사람이 많은 장소에서 대화를 하면, 대화의 소리가 잘 들리지 않을 때가 있습니다. 또, 유독 어느 사람의 목소리는 또 잘 들리는 경우가 있습니다.
지난 시간에 라인 코딩, 블록 코딩등을 통해 디지털 데이터를 디지털 신호로 만들어 전송하는 것을 배웠습니다. 그렇다면 케이블로 연결된 컴퓨터끼리 어떻게 통신할 수 있는지에 대한 감은 좀 옵니다. 하지만 일반적인 상황에서 여러대의 컴퓨터는 동시에 인터넷에 연결되어 작동합니다. 그러면 그 많은 컴퓨터 (케이블) 가 중앙의 어떤 서버로 모조리 연결되는 걸까요? 그것은 잠깐 생각해봐도 물리적으로 굉장히 어려울 것임을 쉽게 생각할 수 있습니다. "여러개의 케이블을 한 번에 모아 전송할 수 있는 방법이 있지 않을까?" 도 짐작해볼 수 있습니다.
그렇다면 여러대의 컴퓨터는 어떻게 동시 연결되어 통신할 수 있는 것일까요? 이제부터 알아봅시다.
아까 사람이 많은 장소에서 대화하는 상황을 다시 떠올려 봅시다. 사람이 많아서 대화하기 어려운 이유는 여러 사람이 '비슷한 주파수로' '동시에 이야기' 하기 때문입니다. 그렇다면 여러사람이 '다른 주파수로' '시간을 나누어' 이야기하면 이 문제를 해결할 수 있을 것이라 짐작할 수 있습니다.
그러면 "여러대의 컴퓨터 주파수, 시간을 나누면 동시에 여러대의 컴퓨터가 통신할 수 있지 않을까?" 도 생각해볼 수 있습니다.
지금까지 한 이야기를 바탕으로 몇가지 용어의 정의에 대해 알아봅시다.
- Multiplexing : 1개의 물리적 통로에 여러 개의 연결을 섞어서 보내는 기술
- FDM(Frequency division multiplexing) -> 주파수 분리
- TDM(Time division multiplexing) -> 시간 분리
- WDM(Wavelength division multiplexing) -> 파장 분리
오! 우리가 짐작하던 기술 Multiplexing 이 등장했습니다. 여러개의 통신 선을 하나로 묶어서 전달할 수 있다면 선으로 인해 차지되는 물리적 공간의 양도 줄어들 것입니다.
위와 같은 Multiplexing 을 수행하는 방법으로 TDM (Time Division Multiplexing), FDM (Frequency Division Multiplexing) 등이 있습니다.
1. Multiplexing Case 1. FDM
FDM (Frequency Division Multiplexing) 은 이름 그대로 주파수를 분리하여 Multiplexing 을 수행합니다. 위의 그림에서 볼 수 있듯 디지털 데이터를 서로 다른 carrier frequency 를 이용해 아날로그로 Modulation 을 하고 FDM 이 이를 하나로 합쳐 하나의 신호로 만듭니다.
그렇다면 수신하는 측에서는 이 하나의 신호를 다시 여러개의 신호로 분리해야합니다. 이를 DEMUX (Demultiplexer) 가 수행합니다.
FDM 을 이용하여 채널을 다중화 하는 예시를 살펴봅시다.
FDM 을 사용하여 다중화하는 구체적 사례를 살펴봅시다.
위 그림에서 살펴보면 12개의 전화가 하나의 Group 으로 묶여 FDM 에 의해 다중화됩니다. 그리고 5개의 Group 이 하나의 SuperGroup 으로 묶여 다중화됩니다. 이후 MasterGroup, JumboGroup 으로 다중화됩니다.
2. Multiplexing Case 2. TDM
TDM (Time Division Multiplexing) 또한 이름에 나와있듯이, 시간을 분할하여 Multiplexing 을 수행합니다. 조금 더 자세히 살펴봅시다.
위 그림을 보면 A, B, C 단말기에서 데이터를 전송합니다. 이 세 단말기를 MUX 로 연결하여 MUX 는 3개 단말기의 T초 동안의 데이터를 하나의 프레임으로 묶어 전송합니다.
- input slot 의 duration 은 T
- output slot 의 duration 은 T/3
- frame 의 duration 은 T
- output frame rate 는 1/T
- output bit rate frame 은 3Kbps 가 됩니다.
다음 예시도 살펴봅시다.
질문 1. 1/1M = 1µs
질문 2. 1µs / 4 = 0.25µs
질문 3. 4Mbps
질문 4. 1MHz
질문 1. 800bps
질문 2. 1000Hz
마지막으로 TDM 을 이용해 전화를 다중화하는 예시를 살펴보겠습니다. 이전 FDM 에서는 서로 다른 carrier frequency 를 사용하여 Multiplexing 을 진행했습니다. 이번에는 time division 을 이용하여 Multiplexing 을 수행합니다.
사람의 목소리 4KHz 를 PCM 으로 1Sample 당 8bits 8000개의 Sampling Rate 로 샘플링 한 후 전송한다고 하면 bit rate 은 64kbps 가 됩니다. 이런 64kbps 속도의 단말기 24대를 Multiplexing 하여 전송합니다. 이 때 각 단말기에서 나오는 1개의 샘플씩 묶어 총 24개의 샘플을 하나의 프레임으로 만들어 전송합니다. 즉, 다음 그림과 같아집니다.
프레임을 구분하기 위한 1 bit 이 overhead 가 되어 T-1 Line 의 bit rate 은 24*64kbps + 8kbps 가 됩니다.
이렇게 여러대의 기기가 통신할 때 한 번에 데이터를 묶어 전송할 수 있는 기술인 Multiplexing 의 개념과 그 구현 방법인 FDM, TDM 에 대해 중점적으로 알아보았습니다.
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