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CAPÍTULO V
ACCESO MÚLTIPLE POR ASIGNACIÓN DE TIEMPO
El acceso múltiple por asignación de tiempo (TDMA) es un protocolo de acceso
múltiple en el cual muchas estaciones terrenas en una red de comunicaciones
satelitales emplean una sola portadora para la transmisión vía cada
transpondedor satelital en una base de división de tiempo; esto es, a todas las
estaciones terrenas que operan en un mismo transpondedor se les permite que
transmitan ráfagas (bursts) de tráfico en una trama (frame) de tiempo periódica
–la trama TDMA. En la longitud de la ráfaga, cada estación terrena dispone del
ancho de banda del transpondedor completo para su transmisión. El tiempo de
transmisión de las ráfagas está cuidadosamente sincronizadote tal forma que
todas las ráfagas que llegan al transpondedor delsatélite y que provienen de
una comunidad de estaciones terrenas que pertenecen a la red están
espaciadas en tiempo pero no existe un traslape. El transpondedor del satélite
recibe una ráfaga a un tiempo, la amplifica y la retransmite a la tierra. Así, cada
estación terrena que recibe el haz satelital transmitido por el transpondedor
puede recibir la trama de la ráfaga completa y extraer las ráfagas que son
dirigidas a ella. La fig. (5.1) muestra un diagrama simplificado de la operación
de un TDMA.
5.1 ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA En una red TDMA cada estación terrena transmite periódicamente una o más
ráfagas al satélite. La señal de entrada al transpondedor del satélite que lleva
tráfico TDMA consiste de un conjunto de ráfagas originadas desde un
determinado número de estaciones terrenas. El conjunto de ráfagas se le llama
una trama TDMA y se ilustra en la fig. (5.2). Consiste de dos ráfagas de
referencia RB1 y RB2, Ráfagas de tráfico y el tiempo de guarda entre las
ráfagas (bursts). La trama TDMA es el período entre los bursts de referencia
RB1.
5.1.1 Ráfagas (bursts) de referencia Cada trama TDMA normalmente consiste de dos bursts de referencia RB1 y
RB2 para fiabilidad. El burst de referencia primario (PRB), el cual puede ser
cualquiera de los dos RB1 o RB2, se transmite por una de las estaciones de la
red designada como la estación de referencia primaria (PRS). Un burst de
referencia secundario (SRB), el cual también puede ser cualquiera RB1 (si PRB = RB2) o RB2 (si PRB = RB1), se transmite por una estación de
Fig.( 5.1) Acceso múltiple por asignación de tiempo
Fig. (5.2) Estructura de la trama TDMA Referencia secundaria (SRS) la cual permite una conmutación automática en el
caso de una falla de la estación de referencia primaria para proporcionar un
servicio ininterrumpido en la red TDMA. Los bursts de referencia no llevan
tráfico de información y se emplean para proporcionar referencias de tiempo
para todas las estaciones que accesan a un transpondedor de un satélite en
particular. Esto permite un satisfactorio intercalado de bursts dentro de una
trama de TDMA. Las estaciones de tráfico de TDMA toman su tiempo de
referencia del burst de referencia primario o del burst de referencia secundario
cuando hay una falla en la estación de referencia primaria.
5.1.2 Burst de Tráfico Los bursts de tráfico (TBs) transmitidos por las estaciones de tráfico llevan
información digital. Cada estación accesando a un transpondedor puede
transmitir uno o más bursts de tráfico por trama TDMA y puede colocarlos en
cualquier posición de la trama de acuerdo al plan de tiempo del burst que
coordina el tráfico entre estaciones. La longitud del burst de tráfico depende de
la cantidad de información que lleve y puede cambiarse si se requiere. La
ubicación de los bursts de tráfico en una trama toma como referencia al tiempo
de ocurrencia del burst de referencia primario. Mediante la detección del burst
de referencia primario, una estación de tráfico puede localizar y extraer los
bursts de tráfico o porciones de los bursts de tráfico que se envían a ella.
También puede derivar en forma precisa el tiempo de transmisión de sus bursts
de tal manera que ellos lleguen al transpondedor del satélite en su posición
correcta dentro de la trama TDMA y evitar traslapamiento con los bursts que
provienen de otras estaciones.
5.1.3 Tiempo de guarda Se requiere de un tiempo de guarda corto entre los bursts originados en varias
estaciones que accesan a un transpondedor común para asegurar que los
bursts nunca se traslapan cuando llegan al transpondedor. El tiempo de guarda
debed ser lo suficientemente grande que permita diferencias en la precisión de
los tiempos de transmisión y en la variación de la tasa del satélite. El tiempo de
guarda normalmente es igual al intervalo de tiempo empleado para detectar el
pulso de tiempo de recepción que marca el inicio de una trama TDMA recibida
en una estación. No hay transmisión de información durante el tiempo de
guarda.
