Universidad Galileo

FISICC-IDEA

CEI CENTRAL

LITAT

CURSO: STVT

TUTOR: Ing. Augusto Miranda

INVESTIGACION 3

TDMA, CDMA, FDMA, ALOHA

Elmer Garibaldi Flores Velásquez

IDE 08182069

Sábado, 12 de mayo de 2012

Horario: 09:00

Guatemala, Guatemala

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Introducción La transmisión de información o de datos, cada vez es más compleja y sofisticada; los usuarios

cada vez exigimos más calidad y mayor eficiencia.

Técnicas de transmisión de datos tales como TDMA, CDMA, FDMA y ALOHA, buscan maximizar el

uso de canales de información, realizando conexiones múltiples sobre el mismo, con intervalos

entre cada multiplexión, esto les garantiza que el canal principal tiene una capacidad muy alta y

que la información que se transmitirá dentro de dicho canal es de menor tamaño.

En FDMA, el acceso a este medio o canal, se realiza dividiendo el espectro disponible en canales,

que corresponden a distintos rangos de frecuencia, asignando estos canales a distintos usuarios y

comunicaciones a realizar, sin interferirse entre si.

En el siguiente trabajo de investigación se entrara en detalle acerca de cada una de estas técnicas.

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ContenidoIntroducción.......................................................................................................................................2

Acceso Múltiple por División de Tiempo............................................................................................4

Multiplexación por división de Tiempo..........................................................................................4

Acceso Múltiple por División de Tiempo........................................................................................4

Uso en telefonía celular..............................................................................................................5

Acceso Múltiple por División de Código.............................................................................................5

El control del Acceso al Medio.......................................................................................................5

Uso del término CDMA...................................................................................................................6

Detalles Técnicos del CDMA...........................................................................................................6

Acceso múltiple por división de código (CDMA síncrono)..............................................................7

CDMA asíncrono.............................................................................................................................8

Acceso Múltiple por División de Frecuencia.....................................................................................10

Características..............................................................................................................................10

Multiplexación por División de Frecuencia...................................................................................10

AlohaNet..........................................................................................................................................11

Visión General..............................................................................................................................11

Protocolo Aloha............................................................................................................................12

Aloha Ranurado............................................................................................................................13

Historia.........................................................................................................................................14

Descripción...................................................................................................................................15

Conclusiones/Recomendaciones......................................................................................................18

Webgrafía.........................................................................................................................................19

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Acceso Múltiple por División de TiempoLa multiplexación por división de tiempo (Time Division Multiple Access o TDMA) es una técnica que permite la transmisión deseñales digitales y cuya idea consiste en ocupar un canal (normalmente de gran capacidad) de trasmisión a partir de distintas fuentes, de esta manera se logra un mejor aprovechamiento del medio de trasmisión. El Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) es una de las técnicas de TDM más difundidas.

Multiplexación por división de TiempoLa multiplexación por división de tiempo (MDT) o (TDM), del inglés Time Division Multiplexing, es el tipo de multiplexación más utilizado en la actualidad, especialmente en los sistemas de transmisión digitales. En ella, el ancho de banda total del medio de transmisión es asignado a cada canal durante una fracción del tiempo total (intervalo de tiempo).

En la figura 1 siguiente se representa, esquematizada de forma muy simple, un conjunto multiplexor-demultiplexor para ilustrar como se realiza la multiplexación-desmultiplexación por división de tiempo.

En este circuito, las entradas de seis canales llegan a los denominados interruptores de canal, los cuales se cierran de forma secuencial, controlados por una señal de reloj, de manera que cada canal es conectado al medio de transmisión durante un tiempo determinado por la duración de los impulsos de reloj.

En el extremo distante, el desmultiplexor realiza la función inversa, esto es, conecta el medio de transmisión, secuencialmente, con la salida de cada uno de los seis canales mediante interruptores controlados por el reloj del demultiplexor. Este reloj del extremo receptor funciona de forma sincronizada con el del multiplexor del extremo emisor mediante señales de temporización que son transmitidas a través del propio medio de transmisión o por un camino.

Acceso Múltiple por División de TiempoEl Acceso múltiple por división de tiempo (Time Division Multiple Access o TDMA, del inglés) es una técnica de múltiplexación que distribuye las unidades de información en ranuras ("slots") alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple a un reducido número de frecuencias.

También se podría decir que es un proceso digital que se puede aplicar cuando la capacidad de la tasa de datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida por los dispositivos emisores y receptores. En este caso, múltiples transmisiones pueden ocupar un único enlace subdividiéndole y entrelazándose las porciones.

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Esta técnica de multiplexación se emplea en infinidad de protocolos, sola o en combinación de otras, pero en lenguaje popular el término suele referirse al estándar D-AMPS de telefonía

celular empleado en América.

