시분할 다중화
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1. 개요
시분할 다중화(TDM)는 여러 신호를 단일 전송 회선을 통해 동시에 전송하는 기술이다. 펄스의 연속을 기반으로 하며, 펄스 진폭, 펄스 폭, 펄스 위치를 변조하는 방식을 사용한다. 펄스 부호 변조(PCM)는 잡음의 영향을 줄여 우주 통신 등 원거리 통신에 활용된다. 시분할 다중화는 전신 분야에서 처음 개발되었으며, 여러 통신 기술의 발전을 거쳐 현재 디지털 데이터, 이동 통신 시스템, 공중 전화망 등 다양한 분야에서 사용된다. 통계적 시분할 다중화(STDM)는 대역폭을 효율적으로 사용하며, 동적 TDMA는 각 데이터 스트림의 트래픽 요구에 따라 가변적인 시간 슬롯을 할당한다. 디지털 신호를 계층적으로 다중화하는 디지털 하이아라키는 국제 통신을 위해 동기식 디지털 하이아라키(SDH)로 발전했다.
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| 시분할 다중화 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 설명 | 디지털 신호의 다중화 기술 |
| 유형 | PDH SONET/SDH ISDN T-캐리어 E-캐리어 |
| 기술적 특징 | |
| 원리 | 여러 신호 채널이 시간 슬롯을 할당받아 전송 |
| 전송 매체 | 하나의 통신 채널 |
| 데이터 유형 | 디지털 데이터 |
| 효율성 | 채널 활용도 극대화 |
| 장점 | 구현 용이 비용 효율적 |
| 단점 | 동기화 필요 높은 대역폭 요구 |
| 활용 분야 | |
| 통신 시스템 | 전화 통신망 데이터 통신 |
| 디지털 방송 | 디지털 TV 방송 |
| 관련 기술 | |
| 다중화 방식 | 주파수 분할 다중화(FDM) 코드 분할 다중화(CDM) 파장 분할 다중화(WDM) |
| 동기화 기술 | 위상 고정 루프(PLL) |
| 표준 | |
| 관련 표준 | ITU-T G.703 ANSI T1.102 |
2. 종류
시분할 방식에는 여러 가지 형식이 있다. 어느 방식이나 펄스의 연속이 바탕이 되어 있으며, 펄스 진폭 변조(PAM), 펄스폭 변조(PWM), 펄스 위치 변조(PPM) 등 다양한 변조 방식을 사용한다.[1]
시분할 다중화는 여러 채널의 디지털 신호나 부호화된 음성 신호 등을 순서대로 나열하여 전송한다. 예를 들어, 그림과 같이 4개의 채널 신호를 8비트씩 배치하면 채널 1 (빨강)의 신호가 8비트 이어진 후 채널 2 (파랑)의 신호가 8비트, 채널 3 (녹색)의 신호가 8비트, 마지막으로 채널 4 (노랑)의 신호가 8비트 나열되고 다시 채널 1의 신호부터 순서대로 배치된다. 이처럼 각 채널의 신호가 정해진 비트 수마다 반복된다. 이 한 바퀴의 펄스 열을 프레임이라고 하며, 반복 주기를 나타내기 위해 프레임의 처음에 프레임 동기 펄스가 삽입된다.
지연 없이 전송하기 위해서는 전송 속도가 모든 채널의 합계 값을 초과해야 한다. 예를 들어, 1개 채널의 전송 속도가 64kbps인 신호 4개 채널을 다중화한 경우, 전송 속도는 4배인 256kbps 이상으로 해야 한다. 송신 측에서는 다중화 장치 (multiplexer)를 사용하여 다중화를 수행하고, 전송로에서 전송한 후 수신 측에서 분리 장치 (demultiplexer)를 사용하여 다중화된 신호를 각 채널로 분리한다. 송신 측과 수신 측의 동기를 맞추기 위해 동기 신호가 추가된다. 또한, 위성 통신에서는 간섭을 방지하기 위해 가드 타임을 설정한다. 신호의 변조 방식에는 위상 편이 변조나 직교 진폭 변조 등이 있다.
