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FDMA, TDMA, and CDMA Multiple Access: Effective Utilization of Bandwidth (1)
인덱스: FDMA, TDMA 및 CDMA 다중 액세스(1)
1. 무선 통신을 위한 신호 대역폭의 효과적인 활용을 가능하게 하는 필수 기술
2.1 멀티플렉싱: 단일 전송 경로의 효과적인 활용(Air)
2.2 다중 액세스: 간섭 없이 여러 사용자 간 무선 통신 구현하기
인덱스: FDMA, TDMA 및 CDMA 다중 액세스(2)
< 칼럼 > 멀티플렉싱의 작동 원리: FDM, TDM 및 CDM
< 칼럼 > 스마트폰 기술 사양에 나오는 FDD-LTE와 TD-LTE 용어 설명
1. 무선 통신을 위한 신호 대역폭의 효과적인 활용을 가능하게 하는 필수 기술
스마트폰은 매일 오디오, 이미지, 동영상 및 기타 데이터를 송수신합니다. 많은 사람들이 동시에 같은 신호 대역을 사용하면서 엄청난 양의 데이터를 전송하지만, 우리는 이것이 지극히 정상적인 현상이라고 생각하게 되었습니다. 이는 서로 다른 유형의 데이터를 주고받을 때 데이터의 중복이나 잡음으로 인한 간섭 등의 문제를 방지하는 기술 덕분에 가능한 일입니다. 이 글에서는 주파수 대역폭(또는 줄여서 대역폭)*1을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 기술, 즉 무선 신호의 효율적 활용을 위한 두 가지 기술을 그래픽 일러스트를 통해 설명합니다:
- 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있는 '멀티플렉싱'과
- 멀티플렉싱 기술을 사용하여 여러 사용자와 동시에 연결할 수 있는 '다중 액세스'를 말합니다.
다중 액세스('멀티 액세스'라고도 함)는 가전제품, IoT 디바이스 등 '사물'에 대한 연결을 포함하여 매우 많은 수의 동시 연결(평방킬로미터당 100만 연결)을 지원하는 것을 목표로 하는 5세대 이동통신 시스템(5G)에 기여하는 중요한 기술이라는 점에 유의하세요.
*1 무선 통신에 사용되는 주파수 대역폭(대역폭)이 넓을수록 데이터 통신 속도(전송 속도)가 빨라집니다. 주파수 대역폭과 전송 속도의 관계에 대해서는 다른 글에서 설명할 예정입니다.
2. 무선 통신을 통한 다중 데이터 스트림 전송
2.1 멀티플렉싱: 단일 전송 경로의 효과적인 활용(Air)
유선 또는 무선 통신을 사용하는 통신 시스템의 기본 모델입니다, *2은 그림 1과 같이 표현할 수 있습니다(무선 통신에 대한 기본 지식: 무선 메커니즘 (1)). 이 모델에서는 송신 측, 전송 경로, 수신 측이 하나의 단위로 간주되며 특정 시점에 전송되는 데이터 스트림도 하나의 단위로 간주됩니다. (당분간 이를 '단순 통신'이라고 부릅니다.) 이제 발신 측이 여러 데이터 스트림을 수신 측에 동시에 보낼 수 있다면 데이터 송수신 효율이 높아질 것입니다. 이것이 바로 단일 전송 경로를 통해 여러 데이터 스트림을 동시에 전송하는 아이디어로 이어진 것입니다. 이 기술을 멀티플렉싱이라고 합니다.
*2 일반적으로 통신 시스템의 전송 경로는 케이블 또는 공중이며, 이러한 시스템은 통신에 사용되는 전송 경로에 따라 유선 또는 무선 통신으로 분류됩니다.
2.2 다중 액세스: 간섭 없이 여러 사용자 간 무선 통신 구현하기
멀티플렉싱을 여러 개의 데이터 스트림을 동시에 서로 겹쳐서 전송하는 것으로 생각하면 멀티플렉싱의 경우 송신 측과 수신 측의 요소가 존재하지 않는다고 말할 수 있습니다. 무선 통신의 경우 다중화에 '송수신'(송수신 결합) 요소를 추가하여 여러 사용자가 단일 전송 경로를 공유하여 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있습니다. 이를 다중 액세스라고 합니다.*3
표 1은 멀티플렉싱과 다중 액세스의 관계를 보여줍니다. 다중 접속과의 비교를 위해 멀티플렉싱은 하나의 송신 측과 하나의 수신 측을 사용한다고 하겠습니다. 또한 멀티플렉싱에는 여러 채널*4이 있고 멀티 액세스에도 여러 채널이 있으므로 멀티 액세스는 멀티플렉싱을 기반으로 한다고 말할 수 있습니다.