Uso en telefonía celularMediante el uso de TDMA se divide un único canal de frecuencia de radio en varias ranuras de tiempo (seis en D-AMPS y PCS, ocho en GSM). A cada persona que hace una llamada se le asigna una ranura de tiempo específica para la transmisión, lo que hace posible que varios usuarios utilicen un mismo canal simultáneamente sin interferir entre sí.

Existen varios estándares digitales basados en TDMA, tal como TDMA D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone System), TDMA D-AMPS-1900, PCS-1900 (Personal Communication Services), GSM (Global System for Mobile Communication, en el que se emplea junto con saltos en frecuencia o frequency hopping ), DCS-1800 (Digital Communications System) y PDC (Personal Digital Cellular).

Acceso Múltiple por División de CódigoLa multiplexación por división de código, acceso múltiple por división de código o CDMA (del inglés Code Division Multiple Access) es un término genérico para varios métodos de multiplexación o control de acceso al medio basados en la tecnología de espectro expandido.

La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, expandido, difuso o disperso para referirse en todos los casos al mismo concepto.

Habitualmente se emplea en comunicaciones inalámbricas (por radiofrecuencia), aunque también puede usarse en sistemas de fibra óptica o de cable.

El control del Acceso al MedioUno de los problemas que resolver en comunicaciones de datos es cómo repartir entre varios usuarios el uso de un único canal de comunicación o medio de transmisión, para que puedan gestionarse varias comunicaciones al mismo tiempo. Sin un método de organización, aparecerían interferencias que podrían bien resultar molestas, o bien directamente impedir la comunicación. Este concepto se denomina multiplexado o control de acceso al medio, según el contexto.

Se aplica el nombre "multiplexado" para los casos en que un sólo dispositivo determina el reparto del canal entre distintas comunicaciones, como por ejemplo un concentrador situado al extremo de un cable de fibra óptica; para los terminales de los usuarios finales, el multiplexado es transparente. Se emplea en cambio el término "control de acceso al medio" cuando son los terminales de los usuarios, en comunicación con un dispositivo que hace de modo de red, los que deben usar un cierto esquema de comunicación para evitar interferencias entre ellos, como por ejemplo un grupo de teléfonos móviles en comunicación con una antena del operador.

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Para resolverlo, CDMA emplea una tecnología de espectro expandido y un esquema especial de codificación, por el que a cada transmisor se le asigna un código único, escogido de forma que sea ortogonal respecto al del resto; el receptor capta las señales emitidas por todos los transmisores al mismo tiempo, pero gracias al esquema de codificación (que emplea códigos ortogonales entre sí) puede seleccionar la señal de interés si conoce el código empleado.

Otros esquemas de multiplexación emplean la división en frecuencia (FDMA), en tiempo (TDMA) o en el espacio (SDMA) para alcanzar el mismo objetivo: la separación de las distintas comunicaciones que se estén produciendo en cada momento, y evitar o suprimir las interferencias entre ellas. Los sistemas en uso real (como IS-95 o UMTS) suelen emplear varias de estas estrategias al mismo tiempo para asegurar una mejor comunicación.

Una analogía posible para el problema del acceso múltiple sería una habitación (que representaría el canal) en la que varias personas desean hablar al mismo tiempo. Si varias personas hablan a la vez, se producirán interferencias y se hará difícil la comprensión. Para evitar o reducir el problema, podrían hablar por turnos (estrategia de división por tiempo), hablar unos en tonos más agudos y otros más graves de forma que sus voces se distinguieran (división por frecuencia), dirigir sus voces en distintas direcciones de la habitación (división espacial) o hablar en idiomas distintos (división por código, el objeto de este artículo): como en CDMA, sólo las personas que conocen el código (es decir, el "idioma") pueden entenderlo.

La división por código se emplea en múltiples sistemas de comunicación por radiofrecuencia, tanto de telefonía móvil (como IS-95,CDMA2000, FOMA o UMTS), transmisión de datos (WiFi) o navegación por satélite (GPS).

Uso del término CDMAEl término CDMA, sin embargo, suele utilizarse popularmente para referirse a una interfaz de aire inalámbrica de telefonía móvildesarrollada por la empresa Qualcomm, y aceptada posteriormente como estándar por la TIA norteamericana bajo el nombre IS-95 (o, según la marca registrada por Qualcomm, "cdmaONE" y su sucesora CDMA2000). En efecto, los sistemas desarrollados por Qualcomm emplean tecnología CDMA, pero no son los únicos en hacerlo.

Detalles Técnicos del CDMAEn CDMA, la señal se emite con un ancho de banda mucho mayor que el precisado por los datos a transmitir; por este motivo, la división por código es una técnica de acceso múltiple de espectro

expandido. A los datos a transmitir simplemente se les aplica la función lógica  XOR con el código de transmisión, que es único para ese usuario y se emite con un ancho de banda significativamente mayor que los datos.