La longitud de la trama TDMA se selecciona normalmente para que esté en el
rango de 0.75 20≤≤ fT ms para servicios de voz. Generalmente es un múltiplo
de 0.125 ms, el cual es el período de muestreo de un PCM ( con una tasa de
muestreo de 8000Hz). La longitud de la trama (frame) se selecciona al principio
y permanece constante para un sistema TDMA. Sin embargo en el caso de que
un nuevo servicio requiera de un cambio en la longitud de la trama, ésta puede
alterarse redefiniendo el número de bits por trama y almacenando este número
en la memoria de la red.
5.2 ESTRUCTURA DE LA RÁFAGA (BURST) TDMA En general la estructura del burst de referencia y del burst de tráfico son como
se muestran esquemáticamente en la fig.(5.3). En el burst de tráfico, los bits de
información son precedidos por un grupo de bits referidos como un preámbulo
que se usa para sincronizar el burst y que lleva información de control y de
administración.
Fig. (5.3) Estructura de una ráfaga (burst) TDMA
El burst de referencia contiene solamente el preámbulo, esto es, no contiene
datos de tráfico Normalmente el preámbulo consiste de tres partes contiguas: la
secuencia de recuperación de reloj y portadora (CCR), la palabra única
(UW) y el canal de señalización
5.2.1 Secuencia de recuperación de reloj y portadora (CCR) Cada burst comienza con una secuencia de bits o símbolos (para modulación
tal como la QPSK) lo cual permite al demodulador de la estación terrena
recuperar la fase de la portadora y regenerar el reloj del tiempo del símbolo o
del bit para la demodulación de los datos. Normalmente, la longitud de la
secuencia de recuperación del reloj y la portadora depende de la razón
portadora a ruido a la entrada del demodulador y del rango de adquisición
(incertidumbre de la frecuencia de portadora). Una alta razón portadora a ruido
y un pequeño rango de adquisición requiere de una corta secuencia CCR y
viceversa. Típicamente, un sistema TDMA con una alta tasa de bit requiere una
larga secuencia CCR, por ejemplo, 300 a 400 bits ( 150-200 símbolos) para
120 Mbps TDMA.
5.2.2 Palabra única La Palabra única que sigue a la secuencia de recuperación de portadora y de
reloj se emplea en el burst de referencia para proporcionar el tiempo de la
trama del receptor que permita a una estación localizar la posición de un burst
de tráfico en la trama. La palabra única en el burst de tráfico marca el tiempo
de ocurrencia del burst de tráfico y proporciona el tiempo del burst del receptor
que permite a la estación extraer solamente los subbursts requeridos dentro
del burst de tráfico. La palabra única es una secuencia de unos y ceros
seleccionados para exhibir buenas propiedades de correlación para realzar la
detección. En el demodulador, la palabra única entra a un detector de palabra
única, semejante al correlador digital que se muestra en la fig. (4.4), donde es
correlacionada con un patrón almacenado de si misma. El correlador consiste
de dos registros de corrimiento de N etapas (donde N es la longitud de la
palabra única), N sumadores de módulo2, un sumador y un detector de umbral.
Los datos recibidos son desviados en el registro de corrimiento en
sincronización con la tasa del reloj de los datos. En cada etapa del registro de
corrimiento es aplicado a un sumador de módulo 2 cuya salida es un cero
lógico cuando el bit de datos o símbolo en el paso está en concordancia con el
bit o símbolo de la palabra única almacenada en la misma posición. Todas las
salidas de los sumadores de módulo 2 se suman y el resultado se compara a
un umbral preestablecido por el detector de umbral. La salida del sumador es
así una función de pasos representando el número de coincidencias o
desacuerdos entre los datos de entrada y el patrón de la palabra única
almacenada. El máximo número de errores permitidos en la detección de la
palabra única Se le llama umbral de detección ε. Cuando los errores de
correlación son iguales o inferiores a ε, se declara la detección de la palabra
única. La detección de la palabra única ocurre al instante de la recepción del
último bit o símbolo de la palabra única y se usa para marcar el tiempo de la
trama recibida si la palabra única pertenece al burst de referencia primario, o
para marcar el tiempo del burst del tráfico recibido si la palabra única
pertenece al burst de tráfico. La posición de cada burst en la trama está
definida con respecto al tiempo de trama recibido, y la posición de cada
subburst en un burst de tráfico está definido con respecto al tiempo del burst
recibido del burst. Una detección exacta de la palabra única es de gran
importancia en un sistema TDMA. Por ejemplo, cuando la palabra única de un
burst de tráfico se pierde, también se pierde el tráfico entero del burst. Esto
origina impulsos o ruidos en la transmisión de voz. En la transmisión de datos
cuando se pierde un bloque se incrementa la tasa de error del bit. Una falsa
detección del burst de referencia primario de la palabra única genera un
tiempo de la trama de recepción equivocado y consecuentemente un incorrecto
tiempo en la trama de transmisión, originando que la estación terrena transmita
fuera de sincronía dando lugar a un traslapamiento con otros bursts en el
sastélite. Una falsa detección se genera cada vez que los datos o el ruido
coinciden con el patrón de la palabra única almacenada hasta el punto de que
el número de bits o símbolos en desacuerdo sean menores que el umbral de
detección ε. Un error en la palabra única ocurre cuando el ruido del canal causa
más de ε errores en la secuencia de la palabra única recibida, haciendo que el
número de bits o símbolos en desacuerdo excedan el umbral de detección ε.