중요한 시분할 방식으로는 펄스 부호 변조(PCM) 방식이 있다.[1]
2. 1. 펄스 진폭 변조 (PAM)
신호 전류의 파형(波形)에 따라 펄스의 강도(진폭)를 바꾸어 변조한다.[1]2. 2. 펄스폭 변조 (PWM)
펄스 폭 변조(PWM)에서는 펄스의 폭을 변화시켜 변조한다.[1]2. 3. 펄스 위치 변조 (PPM)
펄스 위치 변조(PPM)에서는 펄스의 위치를 전후로 어느 정도 거리를 두도록 하여 변조한다.[1]2. 4. 펄스 부호 변조 (PCM)
펄스를 진폭 변조한 후 각 펄스의 진폭 크기를 몇 단계로 나누어 수치로 표시(양자화)한다. 양자화(Quantization)는 연속적인 양을 몇 가지 단계로 나누어서 흩어진 숫자로 표시하는 것을 말한다. 이 수치는 0과 1의 조합으로 표시되는 이진법으로 나타낸다. 1과 0으로 각각 펄스의 유무를 나타낸다면 진폭이 변화하는 펄스의 계열을 몇 가지 일정한 진폭의 펄스 조합으로 표시할 수 있다.| 펄스 조합 | 표현 가능한 수치 |
|---|---|
| 5개 | 32개 |
시분할 다중화는 주로 디지털 데이터 신호에 사용되지만, 펄스 진폭 변조와 같은 아날로그 다중화에도 적용될 수 있다.[4] 시간 영역은 각 서브 채널에 대해 고정된 길이의 여러 반복적인 '시간 슬롯'으로 나뉜다. 서브 채널 1의 샘플 바이트 또는 데이터 블록은 시간 슬롯 1 동안, 서브 채널 2는 시간 슬롯 2 동안 전송되는 방식이다. 하나의 TDM 프레임은 서브 채널당 하나의 시간 슬롯과 일반적으로 동기화 채널, 때로는 오류 수정 채널로 구성된다. 이 모든 과정이 끝나면, 서브 채널 1의 두 번째 샘플, 바이트 또는 데이터 블록을 시작으로 새로운 프레임으로 주기가 다시 시작된다.
32단계의 진폭을 나타낼 수 있다. 예를 들어 0-30V의 전압을 1V마다 나누어서 양자화하면 32개의 수치가 되고, 이것을 5개의 펄스 조합으로 부호화(코드화)하는 것이다. 이 PCM 통신을 수신하는 측에서는 펄스 부호를 PAM으로 변환시켜 신호를 끄집어낸다.
PCM이 이처럼 복잡한데도 불구하고 중요시되는 것은 정보를 부호화함으로써 잡음의 영향을 크게 감소시킬 수 있다는 점에 있다. 이 방식에서는 정보는 항상 펄스의 유무에 따라 표시되기 때문에 수신 측에서는 그 유무만을 파악해 두면 좋다. 따라서 잡음이 들어 있는 펄스의 강도(진폭)가 다소 불규칙하게 변화하더라도 그 영향이 작다. 이로 인해 PCM은 초(超)원거리의 극히 미약한 전파를 취급하는 우주 통신 등에도 흔히 이용되고 있다.
3. 역사
시분할 다중화는 전신 분야에서 여러 전송을 단일 전송 회선을 통해 동시에 라우팅하기 위해 처음 개발되었다. 1870년대에 에밀 보도는 여러 휴즈 전신 기계를 사용하는 시분할 다중화 시스템을 개발했다.[1]
1944년, 영국 육군은 무선 세트 No. 10을 사용하여 최대 50마일 떨어진 곳까지 마이크로파 중계를 통해 10개의 전화 통화를 다중화했다. 이를 통해 현장의 지휘관은 영국 해협을 넘어 영국에 있는 참모진과 연락을 유지할 수 있었다.[1]
1953년, RCA 커뮤니케이션즈는 뉴욕 브로드 스트리트에 있는 RCA 시설, 록키 포인트에 있는 송신소, 뉴욕 롱아일랜드 리버헤드에 있는 수신소 간에 오디오 정보를 전송하기 위해 24채널 시분할 다중화 장치를 상용화했다. 통신은 롱아일랜드 전역의 마이크로파 시스템을 통해 이루어졌다. 이 실험적인 TDM 시스템은 1950년부터 1953년까지 RCA 연구소에서 개발되었다.[2]
1962년, 벨 연구소의 엔지니어들은 벨 중앙 사무소 아날로그 스위치 간의 4선 구리 간선 회선을 통해 24개의 디지털화된 음성 통화를 결합하는 최초의 D1 채널 뱅크를 개발했다. 회선의 각 끝에 있는 '채널 뱅크'를 사용하면 단일 회선으로 최대 24개의 음성 통화의 짧은 부분(각각 초당 1/8000초)을 차례로 전송할 수 있었다. 간선 회선의 개별 신호는 1.544Mbit/s로 전송되었으며, 초당 8000개의 별도 '프레임'으로 나뉘었고, 각 프레임은 24개의 연속적인 옥텟과 하나의 프레이밍 비트로 구성되었다. 프레임의 각 옥텟은 차례로 단일 전화 통화를 전송했다. 따라서 24개의 음성 통화 각각은 64 kbit/s(각 방향으로 하나)의 두 개의 고정 비트 전송률 스트림으로 인코딩되었으며, 간선 회선의 수신단에 있는 보완 장비에 의해 기존의 아날로그 신호로 다시 변환되었다.[3]