A la señal de datos, con una duración de pulso Tb, se le aplica la función XOR con el código de transmisión, que tiene una duración de pulso Tc. (Nota: el ancho de banda requerido por una señal es 1/T, donde T es el tiempo empleado en la transmisión de un bit). Por tanto, el ancho de banda de los datos transmitidos es 1/Tb y el de la señal de espectro expandido es 1/Tc. Dado que Tc es

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mucho menor que Tb, el ancho de banda de la señal emitida es mucho mayor que el de la señal original, y de ahí el nombre de "espectro expandido".1

Cada usuario de un sistema CDMA emplea un código de transmisión distinto (y único) para modular su señal. La selección del código a emplear para la modulación es vital para el buen desempeño de los sistemas CDMA, porque de él depende la selección de la señal de interés, que se hace por correlación cruzada de la señal captada con el código del usuario de interés, así como el rechazo del resto de señales y de las interferencias multi-path (producidas por los distintos rebotes de señal).

El mejor caso se presenta cuando existe una buena separación entre la señal del usuario deseado (la señal de interés) y las del resto; si la señal captada es la buscada, el resultado de la correlación será muy alto, y el sistema podrá extraer la señal. En cambio, si la señal recibida no es la de interés, como el código empleado por cada usuario es distinto, la correlación debería ser muy pequeña, idealmente tendiendo a cero (y por tanto eliminando el resto de señales). Y además, si la correlación se produce con cualquier retardo temporal distinto de cero, la correlación también debería tender a cero. A esto se le denomina autocorrelación y se emplea para rechazar las interferencias multi-path.2

En general, en división de código se distinguen dos categorías básicas: CDMA síncrono (mediante códigos ortogonales) y asíncrono (mediante secuencias pseudoaleatorias).

Acceso múltiple por división de código (CDMA síncrono)El CDMA síncrono explota las propiedades matemáticas de ortogonalidad entre vectorescuyas coordenadas representan los datos a transmitir. Por ejemplo, la cadena binaria "1011" sería representada por el vector (1, 0, 1, 1). Dos vectores pueden multiplicarse mediante elproducto

escalar (·), que suma los productos de sus respectivas coordenadas. Si el producto escalar de dos vectores es 0, se dice que son ortogonales entre sí. (Nota: si dos vectores se definen u = (a, b) y v = (c, d); su producto escalar será u·v = a*c + b*d).

Algunas propiedades del producto escalar ayudan a comprender cómo funciona CDMA. Si los vectores a y b son ortogonales, y representan los códigos de dos usuarios de CDMA síncrono A y B, entonces:

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Generación de la señal CDMA 1

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jjjjj

Por tanto, aunque el receptor capte combinaciones lineales de los vectores a y b (es decir, las señales procedentes de A y B al mismo tiempo, sumadas en el aire), si conoce el código de transmisión del usuario de interés siempre podrá aislar sus datos de los del resto de usuarios, simplemente mediante el producto escalar de la señal recibida con el código del usuario; al ser el código del usuario ortogonal respecto a todos los demás, el producto aislará la señal de interés y anulará el resto. Este resultado para dos usuarios es extensible a todos los usuarios que se desee, siempre que existan códigos ortogonales suficientes para el número de usuarios deseado, lo que se logra incrementando la longitud del código.

Cada usuario de CDMA síncrono emplea un código único para modular la señal, y los códigos de los usuarios en una misma zona deben ser ortogonales entre sí. En la imagen se muestran cuatro códigos mutuamente ortogonales. Como su producto escalar es 0, los códigos ortogonales tienen una correlación cruzada igual a cero, y, en otras palabras, no provocan interferencias entre sí.

Este resultado implica que no es necesario emplear circuitería de filtrado en frecuencia (como se emplearía en FDMA), ni de conmutación de acuerdo con algún esquema temporal (como se emplearía en TDMA) para aislar la señal de interés; se reciben las señales de  todos los usuarios al mismo tiempo y se separan mediante procesado digital.

En el caso de IS-95, se emplean códigos ortogonales de Walsh de 64 bits para codificar las señales y separar a sus distintos usuarios.

CDMA asíncronoLos sistemas CDMA síncronos funcionan bien siempre que no haya excesivo retardo en la llegada de las señales; sin embargo, los enlaces de radio entre teléfonos móviles y sus bases no pueden coordinarse con mucha precisión. Como los terminales pueden moverse, la señal puede encontrar obstáculos a su paso, que darán origen a cierta variabilidad en los retardos de llegada (por los distintos rebotes de la señal, el efecto Doppler y otros factores). Por tanto, se hace aconsejable un enfoque algo diferente.

