Duplex (telecomunicaciones)

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Un sistema de comunicación dúplex es un sistema punto a punto compuesto por dos o más partes o dispositivos conectados que pueden comunicarse entre sí en ambas direcciones. Los sistemas dúplex se emplean en muchas redes de comunicaciones, ya sea para permitir la comunicación simultánea en ambas direcciones entre dos partes conectadas o para proporcionar una ruta inversa para la supervisión y el ajuste remoto de equipos en el campo. Existen dos tipos de sistemas de comunicación dúplex: dúplex completo (FDX) y semidúplex (HDX).

En un sistema full-duplex , ambas partes pueden comunicarse entre sí simultáneamente. Un ejemplo de un dispositivo full-duplex es el servicio telefónico tradicional : las partes en ambos extremos de una llamada pueden hablar y ser escuchadas por la otra parte simultáneamente. El auricular reproduce el habla de la parte remota mientras que el micrófono transmite el habla de la parte local. Existe un canal de comunicación bidireccional entre ellas, o más estrictamente hablando, hay dos canales de comunicación entre ellas.

En un sistema half-duplex o semidúplex , ambas partes pueden comunicarse entre sí, pero no simultáneamente; la comunicación es en una dirección a la vez. Un ejemplo de un dispositivo half-duplex es un walkie-talkie , una radio bidireccional que tiene un botón de pulsar para hablar . Cuando el usuario local quiere hablar con la persona remota, presiona este botón, que enciende el transmisor y apaga el receptor, impidiéndole escuchar a la persona remota mientras habla. Para escuchar a la persona remota, suelta el botón, que enciende el receptor y apaga el transmisor. Esta terminología no está completamente estandarizada, y algunas fuentes definen este modo como simplex . ^{[1] [2]}

Los sistemas que no necesitan capacidad dúplex pueden utilizar en su lugar comunicación simplex , en la que un dispositivo transmite y los demás solo pueden escuchar. Algunos ejemplos son la radio y la televisión, los abridores de puertas de garaje , los monitores para bebés , los micrófonos inalámbricos y las cámaras de vigilancia . En estos dispositivos, la comunicación es solo en una dirección.

La comunicación simplex es un canal de comunicación que envía información en una sola dirección. ^[3]

La definición de la Unión Internacional de Telecomunicaciones es un canal de comunicaciones que opera en una dirección a la vez, pero que puede ser reversible; esto se denomina semidúplex en otros contextos.

Por ejemplo, en la transmisión de radio y televisión , la información fluye únicamente desde el sitio transmisor a múltiples receptores. Un par de radios bidireccionales walkie-talkie proporcionan un circuito simplex en el sentido de la UIT; solo una de las partes puede hablar a la vez, mientras que la otra escucha hasta que puede oír una oportunidad para transmitir. El medio de transmisión (la señal de radio por el aire) puede transportar información en una sola dirección.

La compañía Western Union utilizó el término simplex para describir la capacidad half-duplex y simplex de su nuevo cable telegráfico transatlántico completado entre Terranova y las Azores en 1928. ^[4] La misma definición para un canal de radio simplex fue utilizada por la Asociación Nacional de Protección contra Incendios en 2002. ^[5]

Un sistema half-duplex ( HDX ) proporciona comunicación en ambas direcciones, pero sólo en una dirección a la vez, no simultáneamente en ambas direcciones. ^{[6] [7] [8]} Esta terminología no está completamente estandarizada entre las organizaciones que la definen, y en la comunicación por radio algunas fuentes clasifican este modo como simplex . ^{[2] [1] [9]} Normalmente, una vez que una parte comienza una transmisión, la otra parte en el canal debe esperar a que se complete la transmisión antes de responder. ^[10]

Un ejemplo de un sistema semidúplex es un sistema de dos partes, como un walkie-talkie , en el que se debe decir "cambio" u otra palabra clave designada previamente para indicar el final de la transmisión, para garantizar que solo una de las partes transmita a la vez. Una buena analogía para un sistema semidúplex sería una carretera de un solo carril que permite el tráfico en ambos sentidos, el tráfico solo puede fluir en una dirección a la vez.

