Statistical TDM과 Spread Spectrum Modulation

 

통계적 시분할 다중화 (Statistical TDM)

 

기존에 배웠던 동기식 시분할 다중화 (STDM)는

데이터 유무와 상관없는 고정된 시간 슬롯, 이로인한 비효율성을 특징으로 꼽을 수 있었다.

 

 

 

 

반면, 통계적 시분할 다중화 (Statistical TDM)는 필요한 경우에만 시간 슬롯을 할당하는 동적 할당을 사용하여 대역폭의 낭비를 줄일 수 있다.

이 과정에서 데이터 전송 순서를 관리하고, 충돌 방지를 위해 버퍼링을 사용한다.

주로 네트워크 트래픽이 불규칙한 환경에서 더 효과적이다.

 

 

STDM은 대신 구조가 단순한 대신 일정한 속도 보장이 가능하다.

 

그런데 이러면 ATDM 역시 동적으로 시간 슬롯을 할당받는데, Statistical TDM이랑 무슨 차이인가 싶다.

확실히 서로 비슷한 동적 할당 개념이지만, ATDM은 비동기적 슬롯 할당에 중점을 두고, STDM은 통계적으로 분석된 대역폭 최적화를 강조한다고 한다.

 

 

 

 

 

 

 

확장 대역 변조(Spread Spectrum Modulation)

 

이것은 신호를 넓은 주파수 대역에 분산시켜 전송시켜서 특정 주파수 대역에 신호가 몰리지 않도록 하여, 대역폭을 효율적으로 사용하면서도 간섭과 잡음에 강한 통신 방식이다.

또한 신호가 넓은 대역에 분산되기 때문에 탐지하거나 도청하기 어렵고, 보안성이 높아진다.

 

 

확장 대역 변조의 두 가지 주요 방식인 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)와 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)의 개념을 비교하면서 알아보자.

 

	FHSS	DSSS
주파수 사용 방식	여러 주파수를 번갈아가며 사용	넓은 대역에 데이터를 퍼뜨림
간섭 회피 방법	주파수 도약을 통해 간섭을 피함	신호를 넓은 대역에 분산시켜 복원 가능
보안성	주파수를 자주 변경하므로 도청 어려움	PN 코드를 사용해 신호 보안성 높임
적용 사례	블루투스, 고용량 무선 통신	Wi-Fi, GPS

 

 

 

 

 

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

 

FHSS는 신호가 짧은 시간 간격으로 여러 주파수 대역 사이를 빠르게 변경하면서 전송하는 방식이다.

 

 

• 주파수 도약: 신호는 일정한 패턴에 따라 여러 주파수 대역을 빠르게 변경하며 전송된다. 이는 간섭을 회피하고 보안성을 높이기 위한 방법이다.
• 간섭 회피: 여러 주파수 대역을 빠르게 변경하면서 신호를 전송하기 때문에 특정 주파수에서 간섭이 발생하더라도 다른 주파수로 쉽게 전환할 수 있다.
• 안정성: 주파수가 계속해서 변경되므로 도청이나 간섭으로부터 보호된다.
• 보안성: 외부에서 신호를 탐지하거나 도청하기 어렵기 때문에 보안성이 높다.

 

 

 

 

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

 

DSSS는 신호의 각 비트를 확산 코드와 결합하여 넓은 대역에 걸쳐 신호를 분산시키는 방식이다.

 

 

• Chipping Code(확산 코드): DSSS에서 사용하는 코드로, 각 비트를 확산시켜 더 넓은 대역으로 퍼뜨린다.
  • 이 코드로 인해 원래 신호는 넓은 주파수 대역으로 확산되어 잡음이나 간섭에 대한 저항성이 높아진다.
• 넓은 대역폭 사용: 원래 신호보다 더 넓은 대역에 신호를 퍼뜨림으로써 잡음과 간섭에 강한 통신을 제공한다.
• 안정성: 주파수 대역에 신호가 분산되므로, 일부 잡음이나 간섭이 발생해도 전체 신호에 미치는 영향이 적다.

 

 

 

 

 

 

DSSS를 통한 다중화 개념

 

DSSS는 원 신호를 Chipping Code라는 코드를 이용해 넓은 대역폭에 걸쳐 확산시켜 전송하는 방식이다.

 

 

위 그림에서는 Channel A와 Channel B가 있고, 각각의 채널이 서로 다른 데이터(예: 1001, 1100)를 전송한다.

 

각 채널의 데이터는 특정 Chipping Code를 사용해 확산된다.

이 코드는 데이터를 확산시키는 역할을 하며, 각각의 채널은 서로 다른 Chipping Code를 사용하여 신호가 서로 간섭하지 않고, 넓은 대역폭에서 동시에 전송된다.

 

 

변환 과정

 

• Spread Sequence 1(1001):
  • Chipping Code: 0110
  • 비트 1 → 0110
  • 비트 0 → 1001
  • 비트 0 → 1001
  • 비트 1 → 0110
  • 결과적으로 신호는 0110, 1001, 1001, 0110으로 확산
• Spread Sequence 2(1100):
  • Chipping Code: 0111
  • 비트 1 → 0111
  • 비트 1 → 0111
  • 비트 0 → 1100
  • 비트 0 → 1100
  • 결과적으로 신호는 0111, 0111, 1100, 1100으로 확산

 

 

 

 

 

 

 

코드 분할 다중화(CDMA: Code Division Multiple Access)

 

CDMA는 다수의 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유하면서도 서로 간섭 없이 데이터를 전송할 수 있게 해주는 기술이다.