Por la movilidad de los terminales, las distintas señales tienen un retardo de llegada variable. Dado que, matemáticamente, es imposible crear secuencias de codificación que sean ortogonales en todos los instantes aleatorios en que podría llegar la señal, en los sistemas CDMA asíncronos se emplean secuencias únicas "pseudo-aleatorias" o de "pseudo-ruido" (en inglés, PN sequences). Un código PN es una secuencia binaria que parece aleatoria, pero que puede reproducirse de forma determinística si el receptor lo necesita. Estas secuencias se usan para codificar y decodificar las

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señales de interés de los usuarios de CDMA asíncrono de la misma forma en que se empleaban los códigos ortogonales en el sistema síncrono.

Las secuencias PN no presentan correlación estadística, y la suma de un gran número de secuencias PN resulta en lo que se denomina interferencia de acceso múltiple (en inglés, MAI, multiple access interference), que puede estimarse como un procesogaussiano de ruido que sigue el teorema central del límite estadístico. Si las señales de todos los usuarios se reciben con igual potencia, la varianza (es decir, la potencia del ruido) de la MAI se incrementa en proporción directa al número de usuarios. En otras palabras, a diferencia de lo que ocurre en CDMA síncrono, las señales del resto de usuarios aparecerán como ruido en relación con la señal de interés, y provocarán interferencia con la señal de interés: cuantos más usuarios simultáneos, mayor interferencia.

Por otra parte, el hecho de que las secuencias sean aparentemente aleatorias y de potencia distribuida en un ancho de banda relativamente amplio conlleva una ventaja adicional: son más difíciles de detectar en caso de que alguien intente captarlas, porque se confunden con el ruido de fondo. Esta propiedad ha sido aprovechada durante el siglo XX en comunicaciones militares.

Todos los tipos de CDMA aprovechan la ganancia de procesado que introducen los sistemas de espectro extendido; esta ganancia permite a los receptores discriminar parcialmente las señales indeseadas. Las señales codificadas con el código PN especificado se reciben, y el resto de señales (o las que tienen el mismo código pero distinto retardo, debido a los diferentes trayectos de llegada) se presentan como ruido de banda ancha que se reduce o elimina gracias a la ganancia de procesado.

Como todos los usuarios generan MAI, es muy importante controlar la potencia de emisión. Los sistemas CDMA síncrono, TDMA o FDMA pueden, por lo menos en teoría, rechazar por completo las señales indeseadas (que usan distintos códigos, ranuras temporales o canales de frecuencia) por la ortogonalidad de estos esquemas de acceso al medio. Pero esto no es cierto para el CDMA asíncrono; el rechazo de las señales indeseadas sólo es parcial. Si parte (o el total) de las señales indeseadas se reciben con potencia mucho mayor que la de la señal deseada, ésta no se podrá separar del resto. Para evitar este problema, un requisito general en el diseño de estos sistemas es que se controle la potencia de todos los emisores; se busca asegurar que la potencia captada por el receptor sea aproximadamente la misma para todas las señales entrantes. En los sistemas de telefonía celular, la estación base emplea un esquema de control de potencia por bucle cerrado (fast closed-loop power control, en inglés) para controlar estrictamente la potencia de emisión de cada teléfono.

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Acceso Múltiple por División de FrecuenciaEl Acceso múltiple por división de frecuencia (Frequency Division Multiple Access o FDMA, del inglés) es una técnica demultiplexación usada en múltiples protocolos de comunicaciones, tanto digitales como analógicos, principalmente de radiofrecuencia, y entre ellos en los teléfonos móviles de redes GSM.

En FDMA, el acceso al medio se realiza dividiendo el espectro disponible en canales, que corresponden a distintos rangos de frecuencia, asignando estos canales a los distintos usuarios y comunicaciones a realizar, sin interferirse entre sí. Los usuarios pueden compartir el acceso a estos distintos canales por diferentes métodos como TDMA, CDMA o SDMA, siendo estos protocolos usados indistintamente en los diferentes niveles del modelo OSI.

En algunos sistemas, como GSM, el FDMA se complementa con un mecanismo de cambio de canal según las necesidades de la red lo precisen, conocido en inglés como frequency hopping o "saltos en frecuencia".

Su primera aparición en la telefonía móvil fue en los equipos de telecomunicación de Primera Generación (años 1980), siendo de baja calidad de transmisión y una pésima seguridad. La velocidad máxima de transferencia de datos fue 240 baudios.

Características Tecnología muy experimentada y fácil de implementar. Gestión de recursos rígida y poco apta para flujos de tránsito variable. Requiere duplexor de antena para transmisión dúplex. Se asignan canales individuales a cada usuario. Los canales son asignados de acuerdo a la demanda. Normalmente FDMA se combina con multiplexing FDD

Multiplexación por División de FrecuenciaLa multiplexación por división de frecuencia (MDF) o (FDM), del inglés Frequency Division Multiplexing, es un tipo demultiplexación utilizada generalmente en sistemas de transmisión analógicos. La forma de funcionamiento es la siguiente: se convierte cada fuente de varias que originalmente ocupaban el mismo espectro de frecuencias, a una banda distinta de frecuencias, y se transmite en forma simultánea por un solo medio de transmisión. Así se pueden transmitir muchos canales de banda relativamente angosta por un solo sistema de transmisión de banda ancha.