En general, para una longitud de una palabra única dada, incrementar el
Fig. 5.4 Detector de palabra única
umbral de detección ε origina que la probabilidad de detección errónea
disminuya, pero se eleva la probabilidad de falsa detección. Por otra parte
disminuyendo ε para mejorar la probabilidad de la falsa detección, se
incrementa la probabilidad de detección erronea.
Basándose en la discusión anterior la probabilidad de detección erronea para
una palabra única de longitud N es la probabilidad de que se tengan ε + 1 o
más errores. Si p es la probabilidad de error promedio para los datos
recibidos, entonces la probabilidad ( )iP que i bits o símbolos fuera de N sean
erroneos está dada por las distribución binomial
( ) iNi ppiN
iP −−
= )1( (5.1)
donde )!(!
!iNi
NiN
−=
La probabilidad de una detección correcta es así la suma de las probabilidades
de 0,1,2,…,ε errores:
iNi
iC pp
iN
P −
=
−
= ∑ )1(
0
ε
(5.2)
Consecuentemente la probabilidad de detección erronea MP es simplemente
CM PP −= 1 ó
iNiN
iM pp
iN
P −
+=
−
= ∑ )1(
1ε
(5.3)
La probabilidad de detección erronea MP se muestra en forma de gráfica en la
fig. (5.5) para 310−=p la cual es la probabilidad de error de umbral típica para
los datos del enlace. Se observa, que para una probabilidad de error de enlace
dada, la probabilidad de detección de error (miss) de la palabra única MP
puede reducirse disminuyendo la longitud N de la palabra única o
incrementando el valor del umbral de detección ε. En cualquier caso, N y ε
deben seleccionarse de tal forma que =MP << p .
La probabilidad de falsa detección FP está dada por la probabilidad de que
datos aleatorios (se supone que los bits de datos 1y 0 son generados con la
misma probabilidad) accidentalmente correspondan al patrón de la palabra
única almacenada hasta el punto de que el número de bits o símbolos en
desacuerdo no exceda el umbral de detección ε. Para una palabra única de
longitud N, hay N2 combinaciones en las cuales pueden ocurrir datos
aleatorios, entonces la probabilidad de la ocurrencia de una combinación única
que corresponda al patrón de la palabra única almacenada es N21 , lo cual es
también la probabilidad de la falsas detección cuando ε = 0. Para un valor dado
de ε, el número total de posibles combinaciones en las cuales pueden ocurrir ε
o menos errores es )(0∑=
ε
i iN . Así, la probabilidad de que N bits o símbolos de
Fig.(5.6) Probabilidad de falsa detección de la palabra única
PF
PM
datos aletorios sean decodificados como la palabra única, o la probabilidad de
falsa detección FP , es
∑=
=
ε
021
iNF i
NP (5.4)
y es independiente de la probabilidad de error del enlace. La probabilidad de
falsa detección se grafica en la Fig. (5.6). Se observa que FP puede reducirse
al incrementar la longitud de la palabra única N o disminuyendo el umbral de
detección ε.
Ejemplo:
considérese una palabra única de longitud N = 40 y un umbral de detección de
ε = 5. La probabilidad de detección de error (miss) MP para una probabilidad de
error de enlace dado de 310−=p se observa en la gráfica de la fig. (5.5) que
≈MP 5 X 1210−
Si la tasa de datos es R = 60 Mbps, entonces puede esperarse que ocurra una
falsa detección de al menos 60 veces cada segundo.
