액세스 방법은 단일 대역폭 유선 또는 무선 매체에서 여러 사용자에게 통신 서비스를 제공하는 다중화 기술입니다. 무선 스펙트럼 세그먼트이든 케이블 연결이든 통신 채널은 비쌉니다. 통신 서비스 제공자는 수익을 내기 위해 제한된 리소스를 통해 여러 유료 사용자를 참여시켜야 합니다. 액세스 방법을 사용하면 많은 사용자가 이러한 제한된 채널을 공유하여 성공적인 통신 사업에 필요한 규모의 경제성을 제공할 수 있습니다. 기본적인 액세스 또는 다중화 방법에는 주파수 분할 다중 접속(FDMA), 시간 분할 다중 접속(TDMA), 코드 분할 다중 접속(CDMA), 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA), 공간 분할 다중 접속(SDMA)의 다섯 가지가 있습니다.
이들 각각은 다중화 방법을 활용하여 신호 대역폭을 여러 하위 대역으로 분할한 다음, 이를 여러 사용자에게 할당하여 여러 사용자가 단일 채널을 공유할 수 있도록 합니다. 다중화는 여러 신호를 단일 신호로 다중화 하거나 결합하는 통신 기술입니다. 그 반대의 프로세스를 역다중화 라고 합니다. 예를 들어, 많은 전화 통화자의 음성 신호는 시분할 다중화(TDM)를 사용하여 단일 데이터 링크를 통해 다중화될 수 있습니다.
FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA 및 SDMA의 다중화 방법은 일반적으로 모두 유사합니다. 각 경우에 여러 개의 통신 채널이 함께 다중화되어 단일 통신 채널을 형성합니다. 그런 다음 통신 채널은 여러 개의 하위 채널로 나뉘며, 각각은 다른 사용자에게 할당됩니다.
각 사용자는 그런 다음 데이터를 전송할 시간 슬롯을 할당 받습니다. FDMA에서 시간 슬롯은 순차적으로 사용자에게 할당됩니다. TDMA에서 시간 슬롯은 무작위 방식으로 사용자에게 할당됩니다. CDMA에서 시간 슬롯은 코드 시퀀스에 따라 사용자에게 할당됩니다. OFDMA에서 시간 슬롯은 주파수 오프셋에 따라 사용자에게 할당됩니다. SDMA에서 시간 슬롯은 위치에 따라 사용자에게 할당됩니다. 그런 다음 사용자는 할당된 시간 슬롯에서 데이터를 전송할 수 있습니다. 그런 다음 데이터는 수신단에서 역다중화 되어 적절한 사용자에게 전송됩니다.
Frequency Division Multiple Access (FDMA) 주파수분할 다중 접속
FDMA는 하나의 채널 또는 대역폭을 여러 개의 개별 대역으로 분할하는 프로세스로, 각각은 단일 사용자가 사용할 수 있습니다(그림 1). 각 개별 대역 또는 채널은 전파될 전송의 신호 스펙트럼을 수용할 만큼 충분히 넓습니다. 전송될 데이터는 각 하위 캐리어로 변조되고, 모두 선형적으로 혼합됩니다.
이것의 가장 좋은 예는 케이블 텔레비전 시스템입니다. 매체는 수백 개의 비디오/오디오 프로그램을 가정에 방송하는 데 사용되는 단일 동축 케이블입니다. 동축 케이블은 약 4MHz에서 1GHz의 유용한 대역폭을 가지고 있습니다. 이 대역폭은 6MHz 폭의 채널로 나뉩니다. 처음에는 하나의 TV 방송국이나 채널이 단일 6MHz 대역을 사용했습니다. 하지만 디지털 기술을 사용하면 각 채널에서 사용되는 압축 및 멀티플렉싱 기술 덕분에 오늘날 여러 TV 채널이 단일 대역을 공유할 수 있습니다.
이 기술은 광섬유 통신 시스템에서도 사용됩니다. 단일 광섬유 케이블은 FDMA를 제공하기 위해 세분화할 수 있는 엄청난 대역폭을 가지고 있습니다. 다른 데이터 또는 정보 소스는 각각 전송을 위해 다른 광 주파수가 할당됩니다. 빛은 일반적으로 주파수가 아니라 파장(λ)으로 지칭됩니다. 결과적으로 광섬유 FDMA는 파장 분할 다중 접속(WDMA) 또는 간단히 파장 분할 다중화(WDM)라고 합니다.