El FDM es un esquema análogo de multiplexado; la información que entra a un sistema FDM es analógica y permanece analógica durante toda su transmisión. Un ejemplo de FDM es la banda comercial de AM, que ocupa un espectro de frecuencias de 535 a 1605 kHz. Si se transmitiera el audio de cada estación con el espectro original de frecuencias, sería imposible separar una

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estación de las demás. En lugar de ello, cada estación modula por amplitud una frecuencia distinta de portadora, y produce una señal de doble banda lateral de 10KHz.

Hay muchas aplicaciones de FDM, por ejemplo, la FM comercial y las emisoras de televisión, así como los sistemas de telecomunicaciones de alto volumen. Dentro de cualquiera de las bandas de transmisión comercial, las transmisiones de cada estación son independientes de las demás.

Una variante de MDF es la utilizada en fibra óptica, donde se multiplexan señales, que pueden ser analógicas o digitales, y se transmiten mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, dando lugar a la denominada multiplexación por división de longitud de onda, o WDM del inglés Wavelength Division Multiplexing.

En la Figura 1 siguiente se representa, de forma muy esquematizada, un conjunto multiplexor-demultiplexor por división de frecuencia para tres canales, cada uno de ellos con el ancho de banda típico del canal telefónico analógico (0,3 a 3,4 kHz).

AlohaNetALOHAnet (o simplemente ALOHA) fue un sistema de redes de ordenadores pionero desarrollado en la Universidad de Hawái. Fue desplegado por primera vez en 1970, y aunque la propia red ya no se usa, uno de los conceptos esenciales de esta red es la base para la cuasi-universal Ethernet.

Visión GeneralUno de los primeros diseños de redes de ordenadores, la red ALOHA, fue creada en la Universidad de Hawái en 1970 bajo la dirección de Norman Abramson. Al igual que el grupo ARPANET, la red ALOHA se construyó con fondos de DARPA.

De modo similar a ARPANET, la red ALOHA se construyó para permitir a personas de diferentes localizaciones acceder a los principales sistemas informáticos.

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Pero mientras ARPANET usaba líneas telefónicas arrendadas, ALOHA usaba packet radio, esto se debía a que los diferentes centros de investigación estaban repartidos en varias islas, por lo que se buscaba un sistema de transmisión de datos inalámbrico, como las ondas de radio.

La importancia de ALOHA se basa en que usaba un medio compartido para la transmisión. Esto reveló la necesidad de sistemas de gestión de acceso como CSMA/CD, usado por Ethernet. A diferencia de ARPANET donde cada nodo sólo podía comunicarse con otro nodo, en ALOHA todos usaban la misma frecuencia. Esto implicaba la necesidad de algún tipo de sistema para controlar quién podían emitir y en qué momento. La situación de ALOHA era similar a las emisiones orientadas de la moderna Ethernet y las redes Wi-Fi.

Este sistema de transmisión en medio compartido generó bastante interés. El esquema de ALOHA era muy simple. Dado que los datos se enviaban vía teletipo, la tasa de transmisión normalmente no iba más allá de 80 caracteres por segundo. Cuando dos estaciones trataban de emitir al mismo tiempo, ambas transmisiones se enrevesaban, y los datos tenían que ser reenviados manualmente. ALOHA demostró que es posible tener una red útil sin resolver este problema, lo que despertó interés en otros estudiosos del tema, especialmente Robert Metcalfe y otros desarrolladores que trabajaban en Xerox PARC. Éste equipo crearía más tarde el protocolo Ethernet.

Protocolo AlohaEl protocolo ALOHA es un protocolo del nivel de enlace de datos para redes de área

localcon topología de difusión.

La primera versión del protocolo era básica:

Si tienes datos que enviar, envíalos. Si el mensaje colisiona con otra transmisión,

intenta reenviarlos más tarde.

Muchos han estudiado el protocolo. El quid de la cuestión está en el concepto de más tarde. ¿Qué es más tarde? Determinar un buen esquema de parada también determina gran parte de la eficiencia total del protocolo, y cuan determinístico será su comportamiento (cómo de predecibles serán los cambios del protocolo).

La diferencia entre ALOHA y Ethernet en un medio compartido es que Ethernet usaCSMA/CD: comprueba si alguien está usando el medio antes de enviar, y detecta las colisiones desde el emisor.