El ejemplo anterior muestra que ocurre muy infrecuentemente una palabra
única erronea, en contraste con una falsa detección. Para evitar este problema,
se emplea la técnica de apertura para suprimir la falsa detección. El período
del tiempo de apertura se inicia con la detección del pulso de la palabra única y
una trama TDMA, después se forma una ventana de apertura en la ocurrencia
esperada del pulso de detección de la palabra única , como se muestra en la
fig. (5.7). Todos los pulsos de correlación que no ocurran dentro de la apertura
son suprimidos. La ventana de apertura permite la detección de la palabra
única dentro del intervalo de tiempo especificado. La longitud de la ventana de
apertura debe ser suficiente para compensar el desvío de la palabra única de
su posición esperada como resultado de la incertidumbre de tiempo en el
sistema TDMA a consecuencia del movimiento del satélite. La fig. (5.8) muestra
la posición de la ventana de apertura relativa al pulso de detección como
resultado de la correlación de la secuencia de recuperación del reloj y la
portadora que precede a la palabra única y a la palabra única en si misma con
el patrón de la palabra única almacenada. Cuando ellas son desviadas
secuencialmente en el registro de corrimiento. La ventana de apertura es W
Fig. ( 5.7) Técnicas de apertura para reducir la falsa detección
bits, y la ocurrencia de la detección de la palabra única relativa al final de la
apertura es X bits. Si X = 0, la apertura está en la posición más avanzada. Un
avance adicional de la apertura hacia la izquierda originará que la detección de
la palabra única sea errónea. Para X = W-1, la ventana de apertura está en la
posición menos avanzada. Si la apertura se coloca algo hacia atrás, la
detección de la palabra única será errónea. En la práctica X=W/2 es la posición
nominal para la apertura relativa a la ocurrencia de la detección de la palabra
única. Obsérvese que la ocurrencia de la detección de la palabra única
completa el proceso de detección de la palabra única por lo tanto el patrón de
bits o de símbolos del preámbulo que siguen a la secuencia de la palabra única
no juega un papel en el proceso de correlación y solamente la secuencia de
recuperación de reloj y portadora toman parte en la correlación. Obsérvese que
en el peor de los casos, cuando la apertura está en la posición más avanzada,
esto es en X=0, la función de correlación a la salida del sumador en el intervalo
W-1 bits antes de la detección de la palabra única puede causar una falsa
detección en el número de bits en desacuerdo durante cualquier intervalo de
correlación de 1 bit que ocurra y que sea menor al nivel de umbral ε. Por lo
tanto es importante seleccionar que los últimos W-1 bits de la secuencia de
Función de correlación debido a parte de la secuencia CCR y parte de la
secuencia UW
Fig. ( 5.8) Posición de la ventana de apertura
recuperación de reloj y portadora de tal manera que no exhiban una fuerte
correlación con el patrón de la palabra única. Un ejemplo de dicha selección se
ilustra en la fig. (5.9), donde se muestra la función de correlación dentro de la
ventana de apertura W=23 bits y X=2 bits. La amplitud de las funciones de
correlación dependen del número de bits en la secuencia de recuperación de
reloj y portadora que reside en el registro de corrimiento. La correlación de
cualquier bit ib en el registro de corrimiento con el correspondiente bit 'ib de la
palabra única almacenada es la salida del sumador de módulo 2 y está dado
por la siguiente regla: 'ii bb ⊕ 0 1
0 0 1
1 1 0
Fig. (5.9) Función de correlación de CCR, UW y secuencias UW almacenadas
Se observa, que cuando los últimos 10, 8, y 6 bits de la secuencia de
recuperación de reloj y portadora y los primeros 10, 12 y 14 bits de la palabra
única que reside en el registro de corrimiento, las funciones de correlación
tienen las siguientes más baja amplitud de 7. Cuando todos los 20 bits de la
palabra única que reside en el registro de corrimiento, la función de correlación
tiene una amplitud de 0. Si el umbral de detección ε se selecciona de tal
manera que ε < 7, entonces la palabra única es detectada. Para esta particular
secuencia de recuperación de reloj y portadora y esta particular palabra única,
el valor medio de la amplitud de la correlación debido a las combinaciones de la
Función de Correlación
secuencia de recuperación de reloj y portadora y la palabra única es N/2 =10
con δ fluctuaciones de amplitud, donde -3≤ δ ≤ 3. La probabilidad de falsa
detección PF claramente depende del ancho W de la apertura y de la amplitud
de la función de correlación. También depende de la posición X del final de la
apertura relativa a la ocurrencia de la detección de la palabra única. Como una
ilustración considérese el caso de la fig. (5.9) con X=0. Si W=1, entonces PF=0.
Dado que la única función de correlación que aparece dentro de la apertura es
la correlación de la palabra única. Cuando W=2 existe una función de
correlación adicional incluyendo el último bit de la secuencia de recuperación
de reloj y portadora más N -1=19 bits de la palabra única en el registro de
corrimiento. Si no hay errores, la amplitud de este pulso será N/2+δ =12,
donde δ = 2, y no ocurrirá falsa detección antes de la ocurrencia del puso de
correlación de la palabra única. Sin embargo si la secuencia de arriba contiene
entre N/2+δ -ε = 12- ε y N/2 +δ = 12 errores (ε < 7), se alcanzará el umbral de
correlación y ocurrirá una falsa detección. La probabilidad de falsa detección
es la probabilidad de que i bits, N/2+δ - ε ≤ i ≤ N/2+δ , de cada N/2+δ bits
en desacuerdo estarán en error:
iNiN
NiN pp
i
NP −+
+
−+=+ −
+= ∑ δ
δ
εδδ
δ 2/2/
2/2/ )1(2 (5.5)
donde p es la probabilidad de error del enlace. En el caso de W=2 la
probabilidad falsa es 22/ +NP .