오래된 FDMA 시스템 중 하나는 원래의 아날로그 전화 시스템으로, 주파수 다중화 기술의 계층을 사용하여 여러 전화 통화를 단일 회선에 배치했습니다. 아날로그 300Hz~3400Hz 음성 신호는 60kHz~108kHz의 12개 채널에서 부반송파를 변조하는 데 사용되었습니다. 변조기/믹서는 상측 및 하측 모두인 단일 측파대(SSB) 신호를 생성했습니다. 그런 다음 이러한 부반송파는 동일한 변조 방법을 사용하여 312kHz~552kHz 범위의 부반송파에서 추가로 주파수 다중화 되었습니다. 시스템의 수신단에서 신호는 필터 및 복조기를 사용하여 분류 및 복구되었습니다.
원래 항공우주 원격 측정 시스템은 FDMA 시스템을 사용하여 단일 무선 채널에서 여러 센서 데이터를 수용했습니다. 초기 위성 시스템은 4GHz~6GHz 범위에서 개별 36MHz 대역폭 트랜스폰더를 FDMA를 통해 여러 음성, 비디오 또는 데이터 신호와 공유했습니다. 오늘날 이러한 모든 애플리케이션은 TDMA 디지털 기술을 사용합니다.
Time Division Multiple Access (TDMA) 시간분할다중화접속
TDMA는 단일 채널 또는 대역을 시간 슬롯으로 나누는 디지털 기술입니다. 각 시간 슬롯은 순차적인 직렬 데이터 형식으로 각 신호의 한 바이트 또는 다른 디지털 세그먼트를 전송하는 데 사용됩니다. 이 기술은 느린 음성 데이터 신호에 적합하지만 압축 비디오 및 기타 고속 데이터에도 유용합니다.
대표적인 예가 수년간 텔레콤 산업에서 사용되어 온 널리 사용되는 T1 전송 시스템입니다. T1 회선은 단일 회선에서 최대 24개의 개별 음성 전화 통화를 전송합니다(그림 2). 각 음성 신호는 일반적으로 300Hz~3000Hz를 커버하고 8kHz 속도로 디지털화되는데, 이는 모든 아날로그 콘텐츠를 유지하는 데 필요한 최고 주파수 성분의 두 배인 최소 나이키스트 속도보다 약간 더 높습니다.
디지털화된 음성은 64kHz 속도로 발생하는 개별 직렬 바이트로 나타나고, 이 중 24개 바이트가 인터리브되어 하나의 T1 데이터 프레임을 생성합니다. 프레임은 1.536MHz 속도(24 x 64kHz)로 발생하여 총 192비트가 됩니다. 단일 동기화 비트가 타이밍 목적으로 추가되어 전체 데이터 속도는 1.544Mbits/s가 됩니다. 수신 측에서 개별 음성 바이트는 64kHz 속도로 복구되어 아날로그 음성을 재생하는 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 통과합니다.
기본 GSM(Global System of Mobile Communications) 셀룰러 전화 시스템은 TDMA 기반입니다. 무선 스펙트럼을 200kHz 대역으로 분할한 다음 시간 분할 기술을 사용하여 8개의 음성 통화를 하나의 채널에 넣습니다. 그림 3은 GSM TDMA 신호의 한 프레임을 보여줍니다. 8개의 시간 슬롯은 음성 신호이거나 텍스트나 이메일과 같은 데이터일 수 있습니다. 프레임은 FSK 변조의 한 형태인 GMSK를 사용하여 270kbit/s 속도로 전송됩니다.
Code Division Multiple Access (CDMA) 코드분할다중접속
CDMA는 또 다른 순수 디지털 기술입니다. 아날로그 신호의 디지털화된 버전을 가져와 더 낮은 전력 레벨에서 더 넓은 대역폭으로 확산하기 때문에 스프레드 스펙트럼이라고도 합니다. 이 방법은 직접 시퀀스 스프레드 스펙트럼(DSSS)이라고도 합니다(그림 4). 직렬 데이터 형태의 디지털화되고 압축된 음성 신호는 훨씬 더 높은 주파수의 칩핑 신호와 함께 XOR 회로에서 처리하여 확산됩니다. CDMA IS-95 표준에서 1.2288-Mbit/s 칩핑 신호는 디지털화된 압축 음성을 13kbit/s로 확산합니다.
칩핑 신호는 채널의 각 사용자에게 고유한 코드를 할당하는 의사 난수 코드 생성기에서 파생됩니다. 이 코드는 1.25MHz 대역폭에 걸쳐 음성 신호를 확산합니다. 결과 신호는 전력 수준이 낮고 노이즈처럼 보입니다. 이러한 신호 중 다수는 동일한 채널을 동시에 점유할 수 있습니다. 예를 들어, 64개의 고유한 칩핑 코드를 사용하면 최대 64명의 사용자가 동시에 동일한 1.25MHz 채널을 점유할 수 있습니다. 수신기에서 상관 회로는 특정 호출자의 코드를 찾아 식별하고 복구합니다.
