[Data Communication] 물리 계층에서의 다중화

 

 

 

여러 사람이 동시에 이야기하면 같은 주파수, 같은 시간에 간섭이 발생해 무슨 말을 하는지 알아듣기 어렵다. 

 

마찬가지로.. 여러 개의 전화기나 컴퓨터도 동시에 서로 같은 전송 매체를 통해 통신하려 하면, 신호가 겹치고 충돌이 발생해 서로의 데이터를 제대로 수신할 수 없다.

 

케이블, 무선, 광섬유 등 통신 채널은 한정되어있고, 여러 기기가 동시에 사용하려면 한 채널에서 여러 데이터를 보내는 기술이 필요하다.

이 기술을 Multiplexing이라고 부르고, 송신 측에서는 Multiplexing으로 데이터를 전송했다면 수신 측에서는 Demultiplexing으로 합쳐진 데이터를 개별 데이터로 분리하는 작업을 수행해야 한다. 

 

TDM : 시간 단위로 나눠서 각각 전송하는 기법을 의미한다.

FDM : 서로 다른 주파수 대역을 사용해 통신하는 기법을 의미한다. 

WDM : 여러 파장을 동시에 사용해서 데이터를 전송하는 기법을 의미한다. (광 케이블)

CDM : 서로 다른 코드로 동시에 전송하는 기법을 의미한다.

 

Multiplexing 방식에는 위와 같이 여러 방식이 있고, 실제 통신에서는 여러 기법을 섞어서 사용하기도 한다. 

실제로 WiFi와 Bluetooth는 같은 2.4GHz 대역폭을 사용하지만 채널 분할과 멀티플렉싱 기술을 사용해 서로 간섭을 피한다.

 

학교의 IP 주소가 168.188.x.y 로 시작한다고 생각해보자.

x와y의 조합으로 할당할 수 있는 IP의 개수는 2^16개이고, 이 학교에는 최대 2^16개의 기기에게 IP 주소를 할당할 수 있다. 

공유기는 주소가 하나인데, 통신사는 학교와 연결되어 있고 학교가 IP를 할당해 준 기기들은 결국 통신사와 연결된다. 

 

만약 학생이 7만명이면.. 할당할 수 있는 IP주소가 부족해 이론상 통신사에 접속할 수 없는 학생도 생길 수 있다.

(실제로는 동시 접속자가 7만이 되는 경우는 없기에.. IP 회수 기법으로 원활하게 작동한다)

 

MUX에서 자주 사용하는 방식은 FDM이다. 

1MHz 대역폭을 4개의 채널로 쪼갠다고 생각해보자. 채널 한개당 250KHz 주파수를 가지게 된다. 

250KHz 채널에서 1Mbps로 비트를 전송한다면.. 

 

 

 

실제로 비트를 전송할 때는 QAM을 사용한다.

다중화를 길을 나눌 뿐이고, 모뎀을 사용해서 데이터를 운반한다.

 

전화 다중화를 할 때도 위와 같이 FDM 기반 MUX를 사용하는데.. 주파수 대역폭이 작아지니 음질은 저하된다.

 

 

 

 

TDM은 디지털 기술으로 시간을 전송단말기에 나누어주는 방식이다.

 

주파수만 나눠서 사용한다면 사용 가능한 주파수 자원이 제한되기 때문에, 동시에 많은 사용자가 접속해야 하는 시스템에서는 대역폭 낭비 없이 효율적으로 자원을 나누기 어려워 시간을 잘게 나눠 여러 사용자가 순차적으로 데이터를 전송하는 방식인 TDM이 도입됐다. 

 

모든 사용자가 같은 주파수를 공유하되, 자신에게 할당된 시간에만 데이터를 전송하도록 해 동시에 다수의 사용자 데이터를 하나의 채널로 Multiplexing한다.

 

목소리의 최고 주파수는 4000이니.. Nyquist 공식을 사용하면 1초에 8000 비트를 전송해야 한다.

일반적으로 각 샘플을 8비트로 양자화하니 목소리를 전송할 때는 64kbps의 전송률이 필요한데..

TDM 방식에서는 이러한 사용자 각각의 64kbps 데이터를 시간 단위로 묶어서 여러 명의 사용자 데이터를 순차적으로 하나의 프레임에 넣어 전송할 수 있다. 

 

 

 

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안테나는 전기 신호를 전자기파로 방사하거나 전자기파를 전기 신호로 변환하는 역할을 수행하는 물리 계층의 하드웨어이다.

무선 통신 환경에서는 안테나를 통해 데이터를 주고받고, 실제로는 사인함수 형태의 전자기파가 송수신된다.

 

무선 통신은 대역폭이 3kHz ~ 300 GHz인 Radio Frequency를 사용하지만..

고주파수 중 대부분은 이미 TV, 라디오, 인공위성, 핸드폰이 선점해서 점점 더 높은 주파수를 사용할 수 밖에 없다.

 

주파수가 높아지면 파장이 짧아져 신호가 쉽게 감쇠되고 장애물에 약해져 신호를 멀리 보내기 어려워진다.

 

주파수는 한정된 자원으로 정부의 허가가 있어야 사용할 수 있지만, 2.4GHz / 5.0GHz / 6.0GHz 주파수는 누구나 사용할 수 있도록 비면허 대역으로 개방되어 있어 우리도 와이파이 공유기를 자유롭게 설치할 수 있다.

 

모두가 자유롭게 사용하다 보니..

주변 공유기, 블루투스, 전자레인지 등 같은 대역폭을 사용하는 기기들과 간섭이 발생할 수 있다.

출력 전력이 너무 높거나 좁은 공간에 여러 기기가 몰려있으면 채널 중첩과 혼선으로 연결이 불안정해질 수 있다.

 

RAN(Radio Access Network)은 핸드폰과 통신사의 Core Network를 연결해주는 네트워크로, 핸드폰으로부터 발생한 전파는 RAN을 통해 Core Network로 이어진다. 

통신사가 기지국을 전국에 깔아뒀기에 어디서든 전화나 셀룰러 데이터를 사용할 수 있다.

 

초기에는 통신사별로 주파수가 달라서 같은 위치여도 특정 통신사를 사용하는 핸드폰만 전화가 잘 터지는 경우가 있었는데, 요즘은 기지국의 개수를 대폭 늘려서 주파수별 차이가 거의 존재하지 않는다. 

 

 

 

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Throughput : A -> B로 전송하는 단위 시간당 디지털 전송률 

iperf, speedtest.net 으로 측정할 수 있다. 

 

프레임 간 간격, 충돌, 지연, 유휴 시간으로 인해 실제 측정하는 처리율은 항상 최대 대역폭보다 낮다.

 

전송시간 - 송신 장치에서 전송매체로 보내는 시간을 의미한다. 

전파시간 - 물리적 케이블을 따라 이동하는 시간을 의미한다. 

큐잉시간 - 큐에서 대기하는 시간을 의미한다.