*3 통신 관련 서적이나 문서, 웹사이트 콘텐츠에서는 설명하는 내용에 따라 멀티플렉싱과 다중 접속을 구분하지 않고 혼용하여 사용하기도 합니다. 본 문서에서는 다중 접속을 다중화를 활용하여 여러 사용자가 전송 경로를 공유하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 기술로 설명합니다.
*4 채널: 여기서 사용되는 채널은 단순히 단일 데이터 스트림을 전달하는 무선 신호 파형이 이동하는 경로(통신 경로)로 생각할 수 있습니다. 이러한 의미에서 채널이라는 용어는 신호 회선을 지칭하는 데 사용됩니다. 예를 들어 무선 통신의 경우 10개의 서로 다른 신호 파형이 전송되는 경우(다중 전송)를 10개의 채널이 있는 통신 경로로 설명할 수 있습니다.
실제 무선 통신에서는 한 사용자에서 다른 사용자로 또는 한 사용자에서 다른 여러 사용자에게 데이터를 전송하기 위해 전송 경로를 공유하는 경우보다는 이동통신 시스템(그림 2)이나 위성 통신 시스템(그림 3)의 여러 사용자가 전송 경로를 공유하는 경우가 더 일반적입니다. 따라서 다음 설명에서는 다중 접속의 작동 방식에 중점을 두고 설명합니다. 멀티플렉싱은 다음에서 설명합니다. < 칼럼 > 멀티플렉싱의 작동 원리: FDM, TDM 및 CDM.
3. 다중 액세스 작동 방식: FDMA, TDMA 및 CDMA
이전 섹션에서 언급했듯이 다중 접속은 다중 채널을 공유하여 여러 사용자가 간섭 없이 통신할 수 있도록 하는 기술입니다.
가장 기본적인 것부터 가장 진보된 것까지 다중 접속의 기본 유형은 다음과 같습니다:
- 주파수 분할 다중 액세스(FDMA)
- 시분할 다중 액세스(TDMA)
- 코드 분할 다중 액세스(CDMA)
아래에서는 위성 통신을 예로 들어 각 다중 액세스 유형의 개념도와 그림 3을 기반으로 한 개념도를 사용하여 각각의 작동 방식을 설명합니다.*5
*5 4G-LTE 이동통신 또는 Wi-Fi 6/6E 및 Wi-Fi 7 개인용 통신과 같은 최신 무선 통신 표준은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)이라는 변조 및 다중화 기술을 기반으로 하는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)라는 방식을 사용합니다.OFDM에 대한 설명은 데이터 다중화, 직교 진폭 변조(QAM), 주파수 스펙트럼에서 데이터 신호의 직교 특성 등의 복잡한 주제에 대한 배경 지식이 필요하므로 여기서는 생략합니다. 이 주제는 다른 기사에서 다룰 계획입니다.
3.1 주파수 분할 다중 액세스(FDMA)
FDMA는 여러 사용자의 데이터 스트림을 분할하여 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 채널에 할당하며, 이 채널은 모두 단일 전송 경로를 공유합니다(그림 4-1). FDMA는 1980년대에 채택되기 시작했으며 아날로그 1세대 이동통신 시스템(1G)에서 휴대폰 및 차량용 전화 통화에 사용되었습니다.
그림 4-2는 위성 통신에 FDMA를 사용하는 개념도를 보여줍니다. 그림 4-2는 그림 3에 기반하여 하나의 송신 측(지구국 E0)과 다수의 수신 측(지구국 E1~E3)을 사용하여 다중화된 데이터 신호를 전송하는 배열을 보여줍니다.
지구국 E0의 데이터 신호는 위성 중계기가 지원하는 대역폭 내에서 동일한 간격으로 배열된 서로 다른 주파수에 변조 및 할당된 지구국 E1~E3을 대상으로 하는 데이터 스트림으로 구성되며, 인접 신호 주파수 대역이 겹치지 않도록(간섭을 방지하기 위해) 전송됩니다. 지구국 E1~E3이 이러한 신호를 수신하면 각 지구국이 수신할 수 있는 주파수에 따라 신호를 분할하고 데이터 스트림을 추출합니다.
3.2 시분할 다중 액세스(TDMA)
TDMA는 여러 사용자의 데이터 스트림을 일정한 시간 간격으로 분할하여 채널에 할당하며, 이 채널은 모두 단일 전송 경로를 공유합니다(그림 5-1). TDMA는 1990년대에 채택되기 시작했으며, 디지털 2세대 이동통신 시스템(2G)에서 휴대폰 통화(GSM, PDC, PHS 등)를 전송하는 데 사용되었습니다.