3세대(3G) 휴대폰 기술인 광대역 CDMA(WCDMA)는 압축 음성과 5MHz 채널에서 3.84Mbit/s 칩 코드를 사용하는 비슷한 방법을 사용하여 여러 사용자가 동일 대역을 공유할 수 있도록 합니다.
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) 직교주파수분할다중화
OFDMA는 주어진 대역폭에서 여러 사용자를 수용하기 위해 Long-Term Evolution(LTE) 셀룰러 시스템에서 사용되는 액세스 기술입니다. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)는 채널을 서로 간섭하지 않도록 간격을 둔 여러 개의 좁은 직교 대역으로 나누는 변조 방법입니다. 각 대역은 수백 개 또는 수천 개의 15kHz 폭의 하위 캐리어로 나뉩니다.
전송할 데이터는 많은 저속 비트 스트림으로 분할되어 하위 캐리어에 변조됩니다. 각 하위 채널 데이터 스트림 내의 시간 슬롯은 전송할 데이터를 패키징하는 데 사용됩니다(그림 5). 이 기술은 스펙트럼 효율성이 매우 높아 매우 높은 데이터 속도를 제공합니다. 또한 다중 경로 전파 효과의 영향을 덜 받습니다.
Spatial Division Multiple Access (SDMA) 공간분할다중접속
SDMA는 무선 채널 공유를 허용하는 물리적 분리 방법을 사용합니다. 예를 들어, 사용자가 간섭을 피하기에 충분히 멀리 떨어져 있는 경우 단일 채널을 동시에 사용할 수 있습니다. 주파수 재사용으로 알려진 이 방법은 셀룰러 무선 시스템에서 널리 사용됩니다. 기지국은 간섭을 최소화하기 위해 서로 떨어져 있습니다.
간격 외에도 방향성 안테나는 간섭을 피하기 위해 사용됩니다. 대부분의 기지국은 3개의 안테나를 사용하여 주파수 공유를 허용하는 120° 섹터를 만듭니다(그림 6a). 스마트 안테나나 적응형 어레이와 같은 새로운 기술은 동적 빔포밍을 사용하여 신호를 좁은 빔으로 축소하여 특정 사용자에게 집중시키고 다른 모든 사용자는 제외할 수 있습니다(그림 6b).
SDMA의 변형인 편파 분할 다중 접속(PDMA)은 안테나의 다른 편파를 사용하여 신호를 분리합니다. 그러면 두 개의 다른 신호가 동일한 주파수를 사용할 수 있는데, 하나는 수직 편파 신호를 전송하고 다른 하나는 수평 편파 신호를 전송합니다.
신호는 같은 주파수에 있어도 서로 간섭하지 않습니다. 왜냐하면 서로 직교하고 안테나는 반대 편파 신호에 응답하지 않기 때문입니다. 별도의 수직 및 수평 수신기 안테나를 사용하여 두 직교 신호를 복구합니다. 이 기술은 위성 시스템에서 널리 사용됩니다.
편파는 광섬유 시스템에서 다중화에도 사용됩니다. 새로운 100-Gbit/s 시스템은 이중 편광 사분위상 편이 키잉(DP-QPSK)을 사용하여 단일 광섬유에서 고속을 달성합니다. 고속 데이터는 두 개의 느린 데이터 스트림으로 나뉩니다. 하나는 수직 광 편광을 사용하고 다른 하나는 수평 광 편광을 사용합니다. 편광 필터는 송신기와 수신기에서 두 신호를 분리하여 고속 스트림으로 다시 병합합니다.
결론
그렇다면 통신 접속 기술의 미래는 어떻게 될까요? 이 질문에 대한 획일적인 답은 없습니다. 각 통신 접속 기술의 미래는 사용되는 애플리케이션과 네트워크의 특정 요구 사항에 따라 달라지기 때문입니다. 그러나 FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA, SDMA는 모두 미래에 통신 시스템에서 중요한 역할을 계속할 것이라는 데 일반적으로 동의합니다. 이러한 기술은 기업과 소비자의 요구를 충족시키기 위해 더 높은 대역폭과 용량을 계속 제공할 것입니다. 이러한 기술이 미래 세대에 더 많은 유연성과 증가된 처리량을 제공함에 따라 무선 및 모바일 통신에 대한 추세도 계속될 것입니다.
<<출처>>
Texas Instrument에서 다운로드 받은 Electronic Design Library 중
"What's the differences: Serial Communications" 내용 번역 정리 업로드 자료임