Los sistemas half-duplex se utilizan habitualmente para conservar el ancho de banda , a costa de reducir el rendimiento bidireccional global, ya que sólo se necesita un único canal de comunicación y se comparte de forma alternada entre las dos direcciones. Por ejemplo, un walkie-talkie o un teléfono DECT o los denominados teléfonos TDD 4G o 5G requieren sólo una única frecuencia para la comunicación bidireccional, mientras que un teléfono móvil en el denominado modo FDD es un dispositivo full-duplex, y generalmente requiere dos frecuencias para transportar los dos canales de voz simultáneos, uno en cada dirección.

En sistemas de comunicaciones automáticas, como los enlaces de datos bidireccionales, se puede utilizar la multiplexación por división de tiempo para asignar tiempo a las comunicaciones en un sistema semidúplex. Por ejemplo, se podría permitir que la estación A en un extremo del enlace de datos transmita durante exactamente un segundo, luego se podría permitir que la estación B en el otro extremo transmita durante exactamente un segundo y luego el ciclo se repite. En este esquema, el canal nunca queda inactivo.

En los sistemas semidúplex, si más de una parte transmite al mismo tiempo, se produce una colisión que da como resultado mensajes perdidos o distorsionados.

Un sistema full-duplex ( FDX ) permite la comunicación en ambas direcciones y, a diferencia del half-duplex, permite que esto suceda simultáneamente. ^{[6] [7] [8] Las redes} telefónicas terrestres son full-duplex ya que permiten que ambos interlocutores hablen y sean escuchados al mismo tiempo. El funcionamiento full-duplex se consigue en un circuito de dos cables mediante el uso de una bobina híbrida en un híbrido telefónico . Los teléfonos móviles modernos también son full-duplex. ^[11]

Existe una distinción técnica entre la comunicación full-duplex, que utiliza un único canal de comunicación físico para ambas direcciones simultáneamente, y la comunicación dual-símplex , que utiliza dos canales distintos, uno para cada dirección. Desde la perspectiva del usuario, la diferencia técnica no importa y ambas variantes se conocen comúnmente como full-duplex .

Muchas conexiones Ethernet consiguen un funcionamiento full-duplex haciendo uso simultáneo de dos pares trenzados físicos dentro de la misma cubierta, o dos fibras ópticas que están conectadas directamente a cada dispositivo en red: un par o fibra se utiliza para recibir paquetes, mientras que el otro se utiliza para enviarlos. Otras variantes de Ethernet, como 1000BASE-T, utilizan los mismos canales en cada dirección simultáneamente. En cualquier caso, con el funcionamiento full-duplex, el propio cable se convierte en un entorno libre de colisiones y duplica la capacidad máxima total de transmisión admitida por cada conexión Ethernet.

El dúplex completo también tiene varias ventajas sobre el uso del dúplex medio. Como solo hay un transmisor en cada par trenzado, no hay contención ni colisiones, por lo que no se pierde tiempo esperando o retransmitiendo tramas. La capacidad de transmisión total está disponible en ambas direcciones porque las funciones de envío y recepción son independientes.

Algunos sistemas informáticos de los años 1960 y 1970 requerían capacidades full-duplex, incluso para operaciones half-duplex, ya que sus esquemas de sondeo y respuesta no podían tolerar los ligeros retrasos en la inversión de la dirección de transmisión en una línea half-duplex. ^{[ cita requerida ]}

Los sistemas de audio full-duplex, como los teléfonos, pueden generar eco, que distrae a los usuarios y dificulta el rendimiento de los módems. El eco se produce cuando el sonido que se origina en el extremo lejano sale del altavoz del extremo cercano y vuelve a entrar en el micrófono ^[a] de allí y luego se envía de vuelta al extremo lejano. El sonido luego reaparece en el extremo de la fuente original, pero con retraso.

La cancelación de eco es una operación de procesamiento de señales que resta la señal del extremo lejano de la señal del micrófono antes de que se envíe de vuelta a través de la red. La cancelación de eco es una tecnología importante que permite a los módems lograr un buen rendimiento full-duplex. Los estándares de módem V.32 , V.34 , V.56 y V.90 requieren cancelación de eco. ^{[12] Los canceladores de eco están disponibles como implementaciones de software y hardware. Pueden ser componentes independientes en un sistema de comunicaciones o integrados en la} unidad central de procesamiento del sistema de comunicaciones .