그림 5-2는 위성 통신에 TDMA를 사용하는 개념도를 보여줍니다. 이전 섹션에서와 마찬가지로 그림 5-2는 하나의 송신 측(지구국 E0)과 다수의 수신 측(지구국 E1~E3)을 사용하여 다중화된 데이터 신호를 전송하는 그림 3에 기반한 배열을 보여줍니다.
데이터 신호는 시간 프레임으로 구분되고 각 프레임에 포함된 표준 버스트 신호*6를 제외한 채널로 사용되는 "슬롯"으로 구성된 데이터 신호가 지구국 E0에서 전송되며, 각 채널에는 지구국 E1~E3을 대상으로 하는 데이터 스트림 중 하나가 할당됩니다. 그런 다음 E1부터 E3까지의 각 지구국에서는 지구국 E0의 전송 타이밍과 동기화된 방식으로 신호를 분할하고 데이터 스트림을 추출합니다.*6 참고로 위성 통신에는 1985년경부터 FDMA 외에 TDMA가 채택되었습니다.
*6 안정성을 보장하고 통신 간섭을 방지하기 위해 TDMA는 송신 측과 수신 측 간에 채널 전환 속도 등을 동기화해야 합니다. 지구국 E0은 동기화 제어를 위해 각 프레임의 시작 부분에 버스트라는 신호를 삽입합니다.
3.3 코드 분할 다중 액세스(CDMA)
CDMA는 사용자의 데이터 스트림이 고유 식별 코드와 혼합된 신호를 생성하고 모든 사용자의 신호가 동일한 주파수 대역 내에서 중첩되어 단일 전송 경로를 통해 전달됩니다(그림 6-1). CDMA는 2000년대 도입된 3세대 이동통신 시스템(3G)에서 휴대폰 통화를 전송하는 데 사용됩니다.
그림 6-2는 위성 통신에 CDMA를 사용하는 개념도를 보여줍니다. 이전 섹션에서와 마찬가지로 그림 6-2는 그림 3에 기반하여 하나의 송신 측(지구국 E0)과 다수의 수신 측(지구국 E1 ~ E3)을 사용하여 다중화된 데이터 신호를 전송하는 배열을 보여줍니다.
지구국 E0은 수신 측 지구국 E1~E3에 할당된 식별자 코드를 각 지구국을 대상으로 하는 데이터 신호와 혼합하여 원래 데이터 신호보다 주파수 대역이 넓은 신호를 생성하고 이를 합산하여 다중화된 신호를 만들어 위성 중계기로 전송합니다.
지구국 E1~E3은 각각 위성 중계기에서 다중화된 신호를 수신하고, 지구국 식별 코드를 혼합하여 신호를 나눈 다음, 자신의 식별 코드와 일치하는 신호에서만 데이터를 추출합니다.
위성 통신에 CDMA가 채택된 것은 1990년대부터입니다.
4. 요약
지금까지 살펴본 바와 같이 다중 접속은 여러 사용자 간에 간섭 없이 무선 통신을 가능하게 한다는 측면에서 무선 통신에 중요한 기술입니다. 이제 이 글을 마무리하기 전에 조금 더 자세히 살펴보고자 합니다.
다중 접속 방식은 시간이 지남에 따라 FDMA에서 TDMA, CDMA로 진화하면서 더욱 발전해 왔지만, 이러한 발전과 함께 주파수 이용 효율*7의 증가는 무선 통신 발전의 핵심적인 측면이라고 해도 과언이 아닙니다. 예를 들어, 이동통신에서 주파수 이용 효율이 향상되면 사용자 수와 전송할 수 있는 전체 데이터 양을 모두 늘릴 수 있습니다.
이 기사에서 간략하게 다루고 있지만 현재 가장 널리 사용되는 이동통신 시스템인 4G에서 사용하는 다중 접속 방식은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)으로, CDMA를 사용하는 3G보다 2배의 주파수 이용 효율을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 반면 5G는 비직교 다중 액세스(NOMA)를 사용하는데, 이는 OFDMA보다 주파수 이용 효율이 훨씬 더 뛰어납니다.
다시 말해, 주파수 이용 효율을 높이기 위해 발전해 온 다중 접속은 향후 무선 통신의 발전과 보급 확대에 필수 불가결한 기술이라고 할 수 있습니다.
*7 주파수 사용 효율: 여기서는 주파수 대역폭 단위당 데이터 전송 속도(초당 비트(bps)/Hz 단위)로 간단히 이해할 수 있습니다. 주파수 사용 효율은 스펙트럼 효율 또는 대역폭 효율이라고도 합니다.
인덱스: FDMA, TDMA 및 CDMA 다중 액세스(2)
< 칼럼 > 멀티플렉싱의 작동 원리: FDM, TDM 및 CDM
< 칼럼 > 스마트폰 기술 사양에 나오는 FDD-LTE와 TD-LTE 용어 설명
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