[데이터통신] 데이터 통신에서의 Multiplexing

 

 

Multiplexing (다중화)

 

Multiplexing은 다수의 신호를 하나의 데이터 링크에 동시에 보내는 방법이다.

 

 

 

여기서 다수의 신호는 아날로그 신호나 디지털 신호가 될 수 있다. 특히 아날로그 신호는 빛을 이용한 신호도 있어 두 가지로 나뉜다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Frequency Division Multiplexing (FDM)

 

Frequency Division Multiplexing(주파수 분할 다중화)는 우리 주변에서 흔히 사용되는 기술 중 하나이다. 이 기술은 다수의 아날로그 신호를 하나의 데이터 링크를 통해 전송할 수 있게 해 주는데, 이는 마치 여러 강의 물줄기가 하나의 큰 강으로 합류하는 것과 같은 원리이다. 하지만, 이런 합류를 위해서 강의 폭, 즉, 데이터 링크의 대역폭이 충분히 넓어야 한다.

 

 

위 그림에서 아날로그 신호는 이미 한 번의 변조(Modulation)를 거쳤다. 아마 AM으로 추측되긴 한다.(진폭이 변하기 때문에) 그렇기 때문에 각각의 신호도 Carrier signal을 가진다.

 

받는 쪽에서는 필터라는 것을 앞에 끼고 있다. 이 데이터를 전송할 때 발생하는 노이즈를 제거하기 위함이다.

 

 

위 예시를 보면, 전화선의 대역폭이 각각 4kHz의 대역폭을 지닌다.

여기서 Carrier signal의 주파수를 조정해 각 대역폭 간의 간섭이 일어나지 않도록 해야 한다. 이후에 하나의 링크에서 합쳐질 때 12kHz의 대역폭을 가지는 것을 알 수 있다.

 

더 복잡한 예시를 들어보겠다. 한 마을에 12개의 유선 전화가 있다고 하자.

각 전화선은 4kHz의 대역폭을 가지므로, 이 마을 전체를 다루기 위해서는 총 48kHz의 대역폭이 필요하다.

이런 마을이 총 5곳 있다면, 이들 모두를 아우르기 위해선 240kHz의 대역폭이 필요하다. 또한 이러한 지역이 총 10곳이라면, 다음 단계의 데이터 링크는 2.52 MHz의 대역폭을 필요로 하고, 한 나라에 이런 지역이 6곳 있다면, 최종적으로 16.984 MHz의 대역폭을 갖춘 데이터 링크가 필요하게 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

 

Wavelength Division Multiplexing (WDM)은 광케이블로 전송해야 하는 데이터들인 높은 data rate를 갖는 신호로 설계한다.

 

또한 광 케이블은 철로로 된 전송 케이블보다 data rate가 훨씬 높다. 즉, 하드웨어(?)적으로 너무 좋은 성능을 지닌 광 케이블은 실제로 많은 데이터를 실어 보낼 수 있기 때문에, 하나의 신호만 보내는 것은 오히려 손해다.

 

따라서 다중화를 통해 여러 신호를 합쳐 보낸다. 이때 빛을 이용하기 때문에 프리즘의 형태로 구현된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Time Division Multiplexing

 

 

 

Time Division Multiplexing (TDM)은 여러 데이터 스트림을 단일 신호 채널을 통해 순차적으로 전송하는 기술이다. Frequency Division Multiplexing (FDM)과 달리, TDM은 데이터 링크의 전체 대역폭을 사용하지만, 시간 슬롯을 나누어 다양한 데이터 스트림을 전송한다.

 

예를 들어, TDM을 통해 A, B, C 세 데이터 스트림이 전송되는 경우를 생각해 보자. 이 경우, 각 데이터는 총 프레임 시간 T 내에서 (T/3)의 시간 슬롯이 할당된다. 이는 각 데이터 스트림이 더 짧은 시간 내에 같은 양의 데이터를 전송해야 하므로, 입력 속도의 세 배가 되는 데이터 전송 속도를 요구한다.

 

이 과정에서 데이터 속도(Data rate)가 증가하고, Shannon's Law에 따라 신호 속도(Signal Rate)도 증가한다. 신호 속도와 대역폭이 비례하므로, 이는 대역폭 증가를 의미한다.

 

 

예를 들어, TDM에서 각 입력 라인이 1 Mbps의 Data Rate를 가지고 있다면, TDM 후 출력 라인은 빠르게 순차적으로 데이터를 전송하기 위해 4 Mbps의 Data Rate를 가져야 한다.

 

 

하지만, TDM은 정확한 타이밍 동기화를 요구하는 단점이 있다. 데이터는 정해진 시간 슬롯에 전송되어야 하므로, 송신자와 수신자 사이의 동기화가 필요하다. 동기화된 상태에서, 데이터 스트림 A, B, C는 각각 올바른 순서로 전송되어야 하며, 이는 정밀한 타이밍 정렬을 필요로 한다.

 

여기서 동기화란, 왼쪽 분홍색 원과 오른쪽 분홍색 원이 같은 속도로 돌고 있음을 말한다.

 

 

하지만, 입력 데이터가 서로 크기가 다른 경우는 어떨까?

 

 

위 예시에서는 A, B, C가 서로 다른 크기의 데이터를 가지고 있다. 따라서 데이터 프레임에서 데이터가 더 이상 들어가지 않은 데이터 라인이 존재할 수도 있다. 이러한 데이터 프레임 때문에 공간은 낭비된다.

 

공간을 효율적으로 사용해 주기 위해서는 각 데이터가 어느 출력 라인으로 들어가는지 태그를 붙여주는 방법을 고려해야 한다.

 

 

위와 같이 각 데이터가 어느 라인을 의미하는지 태그를 붙여준다면, 공간을 낭비할 필요가 없을 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

References

 

[데이터 통신] Multiplexing