Cuando se utilizan métodos de acceso al canal en redes punto a multipunto (como redes celulares ) para dividir canales de comunicación directa e inversa en el mismo medio de comunicación físico, se conocen como métodos de dúplex. ^[13]

La duplexación por división de tiempo ( TDD ) es la aplicación de la multiplexación por división de tiempo para separar las señales de salida y de retorno. Emula la comunicación full-duplex a través de un enlace de comunicación half-duplex.

La duplexación por división de tiempo es flexible en el caso de que exista asimetría en las velocidades o la utilización de los datos de enlace ascendente y descendente . A medida que aumenta la cantidad de datos de enlace ascendente, se puede asignar dinámicamente más capacidad de comunicación y, a medida que la carga de tráfico se vuelve más liviana, se puede quitar capacidad. Lo mismo se aplica en la dirección de enlace descendente.

La brecha de transición de transmisión/recepción (TTG) es la brecha (tiempo) entre una ráfaga de enlace descendente y la ráfaga de enlace ascendente subsiguiente. De manera similar, la brecha de transición de recepción/transmisión (RTG) es la brecha entre una ráfaga de enlace ascendente y la ráfaga de enlace descendente subsiguiente. ^[14]

Algunos ejemplos de sistemas de dúplex por división de tiempo incluyen:

• UMTS-TDD para comunicaciones de datos en redes móviles 3G
• LTE-TDD para comunicaciones de datos en redes móviles 4G
• Telefonía inalámbrica DECT
• Las redes conmutadas por paquetes semidúplex basadas en acceso múltiple con detección de portadora , por ejemplo, Ethernet de dos cables o con concentrador , redes de área local inalámbricas y Bluetooth , pueden considerarse sistemas de dúplex por división de tiempo, aunque no TDMA con longitudes de trama fijas.
• WiMAX
• PACTO
• Interfaz ISDN BRI U , variantes que utilizan el sistema de línea multiplexada por compresión de tiempo (TCM)
• G.fast , un estándar de línea de abonado digital (DSL) desarrollado por la UIT-T

La duplexación por división de frecuencia ( FDD ) significa que el transmisor y el receptor operan utilizando diferentes frecuencias portadoras .

El método se utiliza con frecuencia en operaciones de radioaficionados , donde un operador intenta utilizar una estación repetidora . La estación repetidora debe poder enviar y recibir una transmisión al mismo tiempo y lo hace modificando ligeramente la frecuencia en la que envía y recibe. Este modo de operación se conoce como modo dúplex o modo de desplazamiento . Se dice que las subbandas de enlace ascendente y descendente están separadas por el desplazamiento de frecuencia .

Los sistemas dúplex por división de frecuencia pueden ampliar su alcance utilizando conjuntos de estaciones repetidoras simples porque las comunicaciones transmitidas en cualquier frecuencia siempre viajan en la misma dirección.

La duplexación por división de frecuencia puede ser eficaz en el caso de tráfico simétrico. En este caso, la duplexación por división de tiempo tiende a desperdiciar ancho de banda durante la transición de transmisión a recepción, tiene una latencia inherente mayor y puede requerir circuitos más complejos .

Otra ventaja de la duplexación por división de frecuencia es que hace que la planificación de la radio sea más fácil y eficiente, ya que las estaciones base no se escuchan entre sí (ya que transmiten y reciben en diferentes subbandas) y, por lo tanto, normalmente no interferirán entre sí. Por el contrario, con los sistemas de duplexación por división de tiempo, se debe tener cuidado de mantener tiempos de guarda entre estaciones base vecinas (lo que disminuye la eficiencia espectral ) o de sincronizar las estaciones base, de modo que transmitan y reciban al mismo tiempo (lo que aumenta la complejidad de la red y, por lo tanto, el costo, y reduce la flexibilidad de asignación de ancho de banda, ya que todas las estaciones base y sectores se verán obligados a utilizar la misma relación de enlace ascendente/descendente).

Algunos ejemplos de sistemas de duplexación por división de frecuencia incluyen:

• ADSL y VDSL
• Tecnología móvil , incluyendo LTE , UMTS y CDMA2000
• IEEE 802.16 WiMax

• Tanenbaum, Andrew S. (2003). Redes informáticas . Prentice Hall. ISBN 0-13-038488-7.

• Riihonen, Taneli (2014). Diseño y análisis de modos de duplicación y protocolos de reenvío para enlaces de retransmisión OFDM(A). Serie de publicaciones de la Universidad Aalto TESIS DOCTORALES, 81/2014. ISBN 978-952-60-5715-6.