Aloha puro tiene aproximadamente un 18,4% de rendimiento máximo. Esto significa que el 81,6% del total disponible de ancho de banda se está desperdiciando básicamente debido a estaciones tratando de emitir al mismo tiempo. El cálculo básico del rendimiento implica la asunción de que el proceso de llegada de tramas sigue una distribución de Poisson con un número medio de llegadas de 2G por cada 2X segundos. Por

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Aloha Puro 1

Aloha Puro 2

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tanto, el parámetro lambda en la distribución de Poisson será 2G. Dicho máximo se alcanza para G = 0,5, obteniendo un rendimiento máximo de 0,184, es decir, del 18,4%.

Una versión mejorada del protocolo original fue el Aloha ranurado, que introducía ranuras de tiempo e incrementaba el rendimiento máximo hasta 36,8%. Una estación no puede emitir en cualquier momento, sino justo al comienzo de una ranura, y así las colisiones se reducen. En este caso, el número promedio de llegadas es de G por cada 2X segundos. Esto disminuye el parámetro lambda a G. El rendimiento máximo se alcanza para G = 1.

Debe apreciarse que estas características de ALOHA no difieren mucho de las experimentadas hoy día con Ethernet centralizado, Wi-Fi y sistemas similares. Existe una cierta cantidad de ineficiencia inherente a estos sistemas. Por ejemplo, 802.11b otorga alrededor de 2-4 Mbps de rendimiento real con unas pocas estaciones emitiendo, en contra del máximo teórico de 11 Mbps. Es común ver cómo el rendimiento de estos tipos de redes desciende significativamente a medida que el número de usuarios y mensajes aumenta. Por ello, las aplicaciones que requieren un comportamiento altamente determinístico a menudo usa esquemas de paso de testigo (como Token Ring) en su lugar. Por ejemplo, ARCNET es muy popular en aplicaciones empotradas. No obstante, los sistemas basados en disputa (como ALOHA) también tienen ventajas significativas, incluyendo la facilidad de gestión y la velocidad en una comunicación inicial.

Debido a que los sistemas de escucha antes de enviar (CSMA), como el usado en Ethernet, trabajan mucho mejor que ALOHA para todos los casos en los que todas las estaciones pueden escuchar a cada una de las demás, sólo se usa Aloha ranurado en redes tácticas de satélites de

comunicaciones del ejército de los Estados Unidos con un bajo ancho de banda.

Aloha RanuradoPara mejorar las prestaciones de Aloha se definió Aloha ranurado (slotted) (Roberts 1972), con la única diferencia de que las estaciones sólo pueden transmitir en unos determinados instantes de tiempo o slots. De esta manera se disminuye el periodo vulnerable a t. Este sincronismo hace que cuando un terminal quiera transmitir debe esperar al inicio del nuevo periodo para hacerlo.

Observamos que la línea del tiempo esta dividida en slots, y que existen dos terminales que quieren transmitir (una representada en la parte de arriba y otra en la de abajo). En primer lugar las dos estaciones quieren transmitir, y esperan hasta el siguiente slot, produciéndose una colisión. Vuelven a intentarlo una vez más, produciéndose una nueva colisión. A partir de ahí las dos estaciones consiguen transmitir con éxito. De esta manera el número de colisiones producidas es menor que si trabajáramos con aloha simple (en el que se hubieran producido cuatro colisiones que aquí han sido transmisiones con éxito (3+4)).

Para comparar ambas técnicas partimos de unas hipótesis de partida: Modelo de una estación:

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Aloha Ranurado 1

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- Tenemos n estaciones independientes. - La probabilidad de generar una trama en un intervalo(t) de tipo es l*t, siendo l la tasa de tráfico de una estación.

- Las estaciones se bloquean hasta finalizar la transmisión. Modelo del canal: - Canal Semidúplex (el dúplex no se amortiza) - Todas las estaciones transmiten y reciben. Modelo de colisiones: - Solapamiento de tramas. - Todas las estaciones son capaces de detectar colisiones. - No existe otro tipo de error. - Una vez que las tramas colisionan son retransmitidas. Modelo del tiempo: - Tiempo continuo: una estación transmite en cualquier instante (Aloha simple) - Tiempo discreto: la estación sólo transmite al comienzo del slot (Aloha ranurado). Portadora: - Sistemas con detección de portadora. Los sistemas "escuchan" el canal y saben cuando está ocupado. - Sistemas sin detección de portadora. No saben cuando el canal está libre u ocupado.

Normalizaremos también los parámetros I,G y S por el tiempo de trama, de tal manera que I pertenece al intervalo [0,1].

Sabemos que el tráfico generado se distribuye según la siguiente fórmula:

P(t) = (l*t)k exp (-*t)/ k!

