[컴퓨터네트워크] 데이터 통신 다중화 기법(FDMA & TDMA & CDMA & GSM)

작성자: Anderson Kim 8월 31, 2019

[컴퓨터네트워크] 데이터 통신 다중화 기법(FDMA & TDMA & CDMA & GSM)

1. 다중화

하나의 전송로에 여러 개의 데이터 신호를 중복시켜 하나의 고속신호를 만들어 전송하는 방식으로, 전송로의 이용 효율을 높이는데, 그 의미가 있다.
이 때 사용하는 장비를 다중화기(MUX, Multiplexer)라 하며, 다중화기를 사용하지 않으면 단말기 개수만큼 MODEM(변복조기)이 필요하므로 비용과 효율성 측면에서 불합리하다.

다중화

주파수 분할 다중화(FDMA, Frequency Division Multiplexing Access)

주파수 분할 다중 접속

FDMA는 무선 셀룰러 통신에 할당된 주파수 대역을 30개의 채널로 분할한 것이며, 각 채널은 음성 대화나 디지털 데이터를 옮기는 서비스에 사용 될 수 있다.

FDMA에서는 각 채널이 한번에 오직 단 한명의 사용자에게 할당될 수 있다.

D-AMPS(Digital-Advanced Mobile Phone Service) 역시 FDMA를 사용하지만, 시분할 다중접속 기술을 가미함으로써 각 FDMA 채널당 3개의 채널을 가질 수 있어, 종전에 비해 채널당 3배 더 많은 통화량을 감당할 수 있게 되었다.

전송되어야 하는 신호들의 대역폭을 합한 것보다 링크의 대역폭이 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술로, 한 전송로의 대역폭을 여러 개의 작은 채널로 분할하여 여러 단말기가 동시에 이용하는 방식

예를 들어, 넓은 고속도로를 몇 개의 차선(채널)으로 나누는 것과 같이, 넓은 대역폭을 좁은 대역폭으로 나누어 사용하는 것으로 표현할 수 있다.

초기 다중화 기술 ex) TV, 라디오 등

FDM다중화 과정

각 송신측 장치들은 각기 유사한 주파수 영역의 신호를 만들어 낸다.
이 유사한 신호들은 다중화기 내부에서 제각기 다른 반송주파수로 변조된다.
그 결과 만들어진 신호들은 하나의 복잡신호로 합쳐져서 신호를 수용하기에 충분한 대역폭을 가진 매체를 통해 전송된다.

FDM다중화 복구

다중 복구기는 다중화된 신호를 구성요소의 신호들로 분리해내기 위해 일련의 필터들을 사용한다.

각 개별적인 신호를 넘겨받은 복조기는 반송파로부터 신호만을 분리하여 수신 장치로 보낸다.

수신측에서 원래의 신호를 복구하기 위하여, 최소한 다음의 두 가지를 만족해야 한다.

반송 주파수들은 변조신호들을 수용할 수 있또록 서로 충분히 떨어져 있어야 한다.
반송 주파수는 원래 데이터의 주파수와 간섭을 일으켜서는 안 된다.

FDM의 특징 & 사용 예 & 구현

FDM의 특징

FDM은 MODEM이 필요 없는 간단한 구조이므로 비용이 저렴하다.
FDM은 FSK(Frequency Shift Keying)모뎀에 의해 표현되며, 이 주파수 분할 다중화기가 FSK MODEM의 기능을 수행하기 때문이다.
각 사용자의 단말기에서 사용하는 코드와는 무관하게 다중화가 가능하다.
채널간의 상호 간섭을 막기 위해서 보호대역(Guard Band)이 필요하고, 이 보호대역으로 인하여 채널의 이용율을 낮춘다.

사용예와 구현

FDM은 매우 쉽게 구현될 수 있다.
TV방송, CATV, 라디오와 같은 경우에 구현될 수 있으며, 이 경우 다중화 시키거나 다중화를 푸는 장치가 필요 없다.
이동 전화 시스템의 경우에는 기지국에서 전화 사용자들에게 반송 주파수를 할당한다.
각 사용자들에게 영구적으로 할당할 만큼의 충분한 대역은 없으므로, 통화자가 전화를 끊으면 그 대역을 다른 통화자에게 할당한다.

시분할 다중화(TDMA, Time-Division Multiplexing Access)

TDMA는 디지털 셀룰러폰 통신에 사용되는 기술로서, 전송할 수 있는 데이터 량을 늘리기 위해 각 셀룰러 채널을 3개의 시간대로 나누기 위한 기술이다.

