10강. [CH-02 Physical layer] Multiflexing(다중화)

안녕하세요,

 

음 우선 지금까지 했던 이야기들을 되돌아볼까요?

 

우리는 지금 껏 물리층의 프로토콜에 대한 이야기를 했습니다.

물리층이 하는 일은 무엇이었나요?

• 데이터를 시그널로 변환(역도 가능)
• 시그널을 매체를 통해 전송

네,

따라서 물리층의 프로토콜은 이 두가지 기능을 가지고 있어야하며, 데이터와 시그널을 상호변환하는 방법에 대해 지금껏 이야기 해왔습니다.

 

하지만 우리는 왜 대역폭이 크면 비트율이 큰지 정확히 알아본 적은 없습니다..

엄밀히 말하면 대역폭이 커지면, boud rate이 커지고, 각 signal element 당 전송되는 비트수가 동일 할 때 비트율이 커지는 것은 언급했습니다. 또한 대역폭을 도로에 비유하고, signal element를 차량에 비유했습니다. 도로가 넓으면 같은 시간동안에 더 많은 차량이 지나다닐 수 있는 것처럼, 대역폭이 크면 같은 시간동안 더 많은 시그널 엘레멘트가 전송될 수 있습니다. 즉 boud rate이 크다는 것입니다.

그리고 어떤 서로 다른 두가지 변환 알고리즘에서 각 signal element 당 전송되는 비트 수가 같다면 당연히 boud rate이 높으쪽이 더 큰 비트율을 보일 수 있게됩니다. 물론 boud rate이 크다고 해서 무조건 빠르지 않다는 것은 말씀을 드렸습니다.

 

boud rate은 대역폭에 의해서 결정이되고, 각 시그널 엘레먼트 당 몇개의 비트를 보낼 수 있는지 알고리즘의 정의에 따라 달라지는 것입니다. 만약 5000bps의 비트율이 필요한데, 1초에 10000개의 시그널 엘리먼트를 보낼 수 있는 채널을 가지고 있다면, 2개의 시그널 엘리먼트에 1bit를 실어보내는 맨체스터 인코딩을 사용해도 됩니다. 그러면 딱 5000bps의 속도가 나오죠.

 

하지만 보유한 채널이 1초에 7000개의 시그널 엘리멘트 밖에 전송할 수 없다면, 맨체스터 인코딩을 사용할 수 없고 다른 알고리즘을 사용해야할 것입니다. 만약 NRZ를 사용한다면 비트율은 7000bps가 됩니다. 분명 boud rate은 채널에 비해 작어졌지만 오히려 속도는 더 빨라졌습니다.

 

대역폭을 나누어 사용한다..?

우리가 이야기 할 다중화란 궁국적으로 대역폭을 나누어 쓰는 방법입니다. 하지만 우리는 대역폭에 대해 단순히 도로라고만 알고 있을 뿐입니다. 그래서 그냥 도로라고 생각을 하고 계속 이야기를 진행하겠습니다.

 

도로를 생각해봅시다. 도로의 크기가 정해져있을 때, 대역폭이 정해져있을 때, 우리는 이것을 효율적으로 사용하기 위해 차선을 나누어사용합니다. 예를들어 차선을 4개로 나눈다면, 적어도 4대의 차량은 동시에 이 도로를 이용할 수 있게되기 때문입니다.

 

이것이 다중화입니다.

다중화

즉 두 장치를 연결하는 매체의 전송 용량이 두 장치가 필요로 하는 전송량보다 클 경우에는 언제든지 그 링크를 공유할 수 있으며,

이때 다중화란  단일 링크를 통하여 여러개의 신호를 동시에 전송할 수 있도록 해주는 기술을 말합니다.

요약하자면 단일 데이터 링크를 통해 여러개의 신호 channel을 동시에 전송하기 위한 기술입니다.

 

만약 멀티플렉싱이 없다면 아래의 왼쪽과 같이 1:1로 연결을 해주어야하는데, 이는 매우 효율이 떨어집니다. 따라서 우리는 MUX를 통해 멀티플렉싱이 이루어지게끔 데이터를 전송하고, 이를 DEMUX를 통해 각각의 풀어줍니다.

 

 

전화선을 생각해보면 이해는 더 쉬워집니다.

전화국의 입장에서, 가장 단순하게 생각할 수 있는 방법은 새로운 가입자가 가입을 할 때마다 전화국 가입자의 집을 직접연결하는 통신선을 설치하는 것입니다. 하지만 이 방법은 사실 문제가 많아보입니다. 그래서 우리는 가입자들을 그룹화해서, 어느 지역의 가입자들을 한데 묶어서 하나의 큰 전화선으로 연결하는 방식을 사용해야할 것 입니다.

 

다중화의 예 (출처 : https://m.blog.naver.com/unionlkh/220761505877)

이를 위해서는 서로 다른 가입자들을 구분 할 수 있는 능력을 갖추어야합니다. 이것을 이뤄내는 것이 다중화의 방법들입니다. 

이를 위한 방법들에는 주파수 분할과 시분할, 파장 분할이 있습니다.