Siendo p(t) la probabilidad de K llegadas en un tiempo t l el tráfico generado. El tráfico cursado S= G* (1-Pcolisión) = G*Pno colisión En Aloha Simple: Donde Pno colisión = P(2tt) = (*tt)0 exp (-2*tt)/0! = 0 exp (-2*tt) siendo tt el tiempo de duración de una trama G = *tt, por lo que el tráfico cursado resulta: S= G exp (-2G) Aloha Un estudio más detallado de esta función nos hace ver que el máximo ocurre cuando G= 0.5, en el que S=0.18. Obviamente esta función está muy lejos de lo esperado idealmente. Para Aloha Ranunado, el procedimiento es el mismo, pero hay que tener en cuenta que el periodo vulnerable es la mitad, por lo que en este caso resulta S= G exp (-G) Aloha ranurado Ocurriendo el máximo cuando G=1, con un valor de S = 0.37, algo mayor que en el caso anterior (doble aproximadamente).

HistoriaNorman Abramson era profesor de ingeniería en Stanford, pero también era un ávido surfista. Después de visitar Hawái en 1969, preguntó a la Universidad de Hawái si estaban interesados en contratar a un profesor de ingeniería. Se incorporó a la plantilla en 1970 y comenzó a trabajar en un sistema de comunicaciones de datos basado en radio para interconectar las islas hawaianas, con fondos deLarry Roberts.

A finales de 1970 el sistema ya se estaba utilizando, la primera red de  paquetes

conmutados inalámbrica del mundo. Abramson logró entonces conseguir un IMP de Roberts y conectó ALOHAnet a ARPANET en el continente en 1972. Fue la primera vez que otra red se conectaba a ARPANET, aunque otras lo harían más tarde.

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DescripciónAntes de ALOHAnet, la mayoría de las comunicaciones entre computadoras tendían a utilizar rasgos similares. Los datos que iban a ser enviados se convertían en una  señal analógica utilizando un mecanismo similar a un módem, que sería enviada sobre un método de conexión conocido, como podría ser una línea telefónica. La conexión era punto a punto, y normalmente se establecía de modo manual.

Por el contrario, ALOHAnet era una auténtica red. Todas las computadoras  conectadas a ALOHAnet podían enviar datos en cualquier momento sin necesidad de intervención por parte de un operador, y se podía ver envuelto cualquier número de computadoras. Como la transmisión se realizaba por radio, no había costes fijos, por lo que el canal se dejaba abierto y se podía utilizar en cualquier momento.

Usar una señal compartida de esta manera conlleva un importante problema: si dos sistemas en la red (conocidos como nodos) enviaban al mismo tiempo, ambas señales se estropearían. Era necesario algún tipo de sistema para evitar este problema. Existen varios modos de hacerlo.

Uno sería utilizar una frecuencia de radio diferente para cada nodo, sistema conocido como multiplexación en frecuencia. Comoquiera que este sistema requiere que cada nodo que se añada sea capaz de sintonizarse con el resto de máquinas, pronto se necesitarían cientos de frecuencias distintas y radios capaces de escuchar este número de frecuencias al mismo tiempo, lo que sería demasiado costoso.

Otra solución es tener ranuras de tiempo asignadas a cada nodo para enviar, lo que se conoce como multiplexación por división de tiempo. Este sistema es más fácil de implementar, dado que los nodos pueden seguir compartiendo una única frecuencia de radio. El inconveniente es que si un nodo en particular no tiene nada que enviar, su ranura estaría siendo desperdiciada. Esto nos lleva a situaciones en las que el tiempo disponible está vacío en gran parte y un nodo con datos que enviar lo tendría que hacer muy despacio por si acaso alguno de los otros 100 nodos decidiera enviar algo.

En cambio, ALOHAnet utilizó una nueva solución al problema, que más tarde se convertiría en el estándar, el Acceso múltiple por detección de portadora. En este sistema no hay multiplexación fija en absoluto. En su lugar, cada nodo escucha para saber si alguien está utilizando el canal, y si no escucha a nadie comienza a emitir.

Normalmente esto significaría que el primer nodo que empiece a transmitir tendría la  posesión del medio por tanto tiempo como quisiera, lo que supone que los otros nodos no podrían tomar parte en la comunicación. Para evitar este problema, ALOHAnet hizo que los nodos partieran sus mensajes en pequeños paquetes, y que los enviasen de uno en uno y dejando huecos entre ellos. Esto permitía a los otros nodos enviar sus paquetes entre medias, por lo que todo el mundo podía compartir el medio al mismo tiempo.

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Existe un último problema a considerar: si dos nodos intentan comenzar su transmisión al mismo tiempo, tendrán los mismos problemas que tendrían en cualquier otro sistema. En este caso, ALOHAnet inventó una solución muy inteligente. Después de enviar cualquier paquete, los nodos escuchaban el medio para saber si su propio mensaje les había sido devuelto por un hub central. Si recibían de vuelta su mensaje, podían avanzar al siguiente paquete.

