다중화 기술(Multiplexing) TDM/FDM/WDM 개념 및 비교

A. 다중화기술(Multiplexing) 기술의 이해

1. 다중화 기술의 정의

• 한정된 통신자원을 효율적으로 사용하는 방식으로 두 통신지점 간에 저속의 데이터를 각각 전송하지 않고 다수의 저속채널을 하나의 전송로에 고속으로 보내는 방식을 말함.
• 다중화는 전송설비 투자비용 절감, 통신링크 효율을 극대화, 통신회선 설비의 단순화를 가져 옴.

2. 다중화 시스템 기본형식

  

2-1. 다중화기(MUX : Multiplexer)
   - 전송 스트림을 단일 스트림으로 결합(many to one)

 

2-2. 다중복구기(DEMUX : Demultiplexer)
   - 스트림을 각각의 요소로 분리(one to many)
   - 전송 스트림을 해당 수신장치에 전달

 

3. 다중화기술의 구조도

 

4. 다중화 기술의 발전

1. SDM(Space division Multiplexing) : 공간 다중화방식
2. FDM(Frequency Division Multiplexing) : 주파수분할 다중화방식
3. TDM(Time Division Multiplexing) : 시분할 다중화방식
4. CDM(Code Division Multiplexing) : 코드분할 다중화방식
5. WDM(Wavelength Division Multiplexing) : 광파장분할 다중화방식

5.  다중화의 범주

B. TDM (Time Division Multiplexing : 시분할 다중화방식)

1. TDM의 정의

한 전송로에 주어진 시간대역을 여러 타임슬롯으로 분할하여 각 채널에 배당함으로써 많은 채널이 하나의 전송회선을 공유하는 방식

[TDM-1] 기본구조도

 

2. TDM의 특징

•   채널 간 간섭을 막기 위해 보호시간 필요
•   여러 다른 채널로부터 정보를 샘플링하여 채널 사이에 시차를 두어 하나의 회선으로 다수의 채널을 전송
•   실제로 전송할 데이터가 없는 채널에도 타임슬롯이 배정되어 빈 채로 전송되고 또 전송할 데이터는 자신의 타임슬롯(time slot)이 올 때까지 기다려야 함 (동기식 TDM) → 전송효율 면에서 비효율적임).
•   타이밍에 관한 정보가 필요

[TDM-2] Time Slot과 프레임

 

 

[TDM-3] 끼워넣기

 

3. 비동기식 시분할 다중화 방식 (asynchronous TDM)

   

정의

흔히 말하는 시분할 다중화 방식을 동기식 시분할 다중화 방식이라고 하는 반면에 이 방식은 지능 시분할 다중화 방식(intelligent TDM) 또는 통계적 시분할 다중화 방식(statistical TDM)이라고도 함

   

특징

• 동기식 시분할 다중화가 정적 방법으로 각 채널에 타임 슬롯을 할당하는 것과는 달리 실제로 보낼 데이터가 있는 단말 장치에만 동적으로 각 채널에 타임 슬롯을 할당
• 가장 큰 장점은 실제로 보낼 데이터가 있는 단말 장치에만 타임 슬롯을 할당하므로 전송효율이 높음.

비동기식 시분할다중화와 시분할다중화의 비교

• 동기식시분할다중화
  •  실제 송신할 데이터 존재의 유무에 관계없이 타임슬롯 할당하여 자원의 낭비가 일어남
• 비동기식 시분할 다중화
  •   보낼 데이터가 있는 단말장치에만 타임슬롯을 할당하는 것이 장점이지만 전송사이클의 종료지점을 알 수 없으므로 별도의 프레임워크가 필요
  •   임의의 한 타임 슬롯 동안의 데이터가 어느 단말 장치에서 왔는가를 예측할 수 없으므로 송신처에 대한 주소영역이 추가로 첨가되어야 함.
  •   타임슬롯당 효율은 시분할 다중화 방식에 비해 약간 떨어짐 (전체적으로 동기식 시분할 다중화 방식에 비해 전체 효율은 향상됨)