4. 기술
시분할 다중화는 여러 채널의 디지털 신호나 부호화된 음성 신호 등을 순서대로 나열하여 전송한다. 예를 들어, 그림과 같이 4개의 채널 신호를 8비트씩 배치하면 채널 1 (빨강)의 신호가 8비트 이어진 후 채널 2 (파랑)의 신호가 8비트, 채널 3 (녹색)의 신호가 8비트, 마지막으로 채널 4 (노랑)의 신호가 8비트 나열되고 다시 채널 1의 신호부터 순서대로 배치된다. 이처럼 각 채널의 신호가 정해진 비트 수마다 반복된다. 이 한 바퀴의 펄스 열을 프레임이라고 하며, 반복 주기를 나타내기 위해 프레임의 처음에 프레임 동기 펄스가 삽입된다.
지연 없이 전송하기 위해서는 전송 속도가 모든 채널의 합계 값을 초과해야 한다. 예를 들어, 1개 채널의 전송 속도가 64kbps인 신호 4개 채널을 다중화한 경우, 전송 속도는 4배인 256kbps 이상으로 해야 한다.
송신 측에서는 다중화 장치 (multiplexer)를 사용하여 다중화를 수행하고, 전송로에서 전송한 후 수신 측에서 분리 장치 (demultiplexer)를 사용하여 다중화된 신호를 각 채널로 분리한다.
송신 측과 수신 측의 동기를 맞추기 위해 동기 신호가 추가된다. 또한, 위성 통신에서는 간섭을 방지하기 위해 가드 타임을 설정한다.
신호의 변조 방식에는 위상 편이 변조나 직교 진폭 변조 등이 있다.
5. 응용 분야
TDM은 더 나아가 여러 스테이션이 동일한 물리적 매체에 연결되어 동일한 주파수 채널을 공유하는 경우 통신할 수 있는 시분할 다중 접속 (TDMA) 방식으로 확장될 수 있다. 응용 분야의 예는 다음과 같다.
6. 다중화된 디지털 전송
공중 전화망(PSTN)과 같은 회선 교환 네트워크에서는 동일한 전송 매체를 통해 여러 가입자 통화를 전송하여 매체의 대역폭을 효과적으로 활용하는 것이 바람직하다.[5] 시분할 다중화는 전송 및 수신 전화 교환기가 전송 스트림 내에 채널(''지선'')을 생성할 수 있도록 한다. 표준 DS0 음성 신호는 64kbit/s의 데이터 전송률을 갖는다.[5][6] 시분할 다중화 회로는 훨씬 더 높은 신호 대역폭으로 실행되어 전송기가 회선에 다중화하는 각 음성 신호에 대해 대역폭을 프레임(타임 슬롯)으로 나눌 수 있다. 시분할 다중화 프레임이 ''n''개의 음성 프레임으로 구성된 경우, 회선 대역폭은 ''n''*64kbit/s이다.[5]
시분할 다중화 프레임의 각 음성 타임 슬롯을 채널이라고 한다. 유럽 시스템(E1)의 경우, 표준 시분할 다중화 프레임은 30개의 디지털 음성 채널을 포함하고, 미국 시스템(T1)의 경우 24개의 채널을 포함한다. 두 표준 모두 신호 및 동기화 비트를 위한 추가 비트(또는 비트 타임 슬롯)도 포함한다.[5]
24개 또는 30개 이상의 디지털 음성 채널을 다중화하는 것을 ''고차 다중화''라고 한다. 고차 다중화는 표준 시분할 다중화 프레임을 다중화하여 수행된다. 예를 들어, 유럽의 120개 채널 시분할 다중화 프레임은 4개의 표준 30개 채널 시분할 다중화 프레임을 다중화하여 형성된다. 각 고차 다중화에서, 즉시 하위 차수의 4개의 시분할 다중화 프레임이 결합되어 ''n''*64kbit/s의 대역폭을 가진 다중화(여기서 ''n'' = 120, 480, 1920 등)를 생성한다.[5]
7. 통신 시스템
동기식 TDM에는 T1, SONET/SDH 및 ISDN의 세 가지 유형이 있다.[7]
