Multiplexing & Spread spectrum method in Data communication, 6주차
다중화 & 대역 확산 방식, 데이터 커뮤니케이션 6주차
Goals
- 대역폭을 나누어서 활용(dividing and utilizing bandwidth)하는 다중화 방식의 원리와 방법(the principles and methods of multiplexing)들을 설명할 수 있다.
- 사용하는 대역폭을 확산시키는 방식의 목적과 방법(the purpose and methods of spreading the utilized bandwidth)들을 설명할 수 있다.
다중화(multiplexing)
다중화란? 하나의 물리적인 링크를 여러 개의 채널로 나누어서 효율적으로 활용하는 방법
다중화 방식의 원리: 단일 링크를 통하여 여러 개의 신호를 동시에 전송하도록 하는 기술이다. 즉 링크를 효율적으로 활용하는 방안이다. (아래 사진 참조)
1)위의 참조자료처럼 MUX(다중화기)를 거치면서 여러 전송 스트림을 단일 스트림으로 결합한다.
- 1개의 링크(link)와 n개의 채널(channel)을 경로로써 이용한다. 링크는 물리적인 경로이고 채널은 전송을 위한 하나의 논리적인 경로이다.
- DEMUX(다중복구기)를 거치면서 하나의 스트림을 각각의 원래 스트림으로 다시 분리한다. 전송 스트림을 해당 수신장치에게 전달한다.
다중화 방식의 방법 3가지
1) Frequency-division multiplexing, FDM (주파수 분할 다중화)
각 송신 신호를 서로 다른 반송 주파수로 변조한 이후에 합쳐서 전송한다.
링크의 대역폭이 송신 신호의 대역폭보다 클 때에 적용 가능하다.
신호가 주파수 영역에서 겹쳐지지 않도록 보호대역(guard band)만큼 서로 떨어져 있어야 한다.
2) Wavelength-division multiplexing, WDM (파장 분할 다중화)
기본 개념은 FDM과 동일하며 광섬유의 고속 전송율을 이용하기 위하여 탄생하였다.
프리즘(빛)의 원리를 이용하여 파장별로 분히한 후 다중화한다.
파장은 주파수에 반비례 한다.
3) Time-division multiplexing (시간 분할 다중화)
n개 장치로부터 나온 디지털 신호들이 번갈아가며 끼워 넣어져서 데이터 프레임을 형성한다.
시간을 기준으로 여러 개의 입력 신호를 번갈아가며 전송하는 방식.
각 입력 신호는 시간적으로 분할된 여러 개의 슬롯(time slot)에 할당되어 전송된다.
시간 분할 다중화는 전화 통화와 같은 실시간 통신에 주로 사용된다. 여러 사용자가 동시에 전화를 사용할 수 있도록 하기 위해 전화망에서 널리 사용된다.
또한 T1 및 E1과 같은 디지털 회선에서도 사용되어 여러 음성 및 데이터 신호를 전송한다.
동기 방식(synchronous TDM)과 통계 방식(statistical TDM)으로 구분된다.
동기 방식(synchronous TDM)과 통계 방식(statistical TDM)
공통점:
다중화 기법: 동기식 TDM과 통계식 TDM은 모두 시간을 기반으로 다중화를 수행한다. 여러 입력 신호는 시간적으로 분할되어 전송 매체를 공유한다.
동기화: 두 방법 모두 정확한 동기화를 요구한다. 모든 입력 신호가 일정한 시간 간격으로 전송되어야 한다.
차이점:
시간 슬롯 할당 방식:
동기식 TDM: 동기식 TDM에서는 각 입력 신호에 고정된 시간 슬롯이 할당된다. 모든 입력 신호는 정해진 시간 슬롯에서 데이터를 전송하며, 전체 대역폭은 시간에 따라 분할된다. 전송할 데이터가 없어도 고정적으로 타임슬롯을 할당받기 때문에 낭비될 수 있다.
통계식 TDM: 통계식 TDM에서는 입력 신호가 전송되는 시간 슬롯이 동적으로 할당받고, 신호가 전송될 때마다 사용 가능한 시간 슬롯 중 하나가 선택되어 할당된다(목적지 주소 추가). 따라서 실제 신호가 발생하지 않는 시간 슬롯이 있을 수 있다.
전송 효율성:
동기식 TDM: 동기식 TDM은 각 입력 신호에 대한 시간 슬롯이 고정되어 있기 때문에 전송 효율이 좋다. 신호가 항상 정해진 시간에 전송되므로 전송의 정확성과 신뢰성이 높다. 하지만 빈 타임슬롯(Empty time slot)을 다른 사용자(혹은 입력연결)가 사용할 수 없기 때문에 채널의 자원이 낭비되어 비효율적인 방식이 될 수 있다. 이러한 빈 타임슬롯 이슈를 통계식 TDM으로 해결이 가능하다.
통계식 TDM: 통계식 TDM은 신호의 발생에 따라 시간 슬롯이 동적으로 할당되기 때문에 실제 신호가 발생하지 않는 시간에는 대역폭이 낭비될 수 있다. 그러나 신호가 발생하지 않는 시간 슬롯을 다른 신호로 채울 수 있어 전체 대역폭을 더 효율적으로 사용할 수 있다. 하지만 빈 슬롯을 없앨 수 있지만, 주소 필드를 추가하기 때문에 자원 낭비가 발생함. 지정된 타임 슬롯이 없기 때문에 상황에 따라서 데이터 폭주 발생시에는 데이터 손실이 발생할 수도 있다.