TDMA는 D-AMPS, GSM 및 PDC에 의해 사용된다. 그러나, 이러한 각 시스템들은 서로 간에 다소 다르고 호환성이 없도록 TDMA를 구현하였다.

링크의 높은 대역폭을 여러 연결이 공유할 수 있도록 하는 디지털 과정이다.
각 채널별로 타임 슬롯을 사용하나 데이터를 전송하고자 하는 채널에 대해서만 슬롯을 유동적으로 배정하며, 비트블록에 데이터뿐만 아니라 목적지 주소에 대한 정보도 포함하는 다중화방식

TDM은 하나의 전송로 대역폭을 시간 슬록(Time Slot)으로 나누어 채널에 할당함으로써 몇 개의 채널들이 한 전송로의 시간을 분할하여 사용한다.

즉, FDM에서는 대역의 일부를 공유한다면 TDM은 시간을 공유한다.

FDM에서와 마찬가지로 같은 링크가 사용되지만, 링크는 주파수가 아닌 시간별로 구획된다.

종류

동기 시분할 다중화 방식(STDMA : Synchronous Time Division Multiplexing Access) : 전송로 대역폭 하나를 시간 슬롯으로 나눈 채널에 할당하여 채널 여러 개가 전송로 한 개의 시간을 분할하여 사용한다. 실제 전송할 데이터가 없어도 시간 슬롯으로 나누어 무조건 채널에 할당 시간폭을 배정하기 때문에 시간 슬롯의 낭비가 심하다.
비동기 시분할 다중화 방식(ATDMA : Asynchronous Time Division Multiplexing Access) : 실제로 전송 요구가 있는 채널에만 시간 슬롯을 동적으로 할당하여 전송 효율을 높인다.

동기식 시분할 다중화 방식의 단점으로는 타밍 슬로이 낭비되는 경우가 많은데, 이는 어떤 채널이 실제로 전송할 데이터가 없는 경우에도 타임 슬롯으로 나누어 채널에 할당 시간폭은 배정되기 때문이다.

코드 분할 다중화(Code Division Multiplexer)

CDMA는 데이터를 디지털화한 다음 그것을 가용한 전체 대역폭에 걸쳐 확산시킨다.

여러 통화가 하나의 채널에 겹쳐지게 되며, 각 통화는 차례를 나타내는 고유한 코드가 부여된다.

여러 사용자가 동일한 주파수를 동시에 사용하고 각 송신자의 통화에 특별한 확산코드를 더하여 주파수 대역을 넓혀 송신하며, 부여된 코드에 따라 수신측에서도 부여된 것과 동일한 코드에 의해 자기에게 오는 통화를 구별해 내는 방식이다.

이는 아날로그 FDMA방식에 비해 대역폭당 사용자 채널을 최대 10~20배 증가시킬 수 있다.

이와 같이 기존 방식보다 가입자 수용 용량을 증대시킬 수 있는 대용량이므로 대도시에 적합하고, 또한 서비스 지역의 광역화에 따른 셀 수의 감소와 주파수 계획이 간단한 장점이다.

FDM + CDM

이동 통신에서 사용하는 방식이다.

확산 대역 방식이라고 한다.

기존 방식에 비해 10배~20배 전송용량이 증가한다.

전송 품질이 뛰어난다.

보안성이 좋다.

전송지연이 감소된다.

GSM(Global System for Mobile Communications)

범유럽 디지털 셀룰러 통일 규격

북유럽, 영국, 프랑스의 다양한 아날로그 시스템을 단일 시스템으로 표준화한 것

GSM은 당초에는 900MHz대의 주파수를 사용하는 TDMA 방식의 디지털 셀룰러 시스템으로 1001년부터 상용화가 개시되었다.

주로 유럽에서 쓰고 있는 GSM 방식은 TDMA방식에 기반을 둔 시분할 방식이고, CDMA는 코드분할 방식입니다.
예를 들면, 여러 사람이 모여 있는 파티장에서 의사 소통을 하고 있을 때, GSM(TDMA)방식은 사람들이 자기가 말 할 수 있는 시간을 정해 놓고 그 시간을 할당 받은 두 사람만 말을 할 수 있도록 하는 방식이고, CDMA방식은 모든 사람이 서로 다른 나라 말로 대화를 하는 방식이지요.
물론 그래도 목소리가 커지면 방해가 되니까 다 같은 정도의 크기로 말을 하게 합니다.

핸드오프(Hand Off)

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