다중 접속 이론, FDMA, TDMA, CDMA

다중 무선 설비

 다중 무선 설비란 하나의 통신회선에 의해서 2개 이상의 신호를 동시에 송수신이 가능한 통신 방식으로 정의됩니다. 유한한 자원인 전파의 효율적인 이용을 위하여 할당된 주파수 대역을 이용하여 다수의 국이 공통의 통신로를 설정하는 경우가 있습니다. 이를 다중접속, Multiple Access라고 합니다. 접속 방법에 따라서 주파수 분할 다중 접속 (FDMA:Frequency Division Multiple Access), 시분할 다중 접속(TDMA:Time Division Multiple Access), 부호 분할 다중접속(CDMA:Code Division Multiple Access) 등으로 나눌 수 있습니다. 또한, 회선의 할당 방식에 따라서 고정 할당, 요구할당이나 임의 접속의 방식으로 구분할 수 있습니다.

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FDMA 주파수 분할 다중 접속

 합창과 비슷하게 여러 명에게 각각의 파트별로 노래를 부르게 하여서, 청중이 원하는 파트의 음 하나만을 들을 수 있게 하는 것과 같습니다. 즉, 각각의 파트는 독립된 채널이고, 여러 파트의 음은 독립된 신호입니다. 결국 여러 음을 하나로 묶어서 다중창의 노래를 부르게 하고 듣는 사람이 여러 파트의 노래 중에 하나의 파트의 음을 들을 수 있게 하는 기술이라고 할 수 있습니다. FDMA 방식은 여러 개의 채널을 이용하여, 같은 시간에 여러 개의 주파수를 방사하고, 수신하는 쪽에서도 골라서 수신할 수 있는 방식으로 라디오에서 많이 이용합니다. 

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 FDMA, 주파수 분할 다중 접속은 가장 기본적인 주파수 활용 방식입니다. 주파수 분할 다중 접속 방식은 주어진 주파수 대역폭을 일정한 대역폭으로 나누어 통신 가입자에게 할당합니다. 다수의 가입자가 동시에 통화를 할 수 있게 만들어 줍니다. 가입자가 상호 간의 간섭을 피하기 위해서 각각의 통신 채널 사이에 Guard Band라는 보호 대역을 가지고 있습니다. 이 보호 대역은 아날로그 셀룰러 시스템인 AMPS(Advanced Mobile Phone system)에 적용되고 있습니다. 

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 주파수의 대역폭을 줄여서 더 많은 채널을 생성할 수도 있습니다. 하지만 사람의 목소리는 300~3400Hz이기 때문에 이러한 사람의 음성을 실어서 전송하려면 주파수 대역폭은 적어도 3,400Hz 이상이 되어야 합니다. 이는 이론상 수치이고 여러 변수와 노이즈까지 고려하여 실질적으로는 30kHz 정도로 설계합니다. 다만 주파수 스펙트럼을 다양한 형태로 분할하여서 주파수 대역이 겹치지 않도록 하는 것에 심혈을 기울여야 합니다. 또한, 주파수가 별도의 반송파로 독립되어 있어서, 사용자의 접속 방법이나 접속 순서가 대체로 간단하지만, 회선의 설정을 변경하기가 어렵고, 여러 가지 전송속도를 가지는 데이터에 대한 처리도 어렵습니다. 그렇기 때문에 디지털 신호와의 비화성이 적습니다. 그리고, 각각의 회선마다 대역폭과 보호대역이 필요하기 때문에 주파수 이용효율이 다른 방식에 비해서 떨어집니다. 각 회선의 대역을 줄이기 위해서 필터 조건을 엄격하게 해야 하고, 지나치게 줄였을 때 인접 채널의 간섭을 완전히 배제할 수 없게 됩니다. 결국 FDMA 방식은 아날로그의 방식으로 복수의 통화 채널을 구성해야 하는 스펙트럼 대역의 부담을 가지고 있어서 예전의 셀룰러 방식에 이용되었으나 현재 디지털 방식에 밀려나는 추세입니다.

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TDMA, 시간 분할 다중접속

 토론과 같이 여러 사람이 이야기를 할 때 한 사람씩 순서를 정하여 순서에 따라 말하는 것과 같습니다. 한 사람에게 말하는 시간을 일정한 간격으로 나누고, 듣는 사람은 원하는 사람의 이야기만을 순서대로 받아보게 합니다. 예전에 주로 사용되었던 공중전화와 같습니다. TDMA는 일정한 주파수 대역을 시간상으로 분할하여 전송하려는 정보들을 시간 차이를 두고 보냅니다. 수신 시에는 시간 차이를 두고 복원함으로써 원래의 신호를 재생하게 됩니다. 이 방식은 유럽, 미국, 일본 등지에서 많이 이용되었고, 실용성이 검증되어서 기존의 아날로그 방식에 대비하여 2배 내지는 3배 정도의 수용 용량을 가지는 것이 장점입니다. 하지만 일정한 대역을 여러 채널로 할당하여서 주어진 채널의 주파수의 범위 내에서만 정보를 다중화할 수 있는 특성으로 인하여 폭발적인 수요에는 대처가 미흡하였습니다. 

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 TDMA의 채널은 시간 간격이라고 할 수 있습니다. 일반적인 경우는 FDMA에서 사용하는 1개의 채널을 6개의 타임슬롯으로 나눕니다. TDMA는 FDMA에 비해서 수용 용량이 6배 정도로 주파수 이용 효율이 높으며, 전환과정에서 속도향상과 편리성을 위해 신호의 강도와 비트의 오차율을 프레임이라는 단위로 관찰할 수 있습니다. 또한, 설정 변경이 유연하며, 접속 수가 증가하여도 용량이 좋아 괜찮지만, 회로와 제어장치가 복잡하게 구성되는 단점이 있습니다. 여기서 파생된 접속 방식으로 GSM 방식이 있습니다.

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[그림 1] - 노키아 1280. FDMA와 CDMA와 같이 널리 쓰인 GSM 방식이 적용된 폰입니다.

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CDMA, 코드분할다중접속

 코드 분할 방식은 대역 확산 기술을 활용하여서 일정한 주파수 대역을 채널로 분할하지 않고, 전체 대역 내에서 각각의 정보를 특정 부호 및 시간 차이로 분할하여, 동시에 보내고 수신 쪽에서 전체 대역 내에 포함된 아주 많은 정보 중에서, 송신 시에 사용한 부호와 시간 차이를 갖는 정보만을 골라내어서 정보를 재생해 내는 통신 방식입니다. CDMA는 다중화 범위를 특정 채널 주파수가 아닌 일정 대역 전체를 사용하므로, 일정 주파수 대역 내의 수용 용량을 극대화할 수 있는 통신 방식으로, 기존의 아날로그 시스템과 비교하여 약 10배 이상의 수용 용량을 가집니다. 

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 대역확산 기술은 선진국에서 1960년대부터 적의 전파방해나 도청 등을 방지하기 위해 군사 목적으로 사용되던 기술이었습니다. 기계 소리나 자동차 소리 등과 같은 인위적인 잡음이 아닌 모든 주파수 대역 내에서 무한대의 에너지로 항상 균일하게 존재하는 잡음이 있으며, 이것을 백색소음이라고 합니다. 대역확산 기술에서는 이러한 백색소음의 성질과 특성이 같은 PN 시퀀스를 이용합니다. 페이딩에 강한 특징이 있어 통화품질이 우수합니다. FDMA나 CDMA와 비교하여도 주파수 재사용 효율이 높고 품질도 우수하다는 특징이 있습니다.

 

주파수와 전파의 성질

무전기의 정의와 종류, GPS