Considérese ahora el caso en donde W= 3; hay dos funciones de correlación
que existen antes de la ocurrencia de la detección de la palabra única. Esto nos
proporciona dos oportunidades para una falsa detección. La probabilidad total
( )de una falsa detección es la suma de las probabilidades individuales. La
probabilidad de una falsa detección de la primera correlación (el último bit en la
secuencia CCR y los primeros bits N-1 en la secuencia UW) es justamente
δ+2/NP como se expresa en (5.5). la probabilidad de una falsa detección de la
segunda correlación (los últimos 2 bits en la secuencia CCR y los primeros N-2
bits en la secuencia UW) es la probabilidad unión que el primer bit es correcto,
el cual es 1- p , y que la segunda correlación contiene entre N/2+δ -ε = 9- ε y
N/2 +δ = 9 errores (δ = -1), lo cual es δ+2/NP en (5.5) con δ = -1. Así la
probabilidad unión es 12/)1( −− NPp . La probabilidad de falsa detección total es
12/22/2 )1( −+ −+= NN PpPP (5.6)
Procediendo de una manera similar, la probabilidad total de una falsa detección
es:
PF = 22/3
12/2
12/22/ )1()1()1( +−−+ −+−+−+ NNNN PpPpPpP
32/6
32/5
12/4 )1()1()1( −+− −+−+−+ NNN PpPpPp
32/9
32/8
32/7 )1()1()1( +−+ −+−+−+ NNN PpPpPp
12/12
2/11
12/10 )1()1()1( −− −+−+−+ NNN PpPpPp
12/15
2/14
22/13 )1()1()1( +− −+−+−+ NNN PpPpPp
2/18
12/17
2/16 )1()1()1( NNN PpPpPp −+−+−+ +
2/19)1( NPp−+
(5.7)
Para p < 10-3 , )33(2/2/ ≤≤−≈+ δδ NN PP y
PF 2/
1)1(1N
XW
Ppp −−−−
≈ 2,23 == XW (5.8)
La probabilidad de falsa detección anterior será reducida aún más cuando la
ventana de apertura se posicione de tal manera que 2/WX = .
La selección de la ventana de aperturaW determina directamente el tiempo de
guarda entre los bursts. No obstante que el satélite es estacionario en una
órbita geoestacionaria, la situación es aproximada debido a la atracción del sol
y de la luna. Un análisis de la desviación de una órbita geoestacionaria revela
que, para el peor caso, las variaciones debido al efecto Doppler es de
aproximadamente 40 ns/s. Para un sistema TDMA con una tasa de bits de
burst de R bits por segundo, la desviación Doppler es equivalente a 40 x 10-9 R
bits por segundo. Dado que la ventana de apertura es W bits centrados
alrededor del puso de detección de la palabra única esperada, el tiempo
requerido para que se desvíe fuera de su apertura es aproximadamente
W/(80X10-9 R) segundos.
Por lo tanto cada estación debe de corregir su tiempo de transmisión al menos
una vez cada W/(80X10-9 R) segundos. También el tiempo de guarda entre
bursts debe ser al menos tan grande como el ancho de la apertura para
garantizar el no traslapamiento de los bursts si los pulsos de detección de la
palabra única de dos bursts adyacentes se desvían a los extremos opuestos de
sus aperturas respectivas. Para proporcionar un grado adicional de protección
contra la posibilidad de traslapamiento de bursts, el tiempo de guarda debe
seleccionarse mayor que el de la ventana de apertura.
5.2.3 Canal de Señalización En general el canal de señalización del burst de referencia consiste de los
siguientes subbursts:
1. Un canal de órdenes que lleva voz (telefonía) y datos mediante el cual
se pasan instrucciones hacia y desde las estaciones terrenas. El canal
de órdenes ( order wire) es un término empleado en conmutación de
telefónica para describir un circuito en el cual los operadores y el
personal de mantenimiento pueden hablarse uno con el otro. Los
operadores emplean el canal de órdenes (order wire) para realizar
llamadas.
2. Un canal de administración el cual se envía por las estaciones de
referencia a todas las estaciones de tráfico llevando tramas de
instrucciones de administración tales como cambios en el plan de tiempo
del burst. El plan del tiempo del burst describe la coordinación del tráfico
entre estaciones. Identifica las fronteras de las ranuras de tiempo de la
trama que ubica a las estaciones, esto es, posiciones del burst. También
identifica la posición, la longitud y la fuente o estaciones de destino que
corresponde los subbursts en los bursts. Este canal también lleva
mensajes de monitoreo y control a las estaciones de tráfico cuando las
estaciones de referencia quieren obtener un reporte del estado
(monitoreo) y/o controlar la conmutación de subsistemas en las
estaciones de tráfico en forma remota.
3. Un canal del tiempo de transmisión que lleva información de
adquisición y sincronización de las estaciones de tráfico lo que les
permite ajustar el tiempo de sus bursts transmitidos de tal manera que
estos lleguen al transpondedor del satélite dentro de las ranuras de
tiempo correctas en la trama TDMA. También lleva los códigos del
estado de la estación, lo cual permite que las estaciones de tráfico
identifiquen los bursts de referencia primario y secundario RB1 y RB2 como se muestra en la fig.(5.2).
