferente, en esta nueva técnica todo un grupo de estaciones tiene asignada una misma ranura, con cierto ancho de banda fijo, y se comparte entre ellas secuencialmente en el tiempo; es decir, cada estación tiene asignado un tiempo (T) para transmitir lo que guste dentro de la ranura, y cuando su tiempo se agota debe dejar de transmitir para que lo hagan las estaciones que le siguen en la secuencia, hasta que le toque nuevamente su turno. El tiempo (T) asignado a cada estación no es necesariamente igual en todos los casos, puesto que algunas estaciones conducen más tráfico que otras y, por lo tanto, la ranura de tiempo que se les asigna debe ser más larga que la de las estaciones pequeñas. Estos tiempos asignados pueden ser fijos por estación, en cuyo caso se tiene acceso múltiple por división del tiempo con asignación fija, o bien puede variar con el tiempo, cuando algunas estaciones tengan exceso de tráfico (horas pico). En estas condiciones, es preciso reorganizar la distribución de los tiempos con una nueva estructura de marco o trama de transmisión, dándole ranuras de tiempo más largas a las estaciones con exceso de tráfico y ranuras más cortas a las de poco tráfico; la nueva estructura de marco se repite secuencialmente hasta que haya necesidad de hacer otro cambio. Hay otros métodos para cambiar los marcos de transmisión según la demanda, pero el más común es mediante un programa establecido con base en las estadísticas de tráfico. En cualquiera de los casos anteriores, la duración usual de un marco o 34 BOLETíN DE LA INFANTERíA DE MARINA ciclo es de unos cuantos milisegundos y se requiere contar con un mecanismo fiable de sincronización, para que no haya traslapos entre las transmisiones de las diversas estaciones. Un sistema TDMA es más complejo que uno de FDMA y necesita una buena coordinación entre todas las estaciones terrenas de la red que lo usan y una estación de referencia; además, como las estaciones en forma de ráfaga e intervalos con duración de una pequeña fracción de milisegundo (un marco de transmisión dura varios milisegundos, por lo general de 5 a 20 ms, y dependiendo del número de estaciones que lo compartan, el tiempo por estación puede ser menor de un milisegundo), deben contar con módulos de almacenamiento de información digital, que funcionan como memorias de amortiguamiento y que van liberando la información por paquetes en cada ráfaga. Una de las grandes ventajas de esta técnica es que durante cada ranura de tiempo se pueden transmitir en forma multiplexada digitalmente, y por paquetes, porciones de canales telefónicos, de datos y hasta de video, sobre la misma portadora de la ráfaga. La transmisión ocupa el canal sólo por una fracción del intervalo de sampleo. De esta forma, el tiempo entre muestras puede utilizarse por otras señales independientes. En este caso, el recurso de comunicación se asigna a las M señales o usuarios de forma completa, permitiéndose el uso del ancho de banda total del sistema, pero sólo por pequeños períodos de tiempo llamado time slot. Las regiones de tiempo entre time slots no usadas se denominan tiempos de guarda y tienen la finalidad de disminuir la interferencia entre señales adyacentes. En la figura siguiente se ve el típico ejemplo de una aplicación en un satélite. El tiempo es segmentado en intervalos llamados tramas (frames). Cada trama es a su vez subdividida en los time slots asignados a los usuarios. La estructura de tramas se repite. Una asignación TDMA se compone de uno o más slots que aparecen periódicamente durante cada trama. Cada estación terrestre transmite sus datos en forma de ráfagas sincronizadas temporalmente, y así llegan al satélite en su correspondiente time slot. Cuando los datos llegan al satélite, estos son retransmitidos (downlink) junto con los datos de otras estaciones. La estación receptora detecta y demultiplexa la ráfaga de datos apropiada, y redirecciona los datos al usuario correspondiente. Comparaciones entre FDMA y TDMA — FDMA puede causar productos de intermodulación, los que pueden evitarse operando el TWTA en regiones lineales, con la consecuente reducción de la potencia de salida. — En TDMA no puede ocurrir intermodulación. — El equipo terrestre para la transmisión de TDMA es más sofisticado y, por lo tanto, más costoso que los equipos de FDMA. Sin embargo, las estaciones terrestres que operan con FDMA requieren un equipo de radiofrecuencia por cada canal (uplink y downlink). Por consiguiente, al aumentar la cantidad de canales, el sistema FDMA se vuelve más costoso que el TDMA. espectro expandido / división codificada Técnicas de espectro expandido Los diseñadores de sistemas de comunicación se interesan, a menudo, en la eficiencia con la que los sistemas utilizan la energía y el ancho de banda de la señal. En muchos sistemas de comunicación estos son los asuntos más importantes. Sin embargo, en algunos casos existen situaciones en las que es necesario que el sistema resista a las interferencias externas, opere con baja densi- OPINIóN
BOLETIN INFANTERIA MARINA 16
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