Si, en cambio, no recibían su paquete de vuelta, eso significaría que algo había impedido que llegase al hub (posiblemente una colisióncon un paquete de otro nodo). En ese caso, simplemente debería esperar un tiempo aleatorio e intentarlo de nuevo. Como cada nodo esperaría un tiempo aleatorio, alguno debería ser el primero en reintentarlo, y el resto de nodos podrían ver que el canal está en uso al intentar emitir. En la mayoría de los casos, esto serviría para evitar las colisiones.

Este tipo de sistema de prevención de colisiones tiene la ventaja de permitir a cualquier nodo usar la capacidad total de la red si ningún otro nodo la está usando. Además, no necesita inicialización, cualquiera puede conectarse y comenzar a emitir sin establecer información adicional como la frecuencia o la ranura temporal a usar.

El inconveniente es que, si la red está saturada, el número de colisiones puede crecer drásticamente hasta el punto de que todos los paquetes colisionen. Para ALOHAnet el uso máximo del canal estaba en torno al 18%, y cualquier intento de aumentar la capacidad de la red simplemente incrementaría el número de colisiones, y el rendimiento total de envío de datos se reduciría, fenómeno conocido como colapso por congestión.

Con Aloha ranurado, un reloj centralizado envía pequeños paquetes con la señal de reloj a las estaciones periféricas. Las estaciones sólo tienen permitido enviar sus paquetes inmediatamente después de recibir la señal de reloj. Si hay una sola estación con intención de emitir un paquete, esto garantiza que nunca habrá una colisión para ese paquete. Por otra parte, si hay dos estaciones con paquetes para enviar, este algoritmo garantiza que habrá una colisión y se malgastará toda la ranura de tiempo hasta la siguiente señal de reloj. Con algunas matemáticas es posible demostrar que este protocolo mejora la utilización total del canal, reduciendo la probabilidad de colisiones a la mitad.

La relativamente baja utilización resulta ser un pequeño precio a pagar a cambio de las ventajas. Una ligera modificación de este sistema para redes con conectadas (con cables) realizada por Robert Metcalfe mejoró la prevención de colisiones en redes saturadas, y se convirtió en el estándar para Ethernet. Hoy en día la técnica es conocida como CSMA/CD, Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones.

Los mecanismos de detección de colisiones son mucho más difíciles de implementar en sistemas inalámbricos en comparación con los sistemas cableados, y ALOHA no intentó siquiera comprobar las colisiones. En un sistema cableado, es posible detener la transmisión de paquetes que colisionen, detectando primero la colisión y notificándolo a continuación al remitente. En general,

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esta no es una opción viable en sistemas inalámbricos, por lo que ni siquiera se intentó en el protocolo ALOHA.

ALOHAnet se ejecutaba usando módems de 9.600 baudios de un extremo a otro de Hawái. El sistema usaba dos canales (secciones de frecuencia) de 100 kHz: uno conocido como canal de emisión a 413'475 MHz; y el otro, canal de acceso aleatorio a 407'350 MHz. La red tenía una topología de estrella, con un único computador central (un HP 2100) en la universidad que recibía todos los mensajes en el canal de acceso aleatorio, y reenviándolos entonces a todos los nodos por el canal de emisión. Este montaje reducía el número posible de colisiones, ya que no había colisiones en absoluto en la frecuencia de emisión, por lo que merecía la pena. Posteriores mejoras añadieron repetidores que también actuaban como hubs, incrementando enormemente el área y la capacidad total de la red.

Los paquetes enviados y recibidos eran idénticos. Cada paquete tenía una cabecera de 32  bits con un test de paridad de 16 bits, seguidos de hasta 80 bytes de datos con otros 16 bits de test de paridad.

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Conclusiones/Recomendaciones El uso de técnicas de transmisión, en donde se comparte un mismo canal, da como

resultado que dentro de este, se pueda subdividir y utilizarlo de forma multiple, pero si

todos los usuarios que utilizan ese canal, transmitieran mucha información, entonces

colapsaría la capacidad del mismo.

ALOHA, fue un sistema de redes de ordenadores, que realizo la universidad de Hawái. Este

tipo de red ya uno se utiliza, uno de los conceptos principales y esenciales de esta, fue la

base la Ethernet.

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Webgrafía

http://es.wikipedia.org/wiki/ALOHAnet

http://es.wikipedia.org/wiki/Acceso_m%C3%BAltiple_por_divisi%C3%B3n_de_tiempo

http://es.wikipedia.org/wiki/Acceso_m%C3%BAltiple_por_divisi%C3%B3n_de_frecuencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Acceso_m%C3%BAltiple_por_divisi%C3%B3n_de_c%C3%B3digo

http://ewh.ieee.org/r9/panama/eventos/GSM-CDMA.pdf

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