준동기식 디지털 계층(PDH)은 고차 프레임을 다중화하기 위한 표준으로 개발되었으나, 몇 가지 단점으로 인해 동기식 디지털 계층(SDH)으로 대체되었다. SDH는 대부분의 PSTN 네트워크에서 기본 전송 프로토콜이 되었다. 1.544Mbit/s 이상의 스트림을 다중화하여 동기식 전송 모듈(STM)로 알려진 더 큰 SDH 프레임을 만들 수 있다. STM-1 프레임은 155.52Mbit/s 프레임을 만들기 위해 다중화된 더 작은 스트림으로 구성된다. SDH는 이더넷, PPP 및 ATM과 같은 패킷 기반 프레임도 다중화할 수 있다.[5][6]
실제 통신 시스템에서는 주파수 분할 다중화와 마찬가지로 계층적으로 다중화를 수행한다. 이 현상을 하이아라키(hierarchy), 디지털 신호의 경우 특히 디지털 하이아라키(digital hierarchy)라고 한다. 각 채널의 신호(0차군)에서 시분할 다중화를 수행하여 생성된 디지털 신호를 1차군이라고 한다. 이 1차군의 다중화 신호를 여러 채널 다중화하여 2차군 신호를 형성하며, 순차적으로 신호를 다중화하여 고속 디지털 신호로 만든다. 디지털 통신망은 이렇게 다중화된 다양한 계층의 전송계를 필요에 따라 연결하여 구성된다. 그러나 국가별로 계층 구조가 달랐기 때문에 국제 간 통신의 활발함에 따라 계층 구조를 세계적으로 통일할 필요성이 생겼고, 그 결과 동기식 디지털 하이아라키(SDH)가 탄생하였다.
7. 1. SDH의 요구 사항
동기식 디지털 계층(SDH) 개발을 추진한 요구 사항은 다음과 같다.[5][6]| 요구 사항 | 설명 |
|---|---|
| 동기식 | 시스템의 모든 클럭은 기준 클럭과 일치해야 한다. |
| 서비스 지향적 | SDH는 중간 교환국에 관계없이 종단 교환국에서 종단 교환국으로 트래픽을 라우팅해야 하며, 대역폭은 고정된 기간 동안 고정된 수준으로 예약할 수 있다. |
| 임의 크기의 프레임 삽입/제거 | 어떤 크기의 프레임이든 SDH 프레임에 삽입하거나 제거할 수 있어야 한다. |
| 관리 데이터 전송 | 링크를 통해 관리 데이터를 전송할 수 있어 쉽게 관리할 수 있어야 한다. |
| 높은 수준의 복구 | 고장으로부터 높은 수준의 복구를 제공해야 한다. |
| 높은 데이터 속도 | 기술에 의해서만 제한되는 모든 크기의 프레임을 다중화하여 높은 데이터 속도를 제공해야 한다. |
| 비트 오류율 감소 | 비트 오류율을 줄여야 한다. |
7. 2. SDH 네트워킹 기능
SDH는 전송 프로토콜(OSI 참조 모델의 계층 1)로 간주되지만, 일부 스위칭 기능도 수행한다.[5] 가장 일반적인 SDH 네트워킹 기능은 다음과 같다.- '''SDH 크로스커넥트''' - 시분할-공간-시분할 크로스포인트 스위치의 SDH 버전이다. 입력의 모든 채널을 출력의 모든 채널에 연결한다. SDH 크로스커넥트는 모든 입력과 출력이 다른 교환국에 연결된 중계 교환국에서 사용된다.[5]
- '''SDH 가감 멀티플렉서''' - SDH 가감 멀티플렉서(ADM)는 1.544Mb까지 모든 다중화된 프레임을 추가하거나 제거할 수 있다. 이 수준 미만에서는 표준 TDM을 수행할 수 있다. SDH ADM은 SDH 크로스커넥터의 작업도 수행할 수 있으며 가입자의 채널이 코어 PSTN 네트워크에 연결되는 종단 교환국에서 사용된다.[5]
SDH 네트워크 기능은 고속 광섬유를 사용하여 연결된다. 광섬유는 빛 펄스를 사용하여 데이터를 전송하므로 매우 빠르다. 최신 광섬유 전송은 섬유를 통해 전송되는 신호가 서로 다른 파장에서 전송되어 전송을 위한 추가 채널을 생성하는 파장 분할 다중화(WDM)를 사용한다. 이는 링크의 속도와 용량을 증가시켜 단위 비용과 총 비용을 모두 절감한다.[5][6]
8. 통계적 시분할 다중화 (STDM)
통계적 시분할 다중화(STDM)는 시분할 다중화(TDM)의 고급 버전으로, 터미널 주소와 데이터 자체를 함께 전송하여 라우팅을 개선한다. STDM을 사용하면 대역폭을 하나의 회선으로 분할할 수 있다. 많은 대학 및 기업 캠퍼스에서 이 유형의 TDM을 사용하여 대역폭을 분산시킨다.