 

 

주파수 분할 (Frequency-Division Multiplexing)

 

주파수 분할 다중화는 각 가정집이 4000hz의 대역폭을 필요로 하는데, 굵은 선은 16000hz를 넘는 대역폭을 가질 때에만 사용이 가능합니다. 이 굵은 선의 최소 대역이 20000hz라고 할 때, 20000~24000hz는 1번 집의 통신에 24000~28000hz는 2번 집의 통신에 ... 

이와 같이 주파수를 분할해 할당하는 방식입니다.

 

하지만 당연히, 굵은 전깃줄을 통해 전송되는 것은 시그널이고, 이것은 결국 전압니다. 따라서 굵은 전선에는 특정 순간에, 단지 특정한 전압이 걸릴뿐입니다. 전깃줄이 그 전압의 주파수를 알고 있는 것은 아니니까요. 따라서 이 전압은 아래 그림과 같이 가입자 모두의 시그널이 합쳐지는 형태로 나타납니다.

 

그리고 이것을 받는 측에서는 자신이 받기로 약속된 주파수에 해당하는 시그널만을 걸러서 받게됩니다.

 

 

하지만, 이상한점이 있습니다.

전화기를 통해 전달되는 사람 목소리 대역은 비슷 할 텐데 어떻게 주파수 대역을 나누어 사용하는 걸까요? 

정답은 단순히 주파수를 평행이동 시킨 것입니다. 사람의 목소리는 20~4000hz 정도의 주파수 대역을 가지지만 이것을 20000~24000hz 의 대역을 가진 채널을 통해 전송하기 위해서는 평행이동 시켜줘야합니다. 또한 이를 역 평행이동 시켜 원음을 수신자에 들려줍니다.

 

파장 분할 (Wavelength-Division Multiplexing, WDM)

 

파장 분할 다중화는 광섬유에서만 사용할 수 있습니다.

햇빛이 프리즘을 통과하면 대략 7가지의 빛으로 나뉩니다. 그 역도 마찬가지이고요.

파장 분할 다중화는, 광섬유를 통과하는 빛이 가지는 이러한 성질을 이용합니다. 즉 서로 다른 여러가지 빛을 합쳐서 보내고, 또 받는 쪽에서는 그것을 프리즘과 같은 방식으로 분해한다는 아이디어입니다.

 

시분할 분할 (Time-Division Multiflexing, TDM)

 

주파수 분할 다중화에서, 가령 거대한 저깃줄의 대역폭이 50000hz 였고, 가입자가 5명이라면 각 가입자는 10000hz의 대역폭을 가질 수 있습니다. 하지만 시분할 다중화는 도로에 차선을 나누듯 대역폭을 기준으로 가입자를 구분하는 것이아니라 시간을 기준으로 구분합니다. 하지만 이렇게 이야기하면 오해를 사기 쉽습니다.

예를 들어봅시다.

 

각 시그널 엘리먼트당 1개의 비트를 보내는 알고리즘을 사용하며

boud rate이 8인 채널과,

boud rate이 2인 채널이 4개가 있다고 가정해봅시다.  

 

우선 우리에게는 가입자 4명이 있고, 각 가입자는 boud rate이 2인 채널을 하나씩 사용합니다. 그리고 그것들이 boud rate이 8인 채널에 연결되어 있는 상황입니다. 그리고 boud rate의 비율에 맞게 적당히 각 체널의 대역폭도 가정해봅시다.

 

주파수분할 다중화에서는 대역폭 8000hz인 전송선을 대역폭을 4개로 쪼개어 각 가입자에 할당했습니다. 하지만 여기서는 각 가입자가 보내는 시그널 일부씩을 합쳐서 하나의 덩어리로 만들어 전송합니다.

 

쉽게 이야기하면 가입자 1(파란색)은 1초에 2bit 밖에 보낼 수 밖에 없습니다. 다른 가입자들도 마찬가지입니다. 그래서 우리는 하나의 꾀를 냅니다. 1초동안 4명에게 한번씩 시그널을 받아서 그걸 순서를 잘 지켜서 더하고 전송하자는 것이죠. 

0 ~ 0.25 초에는 가입자 1로 부터 2비트를,

0.25 ~ 0.5 초에는 가입자 2로 부터 2비트를,

0.5 ~ 0.75 초에는 가입자 3로 부터 2비트를,

0.75 ~ 1 초에는 가입자 3로 부터 2비트를,

말이죠.

 

수신자는 이것을 다시 0.25 단위로 잘라 해석해 각 사용자가 보낸 시그널을 구분 할 수 있게됩니다. 

 

즉 TDM방식이란 각 장치별로 일정한 시간을 time slot을 할당하고 이는 고정되어있습니다.

따라서 무조건 순서대로 각 장치에서 일정한 시간을 할당하므로 통신이 필요없는 장치에도 시간을 할당하는 낭비를 가져올 수 있다는 문제점이 있습니다.

 

비동기식 시분할 분할(Statistical Time-Division Multiflexing, 비동기식 TDM)

 

동기식 TDM은 이미 할당 된 time slot를 사용하기 때문에, data transfer가 없어도 할당이되어 낭비가 일어납니다.

비동시기식 TDM은 동적으로 time slot을 수요에 따라 할당해줍니다.