이러한 차이점으로 인해 동기식 TDM은 전송 시간을 정확하게 관리할 수 있는 실시간 통신에 적합하고, 통계식 TDM은 변동적인 트래픽 패턴이나 비정형적인 데이터 전송에 유용하다.
추가 설명: 디지털 신호(DS, Digital Signal) 서비스
디지털 신호(DS, Digital Signal) 서비스와 시분할 다중화(TDM, Time Division Multiplexing)는 밀접한 관련이 있다. DS 서비스는 통신 회선을 통해 디지털 데이터를 전송하는 서비스를 의미하며, 이러한 데이터 전송은 주로 TDM을 통해 이루어진다.
위에 사진에서 보는 것 처럼, 가정용 전화망에서는 여러 가정이 하나의 전화 회선을 공유하고 있다. 이러한 전화 회선은 디지털 신호(DS)로 전송되며, 시분할 다중화(TDM)를 통해 여러 전화 통화를 동시에 처리한다.
여러 개의 전화 통화가 발생할 때, 각 전화 통화는 일정한 시간 간격(시간 슬롯)으로 분할되어 회선을 통해 전송된다. 이렇게 함으로써 다수의 전화 통화가 동시에 전송될 수 있다. 예를 들어, 1초 동안의 회선 사용을 8개의 시간 슬롯으로 나누고, 각 전화 통화는 이 중 하나의 시간 슬롯에 할당되어 전송된다.
이러한 방식으로 여러 가정이 하나의 전화 회선을 공유함으로써 전화망이 효율적으로 활용될 수 있다. DS 서비스를 통해 디지털 신호로 변환된 전화 통화는 TDM을 통해 다른 전화 통화와 동시에 전송되어 이를 가능하게 한다.
따라서 DS 서비스와 TDM은 현실 세계에서 전화 통화와 같은 통신 시스템에서 효율적인 데이터 전송을 위해 함께 사용된다.
대역 확산 방식(Spread spectrum method)
무선 통신 매체는 누구든지 염탐할 가능성과 방해할 가능성이 있는 매체로서 이를 방지할 수 있는 방안이 필요하기 때문에 활발한 연구가 이루어진다. 그 중 대역 확산 방식이 있다.
전송에 필요한 대역폭보다 넓은 주파수 대역으로 확산시켜서 염탐/방해를 어렵게 한다.
FHSS, DSSS 두가지 방식으로 나뉜다.
주로 무선 통신 시스템에서 사용된다. 예: 무선 LAN (wireless LAN), 블루투스(Bluetooth), 무선 센서 네트워크(wireless sensor networks), 군사 응용 분야(military)
주파수 스프레드 스펙트럼 (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum):
FHSS는 데이터를 안전하게 전송하기 위해 여러 주파수 대역으로 신호를 분산시키는 기술이다.
전송되는 데이터는 일정한 주기마다 주파수를 변경하여 전송되며, 이 과정은 미리 정의된 시퀀스에 따라 이루어진다.
주파수가 빠르게 변화하기 때문에 외부 간섭이나 도청을 방지하고 안전한 통신을 제공한다.
주로 무선 LAN(Wireless LAN) 및 블루투스(Bluetooth) 통신에서 사용된다.
직접 순차 스프레드 스펙트럼 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum):
DSSS는 데이터를 안전하게 전송하기 위해 데이터를 여러 비트로 분산시키는 기술
전송되는 데이터는 고정된 코드(스프레드 코드)를 사용하여 여러 비트로 분산된다.
분산된 데이터는 더 넓은 대역폭을 사용하여 전송되기 때문에 외부 간섭을 피하고 안정적인 통신을 제공한다.
주로 CDMA(Code Division Multiple Access) 및 무선 LAN(Wireless LAN)에서 사용
추가 내용
대역 확산 방식과 다중화를 같은 수업에서 다룬 이유? (Why were spread spectrum and multiplexing covered in the same class?)
- 이 두 방법은 통신 시스템에서 데이터를 전송하는 방법에 관한 개념(how data is transmitted in communication systems)이다. 또한, 종종 서로 상호작용(interact)하고 종속적인 관계(interdependent relationships)를 가질 수 있다. 예를 들어, 대역 확산 방식(Spread Spectrum)은 데이터를 안전하게 전송(securely transmit data)하고 통신을 보호(protect communication)하는 데 주로 사용됩니다. 다중화(Multiplexing)는 여러 사용자나 데이터 스트림(transmit multiple users)을 동시에 전송(data streams simultaneously)하기 위해 사용된다. 따라서 두 가지 개념을 함께 이해하는 것이 중요하다. 실제로 통신 시스템을 설계하고 구현할 때, 대역 확산 방식과 다중화는 종종 함께 사용(often used together)된다.
에어팟도 대역 확산 방식을 이용해 만든건가요?
- 에어팟은 대역 확산 방식을 직접 사용하지는 않지만, Bluetooth는 대역 확산 방식 중 하나인 주파수 스프레드 스펙트럼(FHSS)을 사용하여 데이터를 전송한다. FHSS를 통해 Bluetooth는 안정적인 통신을 제공하고 주변 잡음이나 간섭에 강한 신호를 유지할 수 있다.