El canal de señalización del burst de tráfico consiste de los siguienmtes
subbursts:
1. Un canal de órdenes el cual es el mismo que le canal de órdenes del
burst de referencia.
2. Un canal de servicio que lleva el estatus de las estaciones de tráfico a
la estación de referencia u otra información tal como la alta tasa de error
del bit y las alarmas de la pérdida de la palabra única a otras estaciones
de tráfico. Por lo tanto estos subbursts en el preámblo, tanto en los burst de referencia
y tráfico pueden llevar subbursts adicionales que contienen el número de
identificación de la trama (para propósitos de administración de la trama),
número de identificación de la estación, y tipos de bursts transmitidos
(bursts de referencia primario, secundario, bursts de tráfico). Pueden
emplearse diferentes tipos de palabra única para proporcionar la
identificación del burst.
5.2.4 Datos de tráfico La Información de tráfico se transporta en el burst de tráfico siguiendo
inmediatamente al preámbulo. La longitud de un subburst de tráfico
depende primeramente del tipo de servicios y del número total de canales
requeridos para cada servicio que está siendo soportado por el burst. Esta
porción contiene información del usuario que llama al ser comunicado con el
destinatario, ya sea si son señales de facsimil, voz, datos o video. La
información de cada canal es transmitido como subbursts continuos. El
tamaño de cada subburst puede seleccionarse de tal manera que tenga
cualquier número de bits para acomodar específicamente la actual
velocidad de la señal de voz, datos video o facsimil. Por ejemplo, un canal
de voz PCM es equivalente a 64 kbps; si la longitud de la trama Tf =2 ms, el
subburst resultante de un canal de voz PCM tiene 128 bits de longitud.
Cada estación en una red TDMA normalmente puede transmitir muchos
bursts de tráfico que contienen diferentes números de subburts por trama y
también es capaz de de recibir muchos bits de tráfico o subburts por trama.
5.3 Eficiencia de la trama TDMA La eficiencia de la trama TDMA depende del porcentaje de la longitud de
la trama Tr localizada en los datos de tráfico. Entre mayor sea este
porcentaje, será mayor la eficiencia del sistema. Con el fin de alcanzar esta
meta, la porción de encabezado de la trama (o sea los tiempos de guarda, y
los preámbulos) tienen que ser pequeños, pero no a tal grado de hacer
difícil el diseño del sistema. La secuencia de recuperación de reloj y
portadora debe de ser lo suficientemente grande para proporcionar
suficiente tiempo para la adquisición estable de la portadora y para
minimizar el efecto de interferencia interburst ( la cola del burst precedente
interfiere con la cabeza del burst que le sucede, degradando la razón señal
a ruido del último) originado por una respuesta finita del filtro en el
demodulador. Además, el tiempo de guarda entre bursts debe ser
suficientemente grande que permita la tolerancia de sincronización debido a
la incertidumbre de la posición del satélite y el método empleado para la
sincronización de la trama. Por lo tanto, debe de considerarse
cuidadosamente un equilibrio entre la eficiencia del TDMA y la
implementación del sistema en cualquier diseño de TDMA.
La eficiencia de la trama TDMA η se define generalmente como:
TfTx−= 1η (5.9)
Donde xT es la porción del encabezado de la trama. Si hay n bursts en una
trama, entonces xT puede expresarse como
∑=
+=n
iipgx TnTT
0, (5.10)
donde gT = es el tiempo de guarda entre bursts y ipT , = el preámbulo del
burst i .
Es obvio que la eficiencia de la trama puede incrementarse sin disminuir el
encabezado simplemente aumentando la longitud de la trama. Pero esto a
su vez incrementa la cantidad de memoria necesaria para almacenar los
datos que provienen de la tierra a una tasa continua para una trama, para
transmitir los datos a una tasa de bit del burst mucho mayor al satélite, y
almacenar los bursts de tráfico recibidos y convertirlos a datos terrestres
continuos más bajos. Además la longitud de la trama tiene que mantenerse
pequeña comparada al máximo retardo total del satélite de
aproximadamente 274 ms (con un ángulo de elevación de 50 ) para evitar
adicionar un retardo significante a la transmisión del tráfico de voz. Para
tráfico de voz la longitud de la trama se selecciona normalmente menor a 20
ms.
Como un ejemplo, considérese un sistema TDMA con la estructura de trama
y burst tal como se ilustra en las figs 5.2 y 6.3 respectivamente. El cálculo
de la eficiencia de la trama se basa en los siguientes parámetros:
1. La longitud de la trama TDMA es de 15 ms.
2. La tasa de bit del burst TDMA es 90 Mbps.
3. Cada una de las 10 estaciones transmite 2 burst de tráfico para un total
de 20 bursts de tráfico en la trama más dos bursts de referencia.