• 비동기식 시분할 다중화의 프레임구조
  • 비동기식 시분할다중화 방식은 HDLC와 같은 동기프로토콜 프레임웍을 채택하여 주소영역과 데이터영역을 포함
• 단말장치의 데이터 영역은 가변적으로 조정이 가능하며, 그 데이터의 송신처는 주소영역에 의해 판별됨
  • 이러한 형태는 전체 시스템의 부하가 과중하지 않을 경우에 적용가능

 

C. FDM (Frequency Division Multiplexing : 주파수분할 다중화방식)

1. FDM의 정의

대역이 제한된 전송회선의 주파수 대역을 여러 개로 분할하여 각 채널에 배당함으로써 많은 채널이 하나의 전송회선을 공유하는 방식

2. FDM의 특징

   - 채널 간 간섭을 막기 위해 완충지역이 존재하며 이것을 채널보호 대역(guardband)이라 함.

   - 채널 보호대역이 증가할수록 채널 간 간섭은 줄어들지만 주파수이용 효율은 낮아짐.

   - 다수의 신호원을 서로 다른 반송파로 변조하여 하나의 회선에 다수의 채널을 전송함.

   - 주파수대역을 제한하는 필터 기술이 필요

 

3. FDM의 처리과정

   - 각 전화기는 비슷한 범위의 주파수 대역의 신호 발생

   - 이 신호는 서로 다른 반송 주파수로 변조된다(f1, f2, f3)

   - 다중화 풀기 : 개개의 신호를 분리하여 수신기에 전달

 

4. 주파수분할다중화 예제

 

각각 100KHz의 대역폭을 갖는 다섯 개의 채널을 함께 다중화해서 보낸다. 만일 서로 간의 간섭을 피하기 위해 채널 사이에 10KHz의 보호대역이 필요하다면 최소 얼마만큼의 대역폭이 필요한가?

 

[풀이]

(5 X 100) + (4 X 10) = 540KHz

 

 

5. WDM(Wavelength Division Multiplexing)

5-1. WDM의 개요

광신호의 주파수 특성을 이용, 광섬유의 넓은 주파수 영역을 이용하여 여러 주파수대의 신호를 동시에 전송. FDM은 파장특성을 고려하는 경우 OFDM(Optial FDM)이라고도 한다.

 

 

WDM의 구조도

 

• 다중 빛 소스를 단일 빛으로 결합
• 단일 빛은 다중 빛 소스로 분리
• 프리즘 이용 : 임계각과 주파수 기반

 

5-2. WDM의 특징

•   단일 모드 광선로 자체에는 무한한 대역폭을 내재하고 있어 네트워크 용량을 늘리기 위하여 WDM방식 사용
•   하나의 광섬유에 다수의 파장을 다중화하고 역다중화함으로써 정보를 전송하는 방식
•   저렴한 투자비용으로 대용량 트래픽을 전송할 수 있음.
•   전송되는 신호는 서로 다른 채널과의 간섭이 없으며, 속도에 독립적이며 투명하게 전송됨.
•   파장의 길이에 따라 CWDM, DWDM, UDWDM으로 나뉨.
•   광은 200,000 GHz이상의 높은 주파수 특성을 지니며 광섬유는 800 ～ 1800nm 사이에서 낮은 손실 특성
•   WDM  은 일반적으로 2～8 파장대를 사용하는 점대점 전송시스템에 적용된다.
•   단일모드광선로 자체는 약 25,000 GHZ의 대역폭을 지원한다. 이 대역폭은 크게 1300nm 대와 1550nm대로 구분되어 사용된다. 이때 1550nm 대는 EDFA 증폭 특성과 중첩된다. 따라서 1550nm 근처 파장대에서 EDFA를 사용하면 양 5000 GHz의 대역폭을 얻어낼 수 있다.

