다중화(Multiplexing)는 여러 저속 전송 속도의 채널을 하나의 고속 전송 링크로 통합하여 전송하는 기술이다.
이렇게 각각의 저속 채널을 개별적으로 전송하는 것보다 하나의 고속 링크를 사용하는 것이 자원 활용 면에서 훨씬 효율적이다.
이를 통해 대역폭을 최대로 사용할 수 있다.
시간 분할 다중화 TDM
시간 분할 다중화(TDM, Time Division Multiplexing)는 여러 채널의 데이터를 하나의 고속 전송 링크로 전송할 때, 시간을 나누어 각 채널이 독립적으로 데이터를 전송할 수 있게 하는 기술이다.
즉, 동일한 주파수 대역을 사용하는 대신 각 채널이 일정 시간 동안 고속 링크를 독점적으로 사용하도록 함으로써 데이터를 순차적으로 전송합니다.
예시: 디지털 전화 시스템에서 각 통화 데이터가 동일한 통신 회선을 공유하면서도, 시간 슬롯을 할당받아 순차적으로 전송됩니다.
동작 원리:
- 각 채널은 동일한 주파수 대역 사용: 모든 채널이 동일한 물리적 링크(예: 광케이블, 동축 케이블 등)를 사용하지만, 동시에 데이터를 전송하는 것이 아니라 시간을 분할하여 전송한다.
- 시간 슬롯(Time Slot) 할당: 각 채널은 고속 링크에서 자신의 데이터를 전송할 수 있는 시간 슬롯을 할당받는다. 이렇게 정해진 시간 간격 동안 채널의 데이터가 전송되며, 그 시간이 지나면 다음 채널의 데이터가 전송된다.
- 다중화기(MUX): 다중화기가 각 채널의 데이터를 정해진 시간 슬롯에 맞춰 결합하여 고속 링크로 전송한다.
- 역다중화기(DEMUX): 수신 측에서는 역다중화기가 각 채널의 시간 슬롯에 해당하는 데이터를 추출하여 원래의 데이터 흐름으로 복원한다.
시간 분할 다중화는 특히 장거리 통신에서 많이 사용되며, 광섬유, 동축선, 마이크로웨이브 같은 통신 매체를 통해 고속 데이터 전송이 가능하다.
주파수 분할 다중화 FDM
각 채널이 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 동시에 데이터를 전송하는 방식이다.
여러 신호가 동일한 물리적 매체(예: 동축 케이블 또는 무선 통신)를 통해 동시에 전송되지만, 각 신호는 고유한 주파수 대역을 차지하여 충돌 없이 전송될 수 있다.
- 예시: 아날로그 TV 방송, 또는 FM 라디오의 경우 각 방송국은 서로 다른 주파수를 할당받아 방송하므로 청취자는 다양한 방송국을 선택할 수 있다.
장점
- 동시 전송 가능: 여러 채널이 주파수 대역을 분할하여 동시에 데이터를 전송할 수 있다.
- 주파수 대역 활용: 주파수 자원을 효율적으로 사용하여 많은 채널을 동시에 송출할 수 있다.
보통 FDM은 아날로그 시스템에서 자주 사용되며, TDM은 디지털 통신에서 많이 사용된다.
방송과 케이블 TV 예시
서로 다른 주파수 대역을 할당받아 전송되며, 이를 통해 영상과 음향 신호가 동시에 전송
코드 분할 다중화
코드 분할 다중화(CDM, Code Division Multiplexing)는 각 채널이 고유의 코드를 사용하여 데이터를 전송하고, 여러 데이터 흐름이 동시에 같은 주파수 대역에서 전송되는 방식을 의미한다.
수신기는 특정 코드를 사용하여 원하는 신호를 구분한다.
이것은 수신기에서 데이터를 복호화할 때 사용된 고유 코드를 통해 각 채널을 분리하는 방식이다.
위의 FDMA, TDMA와 더불어 효율적으로 주파수 자원을 사용할 수 있고,
추가로 CDMA는 고유한 코드로 신호가 구분되기 때문에 간섭을 최소화하면서 데이터 전송이 가능하다.
CDM은 특히 무선 통신 시스템에서 널리 사용되며, 동일한 주파수 대역에서 다수의 사용자가 동시에 데이터를 전송할 수 있는 방식이다.
동기식 시분할 다중화
동기식 시분할 다중화(STDM, Synchronous Time Division Multiplexing)는 전송 시간을 일정 간격의 시간 슬롯(time slot)으로 나누어 각 채널에 고정된 시간을 할당해 데이터를 전송하는 방식이다.