4. La longitud de la secuencia de recuperación de reloj y portadora es de
352 bits.
5. La longitud de la palabra única es de 48 bits.
6. El canal de órdenes tiene 510 bits
7. El canal de administración tiene 256 bits.
8. El canal de tiempo de transmisión tiene 320 bits.
9. El canal de servicio tiene 24 bits.
10. El tiempo de guarda se asume qu es de 64 bits.
Con los datos anteriores se tiene:
Número bits en el preámbulo del burst de referencia : 1486
Número de bits en el preámbulo del burst de tráfico : 934
Número total de bits de encabezado: 23,060
Número total de bits en una trama ( 15ms x 90 Mbps): 1.35x106 .
Eficiencia de la trama: 98.29%.
Suponiendo que todos los datos de tráfico son de voz codificada en PCM.
Cada canal de voz tiene una tasa de 64 kbps y cada canal es transmitido
mediante un subburst en el burst de tráfico. El número de bits en una trama
de 15 ms para un subburst de voz es 64 kbps x 15 ms = 960. El número
máximo de canales de voz PCM transportado en una trama es 0.9829 x
1.35 x 106 / 960 ≈ 1382.
5.3 Estructura de una supertrama TDMA Las dos funciones más críticas en una red TDMA son el control de la posición
del burst en la trama y la coordinación del tráfico entre estaciones de tal
manera que cualquier rearreglo de la posición y longitud de los bursts no cause
disturbios en el servicio o el traslapamiento de los bursts. El control de la
posición de los bursts puede llevarse a cabo por la estación de referencia
empleando el canal del tiempo de transmisión, mientras que la coordinación del
tráfico se logra a través del canal de administración del burst de referencia.
Para proporcionar control y coordinación, la estación de referencia tiene que
dirigir todas las estaciones de tráfico en la red. Si hay N estaciones que tengan
que ser dirigidas en la red, habrá N mensajes en el canal del tiempote
transmisión y N mensajes en el canal de administración del burst de referencia.
Además, para proporcionar comunicación libre de error para estos mensajes
críticos de control y coordinación, normalmente se emplea alguna forma de
codificación. La codificación más comúnmente empleada para estos canales
es el algoritmo de codificación con redundancia 8:1 donde un bit de información
es repetido 8 veces de acuerdo a un patrón predeterminado y entonces
decodificado usando lógica de decisión mayoritaria en el extremo receptor.
Esto efectivamente incrementa la ranura de tiempo localizada a cada ocho
veces el mensaje y además reduce la eficiencia de la trama. El mismo
razonamiento se aplica a los canales de servicio de los bursts de tráfico.
Con el fin de reducir la longitud del preámbulo de los bursts de referencia y los
bursts de tráfico, la estación de referencia puede enviar un mensaje a una
estación por trama en lugar de N mensajes a N estaciones por trama. Para
direccionar N estaciones en la red, el proceso toma N tramas. Por ejemplo, la
estación 1 es direccionada por la estación de referencia en la trama 1, la
estación 2 por uno en la trama 2 y así sucesivamente y finalmente la estación N
por un mensaje en la trama N. El procedimiento se repite de la misma manera
para las siguientes N tramas hasta completarse. Similarmente, si el reporte del
estatus se envió por la estación de tráfico a la estación de referencia, u otra
información se envió a otras estaciones de tráfico, se envían sobre N tramas y
se repite hasta completarla, la longitud del preámbulo del burst de tráfico
también se reducirá y en consecuencia la eficiencia de la trama se
incrementará
De esta manera, N tramas pueden agruparse en un grupo llamado supertrama,
donde N es el número de estaciones direccionadas por la estación de
referencia como se muestra en la fig. (5.10)
Fig. (5.10) Supertrama
Para identificar las tramas en una supertrama, un número identificador de tramas puede incluirse en el canal de administración o en un canal separado en el burst de referencia para cada trama. Normalmente el número de identificación de la trama 1 sirve como el marcador de la supertrama. Alternativamente, diferentes palabras únicas pueden emplearse por los bursts de referencia y los bursts de tráfico para distinguir los marcadoresd e supertramas de los marcadores de tramas. Cuando el número de estaciones N en la red es fijo, o se conoce su máximo, es fácil diseñar el canal de servicio de los burst de tráfico de manera que su mensaje transmitido por el canal de servicio de los bursts de tráfico esté limitado a un máximo de 40 bits. Si se emplea el algoritmo de codificación de redundancia 8:1 para el mensaje, éste tomará 320 bits para transmitirlo. Si se supone que N=10 ( Esto es que una supertrama consiste de 10 tramas): entonces se necesitaría una supertrama para transmitir el mensaje de 320 bits
con 32 bits por trama. Esto es, el canal de servicio ocupa una ranura de tiempo de solamente 32 bits. Aunque la tasa de transmisión de datos del mensaje es ahora de solamente 4 bits por trama, la eficiencia de la trama se incrementa significativamente cuando se compara para transmitir 320 bits por trama (40 bits de datos del mensaje por trama). Cuando el número de estaciones N en la red es variable, esto es, la red puede crecer, y si se emplea la asignación por demanda, puede ser apropiado transmitir los mensajes en el canal de servicio de los bursts de tráfico y los mensajes de asignación de demanda en un burst corto de supertrama (SSB) a la tasa de la supertrama. Esto es, cada una de las N estaciones de la red transmite un burst corto de supertrama, uno por supertrama. En otras palabras, cada trama de una supertrama contiene un burst corto de supertrama de una estación designada, como se ilustra en la figura (5.11).