5-3. WDM의 구성

 

D. CDM (Code Division Multiplexing : 코드분할 다중화방식)

1. 정의

• FDM + TDM의 혼합방식
• TDM방식에 의해 여러 신호를 전송할 시간대역에 포맷팅 하고 각 시간대역에서 FDM방식에 의해 각 신호를 전송할 주파수대역에 포맷팅함

2. 특징

• spread spectrum의 원리에 기초를 둔 방식 - 신호가 정보를 전송하는데 필요한 최소대역폭보다 더 큰 대역을 가짐
• 정해진 시간대역 내에서 각 시간대역마다 주파수 대역을 달리하여 신호를 전송
• 동일한 시간대역에서 동일한 주파수를 가지지만 각 신호는 서로 직교관계에 있음.
• 5 MHz 이상의 채널대역폭으로 동영상정보 전송하는 WCDMA

 

E. SDM (Space Division Multiplexing : 공간분할 다중화)

1. 정의

공간적으로 분리된 채널을 단위로 다중화하여 전송

 

2. 특징

무선은 용량을 증대시키면서 통신품질을 획기적으로 높인 스마트안테나 또는 위상배열안테나 이용 서비스영역을 여러 개의 빔으로 커버하는 다중빔화

F.  다중화 기술 비교

1. 다중화기술 별 장단점 비교

구 분	장 점	단 점
SDM	전송 품질이 가장 우수	물리적 회선비용이 많이 필요
FDM (TV, RADIO)	전송가격 저렴(간단)	보호밴드가 필요(대역낭비)
TDM (HDLC)	보호밴드 불필요	타임슬롯 낭비(동기식)
CDM (CDMA)	수용용량 획기적 증가	구현방식 복잡
WDM (광통신)	1mm간격 다수채널 가능	광통신에만 적용

 

2. FDM과 TDM의 액세스 방식 비교

항목 종류	FDMA	TDMA
특징	-가입자 신호는 주파수 영역에서 구분 되며, 가입자는 전체 주파수 대역의 일부를 이용 하여 통신 하며 연속 전송이 가능 함.	-가입자 신호는 시간영역에서 구분 되며, 각 가입자는 전체 대역을 모두 사용 하나 전송은 해당 슬롯에서만 가능. -모든 가입자는 기지국에 동기
장점	-수신기 구조가 간단 -각 가입자는 할당된 대역만 사용 하므로 충돌과 재 전송으로 인한 대역폭 낭비가 없다.	-용량이 비교적 크다 (AMPS 대비 8~10배) -통화 품질이 비교적 우수하다 -디지털 데이터 이므로 인증 및 비화가 용이 -전력 소모 적다 (AMPS의 1/2).
단점	-대역폭의 낭비가 크다. -용량이 작다 (C/I=18dB 이상 필요) -통화 품질이 나쁘다 -주파수 계획 필요하다. -전력 소모가 많다. -인증 및 비화가 어렵다. -방송 데이터 전송에 적합하지 않다.	-수신기 구조 비교적 복잡하다(등화가 필요). -주파수 계획 필요하다.
현 용 시스템	AMPS, NAMPS, TACS	GSM, D-AMPS, DCS1800

 

3. 광다중화 방식별 비교

구분	OTDM	OFDM	OCDM	OWDM
다중화방법	Time	frequency	Code를 분할	Wavelength
상용화	일부에서사용	wdm으로 발전	일부 상용화 함	가장 많이 사용
구축비용	고가			경제적임

 

4.  다중화 기술의 발전방향 및 고려사항

• 모바일 지원 문제와 초고화질의 욕구까지 단일 전송방식에서 지원하기 위한 스케일러블 한 압축, 다중화, 전송기술이 등장하게 될 것임.
• 광 가입자망 구축은 초고속화, 대용량화 및 실시간화라는 시장욕구를 만족시켜 줄 뚜렷한 대안으로 부상하고 있음
• 광네트워크 기술의 진화는 광스위치 PON광터미널로 이어지는 코어망에서 가입자망까지 모두 완전 광화(AON: All Optical Network)를 추구하는 방향으로 나아갈 것
• 다른 다중화 방식에 비하여 WDM기술은 발전 속도가 매우 빨라 광소자 및 개발의 비용이 점차 줄어들고 있어 구축비용이 경제적임.