이 방식에서는 모든 채널이 미리 정해진 시간 슬롯을 가지고 주기적으로 데이터를 전송한다.
위 그림의 각 프레임마다 끝에 추가되는 1 비트는 프레이밍 비트라고 한다.
이것은 각 데이터 프레임의 시작과 끝을 명확하게 구분하고, 수신기가 데이터 스트림을 올바르게 해석할 수 있도록 하는 동기화 정보를 제공하기 때문에 꼭 필요하다.
- 프레임 구조: 전송된 신호는 프레임이라는 단위로 나누어진다. 각 프레임은 여러 개의 시간 슬롯을 포함하며, 각 슬롯은 특정 채널의 데이터를 담고 있다.
각 채널은 시간적으로 고정된 슬롯을 할당받아 데이터를 주기적으로 전송한다. - 동기화 비트: 각 프레임에는 동기화를 위한 비트가 포함되어, 수신기와 송신기가 정확히 데이터를 일치시킬 수 있도록 한다.
위 그림에서는 같은 의미로 사용되고 있다.
STDM은 처음에 알아봤던 TDM, 그러니까 소위 비동기 ATDM과 다르다.
- 시간 슬롯 할당:
- 동기식 TDM: 각 채널이 고정된 시간 슬롯을 주기적으로 할당받음.
- 비동기식 TDM: 전송할 데이터가 있는 채널만 동적으로 시간 슬롯을 할당받음.
- 효율성:
- 동기식 TDM: 데이터가 없더라도 시간 슬롯이 낭비될 수 있으므로 자원이 비효율적으로 사용될 수 있음.
- 비동기식 TDM: 데이터가 없으면 시간 슬롯을 할당하지 않으므로 자원을 효율적으로 사용함.
- 동기화:
- 동기식 TDM: 송수신 간의 클럭이 정확히 일치해야 함.
- 비동기식 TDM: 클럭 동기화가 필요하지 않음.
이러한 차이점 때문에 STDM은 주기적으로 데이터를 전송해야 하는 환경에 적합하고, ATDM은 데이터 트래픽이 불규칙적이거나 효율적인 대역폭 사용이 필요한 환경에 더 적합하다.
동기화 상태를 나타내는 PDH 와 SDH
PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)
- 개별적인 클럭 동기 설정: PDH에서는 각 전송 구간마다 서로 다른 클럭(시간 신호)을 사용하여 데이터 전송이 이루어진다. 즉, 송신기와 수신기가 각각의 클럭에 맞춰 독립적으로 작동하기 때문에 약간의 시간 차이가 발생할 수 있다.
- '거의 동기화' 상태: 각 구간의 클럭이 완전히 일치하지 않아, 데이터 전송에 미세한 시간 차이가 존재할 수 있다.
- 복잡성: 구간별로 주파수 차이가 발생할 수 있기 때문에 데이터 흐름을 맞추기 위해 비트 삽입 등의 복잡한 방법을 사용하여 신호를 보정한다. 이러한 이유 때문에 상위 단계에서 데이터 흐름을 관리하는 것이 복잡해진다.
SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
- 하나의 기준 클럭으로 동기화: SDH는 전송 구간 전체에서 하나의 기준 클럭을 사용하여 모든 장치와 구간을 동기화한다. 따라서 동일한 시간 기준으로 데이터가 전송되며, 통신망의 어느 구간에서도 동일한 타이밍으로 데이터를 처리할 수 있다.
- 동기식 시스템: 모든 구간이 동일한 클럭에 맞춰 완전한 동기화 상태로 작동한다. 이로 인해 데이터 전송의 효율성과 신뢰성이 크게 향상된다.
- 이를 기반으로 네트워크 전반에 걸친 클럭 일관성을 제공하여 복잡한 멀티플렉싱(다중화) 및 비동기 방식에서 발생하는 문제를 단순화시킬 수 있다.
- PDH: 각 전송 구간마다 개별적인 클럭을 사용하여 동기화되며, 약간의 시간 차이가 존재한다.
- SDH: 전체 통신망이 하나의 기준 클럭으로 동기화되어 더 효율적이고 안정적인 전송이 가능하다.
따라서 SDH는 PDH에 비해 더 발전된 기술로, 데이터 전송의 품질을 높이고 복잡성을 줄여 더 효율적인 네트워크 운영을 가능하게 한다.