이 역시 스펙트럼 확산 기술을 기반으로 하는 만큼, 각 사용자는 고유한 코드(Chipping Code)를 사용해 신호를 구분한다.

 

위에서 배운거랑 비슷하지만

DSSS는 신호 확산을 통해 간섭을 줄이고 통신을 안정적으로 하는 데 초점을 맞추며, CDMA는 다중 접속을 위한 기술로 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있게 하는 데 중점을 둔다.

 

즉, DSSS는 단일 사용자 환경에서 신호 확산에 중점을 두고, CDMA는 여러 사용자가 동시에 같은 주파수 대역을 사용하는 다중 접속 환경에서 사용된다.

 

 

 

CDMA 역시 특징은 비슷하다. 코드분할로 인해 각각의 신호가 서로 간섭하지 않고, 스펙트럼 확산을 통해 잡음과 간섭을 줄인다. 

 

 

CDMA 동작 방식

1. 신호 확산:
   • 송신기에서 각 사용자는 고유한 코드(Chipping Code)를 사용해 자신의 신호를 확산시킨다.
     이 과정에서 원래 신호는 넓은 주파수 대역으로 퍼진다.
2. 다중 접속:
   • 다수의 사용자가 같은 주파수 대역을 공유하면서 통신할 수 있으며, 각 신호는 고유한 코드로 구분된다.
3. 수신 및 디코딩:
   • 수신기에서는 고유한 코드를 사용해 원하는 신호만 추출하고, 다른 신호들은 제거한다.
   • 수신기는 여러 신호가 한꺼번에 도착하더라도, 코드를 사용해 각 신호를 구분하고 복원할 수 있다.
     
     

 

 

CDMA에서 사용되는 Chipping Code는 직교성을 유지하므로, 서로 다른 사용자들의 신호가 간섭 없이 독립적으로 전송된다.

반대로 DSSS에서 사용되는 Chipping Code는 반드시 직교성을 유지하지는 않는다.

DSSS의 목적은 주로 신호를 넓은 대역으로 확산시키는 데 있으며, 직교성보다는 확산성과 신호 복원의 효율성이 중요하다. 하지만 특정 환경에서는 직교성을 가지는 코드를 사용할 수 있으며, 직교 코드를 사용하면 더 나은 성능을 얻을 수 있는 상황도 있다.

(DSSS는 spreading code 또는 chipping code를 이용함)

 

 

 

 

 

 

 

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

 

WDM은 하나의 광섬유에서 여러 개의 서로 다른 광파장을 통해 데이터를 동시에 전송할 수 있는 기술로, 네트워크 대역폭을 확장하고 통신 효율을 극대화하는 데 사용된다. 각 파장은 독립적인 채널처럼 동작하며, 다중화 및 역다중화 과정을 통해 데이터를 전송하고 수신한다.

 

 

WDM의 구성 요소

• 다중 파장 송신기 (Tunable Laser): 다양한 파장을 송신할 수 있는 장치로, 특정 채널에 맞게 송신 파장을 조정한다.
• 가변 파장 수신기 (Tunable Filter): 수신 측에서 특정 파장을 선택해 데이터를 수신할 수 있는 필터이다.
• WDM Mux/Demux: 다중화 장치는 여러 파장을 하나의 광섬유로 결합하고, 역다중화 장치는 수신된 여러 파장을 분리하여 각각의 데이터를 복원한다.

 

 

여러 개의 광파장을 사용해서 독립적인 채널로 데이터를 전송하면, 여러 파장을 하나의 광섬유에 결합하여 재전송한다. 수신 측에서는 각각의 파장을 분리하여 데이터를 복원한다.

 

 

 

이런 특징 덕분에, WDM을 사용하면 하나의 광섬유에서 여러 파장을 동시에 사용할 수 있어 데이터 전송 용량을 극대화할 수 있고, 효율적으로 사용할 수 있다. (대역폭 확장)

또한 장거리 통신에서 WDM을 사용하면 여러 파장을 통해 더 많은 데이터를 손실 없이 전송할 수 있다.

 

 

 

WDM의 종류

• DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing): 좁은 파장 간격(0.4~0.8nm)을 사용해 다수의 채널을 전송하는 방식으로, 대규모 네트워크와 고속 데이터 전송에 적합하다.
• CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): 넓은 파장 간격(20nm)을 사용하며, 비용이 저렴하고 중소형 네트워크나 도시 네트워크에서 많이 활용된다.

 

 

위 두 종류 CWDM과 DWDM를 비교해보면

CWDM: 설치 비용이 저렴하고, 적은 채널 수를 지원하지만 중소형 네트워크에 적합하며, 유지보수도 간편하다.

DWDM: 좁은 파장 간격으로 더 많은 채널을 전송할 수 있으며, 고속 통신 및 장거리 전송에 적합하다.