Fig. (5.11) Posición de los bursts cortos de supertrama en una supertrama
Para el ejemplo anterior, el burst corto de supertrama estará ubicado en una
ranura de tiempo de 320 bits para un mensaje de 40 bits con un código
redundante de redundancia de 8:1. Obsérvese que la tasa de datos del
mensaje es aún 40 bits por supertrama, como en el caso donde un canal de
servicio con 4 bits de datos de mensaje por trama se emplea en un burst de
tráfico. La ventaja de poner el canal de servicio en el burst corto de supertrama
en lugar de en el burts de tráfico es la de incrementar la eficiencia de la trama
cuando una estación transmite más de un burst de tráfico por trama. Dado que
los mensajes en el canal de servicio de todos los bursts de tráfico en la misma
trama que se originan en la misma estación son normalmente idénticos por
facilidad de diseño, la redundancia de los mensajes reduce la eficiencia de la
trama. La fig. (5.12) muestra un típico burst corto de supertrama.
5.5 Adquisición de trama y sincronización En un sistema TDMA, una estación de tráfico debe desarrollar dos funciones:
En el lado receptor, la estación de tráfico debe de tener posibilidades de recibir
bursts de tráfico dirigidos a ella desde un transpondedor satelital
periódicamente en cada trama.
En el lado transmisor, la estación de tráfico debe de ser capaz de transmitir
bursts de tráfico dirigidos a otras estaciones periódicamente en cada trama de
tal manera que los bursts lleguen a un transpondedor satelital sin traslaparse
con bursts de otras estaciones de tráfico.
Fig. ( 5.12) Estructura de un burst corto de supertrama
Como se mencionó anteriormente, el tiempo de referencia e un sistema TDMA
está proporcionado por el burst de referencia primario. Para detectar la palabra
única del burst de referencia primario, la estación de tráfico puede establecer el
tiempo de la trama de recepción (RFT) el cual se define como el instante de
ocurrencia del último bit o símbolo de la palabra única del burst de referencia
primario. También, el último bit o símbolo de la palabra única del burst de
tráfico marca su tiempo de burst de recepción (RBT). Dado que el tiempo de
la trama de recepción marca el inicio de una trama recibida, la posición de un
burst de tráfico en una trama recibida está determinada por la desviación entre
lel tiempo de trama de recepción y el tiempo del burst de recepción. Esta
desviación ( en bits o símbolos) está contenida en un plan de tiempo de burst
de recepción el cual es almacenado en la memoria de la estación de tráfico.
Empleando el plan de tiempo del burst de recepción, la estación de tráfico
puede extraer cualquier burst de tráfico que sea dirigida a ella de una trama
recibida.
Para transmitir un burst de tráfico de tal manera que este llegue al
transpondedor del satélite dentro de la posición ubicada en la trama, la estación
de tráfico debe establecer un tiempo de trama de transmisión (TFT), el cual
marca el inicio de la trama de transmisión de la estación y un tiempo de burst
de transmisión (TBT), el cual marca el inicio de la transmisión del burst de
tráfico al satélite. La posición del burst de tráfico en una trama transmitida está
determinada por la desviación entre el tiempo de la trama transmitida y el
tiempo del burst transmitido. Esta desviación está contenida en un plan de
tiempo de burst transmitido almacenado en la memoria de la estación de
tráfico. Si la estación de tráfico transmite un burst de tráfico al tiempo de la
trama de transmisión, este llegará al transpondedor del satélite al mismo
tiempo que el burst de referencia primario que marca el inicio de una trama en
el transpondedor. Cualquier burst de tráfico transmitido en su tiempo de burst
de transmisión se ubicará en su posición apropiada en la trama TDMA en el
transpondedor. De esta manera, los bursts de tráfico de muchas estaciones
que accesan a un transpondedor particular caerán en su posición preasignada
en la trama hacia el transponder y no ocurrirá traslapamiento de bursts.
A los procesos de adquirir el tiempo de la trama de recepción y el tiempo de la
trama de transmisión se les llama Adquisición de la trama de recepción
(RFA) y Adquisición de la trama de transmisión (TFA) respectivamente. A
los procesos de mantener estos tiempos se les llama Sincronización de la
trama de recepción (RFS) y Sincronización de la trama de transmisión
(TFS).