STDM은 10Mbit 회선을 사용하여 178개의 터미널에 전용 56k 연결을 제공할 수 있지만(178 * 56k = 9.96Mb), 필요한 만큼의 대역폭을 필요할 때만 제공하는 것이 더 일반적이다. STDM은 각 터미널에 대한 시간 슬롯을 예약하지 않고, 터미널이 데이터를 송수신해야 할 때 슬롯을 할당한다.
TDM은 기본 형태에서 고정된 수의 채널과 채널당 일정한 대역폭을 가진 회선 교환 통신에 사용된다. 대역폭 예약은 TDM을 통계적 시분할 다중화와 같은 통계적 다중화와 구별한다. 순수한 TDM에서는 시간 슬롯이 고정된 순서로 반복되며 채널에 미리 할당된다.
동적 TDMA는 스케줄링 알고리즘을 사용하여 가변 비트율 데이터 스트림에 가변 수의 시간 슬롯을 동적으로 예약한다.[8]
비동기식 시분할 다중화(ATDM)[7]는 STDM이 고정된 시간 슬롯을 사용하는 구식 방식인 동기식 시분할 다중화를 지정하는 대체 명칭이다.
8. 1. 동적 TDMA 사용 예시
동적 TDMA에서 스케줄링 알고리즘은 각 프레임에서 가변 비트율 데이터 스트림에 가변 수의 시간 슬롯을 동적으로 예약하며, 이는 각 데이터 스트림의 트래픽 요구에 따라 결정된다.[8] 동적 TDMA는 다음과 같은 곳에서 사용된다.- HIPERLAN/2
- 동적 동기 전송 모드
- IEEE 802.16a
9. 디지털 하이아라키 (다중화 계층)
실제 통신 시스템에서는 주파수 분할 다중화와 마찬가지로 계층적으로 다중화를 수행한다. 이 현상을 하이아라키(hierarchy)라 하며, 디지털 신호의 경우 특히 디지털 하이아라키(digital hierarchy)라고 한다. 우선 위에서 언급한 각 채널의 신호(0차군)에서 시분할 다중화를 수행한다. 이로 인해 생성된 디지털 신호를 1차군이라고 한다. 다음으로, 이 1차군의 다중화 신호를 여러 채널 다중화하여 2차군 신호를 형성한다. 이처럼 순차적으로 신호를 다중화하여 고속 디지털 신호로 만들어간다. 디지털 통신망은 이렇게 다중화된 다양한 계층의 전송계를 필요에 따라 연결하여 구성된다. 그러나 이 계층 구조는 국가별로 달랐기 때문에, 국제 간 통신이 활발해짐에 따라 계층 구조를 세계적으로 통일할 필요성이 생겼다. 그 결과 탄생한 것이 동기식 디지털 하이아라키(SDH)이다.
참조
[1]
웹사이트
Wireless Set No. 10
https://histru.bourn[...]
[2]
특허
Time Division Multiplex System for Signals of Different Bandwidth
[3]
웹사이트
ATM: Origins and State of the Art
http://www.dit.upm.e[...]
Universidad Politécnica de Madrid
1998-08-31
[4]
논문
Analogue time division multiplexing
https://doi.org/10.1[...]
Taylor & Francis
[5]
서적
Integrated Digital Communications
School of Electrical and Information Engineering, University of the Witwatersrand
[6]
웹사이트
Understanding Telecommunications
http://www.ericsson.[...]
[7]
서적
Data Communications and Computer Networks
https://archive.org/[...]
Thomson Course Technology
[8]
서적
Fundamentals of Mobile Data Networks
Cambridge University Press
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