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IT 이론/네트워크&무선통신

FDMA, TDMA, CDMA, OFDM의 비교와 이해

by 지식id 2013. 10. 19.
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무선통신은 "라디오 파" 라는 파동을 이용해서 이루어진다. 빛의 속도에다가 웬만한 고체도 통과 할 수 있기 때문에 아직까지는 장거리 무선통신에서 라디오파는 대체 할 만한 파동은 찾지 못했다.

 

두 사람이 전화 통화를 한다고 하면 주고 받는 대화가 라디오 파동을 통해서 전달 된다는 것인데, 이 파동이란 것이 유한자원이다 보니 예전부터 어떻게 사용하면 최대한 많은 사람들이 빠르게 사용 할 수 있을까 많은 연구가 있었다.

 

처음에는 그냥 브로드캐스트 라디오 방송이나 TV방송에서만 쓰였고, 무선 전화가 막 나왔을 때에도 소수의 사람들이 아날로그 사운드를 주고받는 수준이었으므로 주파수 대역을 쪼개서 할당 해 주면 되었다. 하지만 무선통신이 일반화 되고 휴대폰 사용자도 기하급수적으로 증가하면서 기존 방식으로 주파수를 쪼개는 것은 사용자 수나, 속도 면에서 감당이 안되게 되었다. 그래서 점점 복잡하면서 효율적인 방법으로 발전해 나가게 되는데, 이렇게 주파수를 쪼개는 대표적인 방식 몇개를 다뤄 보고자 한다.

 

1. FDMA

가장 초기에 사용되었던 주파수 분할 방식이다. 말그대로 주파수 대역을 분할해서 나누어 주는 방식이다.

현재 FM 라디오 방송처럼 생각하면 될 것이다. 95MHz는 MBC에게, 98MHz는 KBS에게 주는 것 처럼 누군가가 통화를 원하면 800MHz 이든 803MHz이든 남는 주파수를 나눠 주는 것이다.

하지만 무선 전화에 할당된 주파수 대역은 한정 되어 있는데 동시에 동시 사용량이 많아 질 경우 쪼개는게 감당이 안된다. 만약 무선 전화에 할당된 주파수 대역이 800MHz ~ 850MHz라고 보자. 동시 통화가 많아봐야 10개 정도밖에 이루어지지 않는다면 5MHz씩 넓은 대역을 사용할 수 있지만, 50개로 늘어나면 1MHz, 500개로 늘어나면 0.1MHz의 대역밖에 사용하지 못해 노이즈에 약하고 통화 품질이 많이 떨어질 수 밖에 없다.

 

2. TDMA

그래서 나온 방식이 TDMA이다. 모든 주파수 대역을 한명이 한꺼번에 사용하되, 사용자가 늘어날 경우 여러사용자가 번갈아가면서 이 주파수 대역을 한꺼번에 사용 하는 것이다. 마치 싱글코어 CPU가 멀티프로세싱을 하는 방식과 흡사하며, Round Robin 방식으로 나눠 쓰기 때문에 동시 사용자가 적으면 한 사용자는 쾌적한 상태로 사용 할 수 있다. 그리고 여러 주파수 대역에 데이터를 나눠 전송하기 때문에 오류 검출이나 데이터의 손실 가능성 면에서도 FDMA보다는 훨씬 좋다. 주파수를 쪼개 주나 시간을 쪼개 주나 그냥 글로 공부하는 입장에서는 뭐가 얼마나 빠를지 가늠이 잘 안되시만 실제로 TDMA는 FDMA보다 3~11배정도의 빠른 속도로 데이터를 주고 받을 수 있고 노이즈에 훨씬 강하다.

이 방식은 우리가 2G라 불리던 폰을 사용 할 때 쓰였던 방식이다. 이때부터 디지털 신호를 이용하였고 통화 뿐만 아니라 SMS전송도 가능하게 되었다.

 

3. CDMA

TDMA와 CDMA는 동시에 공존했던 기술이지만 CDMA가 더 발전된 기술이다. CDMA는 한국에서 가장 처음 상용되 되었는데 유럽 등지에선 한동안 TDMA가 계속 쓰였다.

CDMA는 모든 대역의 주파수를 모든 시간동안 모든 사용자가 한꺼번에 사용한다. 무슨 말인가? 사용자마다 난수(랜덤한 수)를 할당해 주고 그 사람을 위한 데이터는 해당 난수로 암호화 한다. 이걸 "코드" 라고 부르기에 CDMA라는 이름이 불은 것이다. 즉, 각 사용자에게 갈 데이터는 그에 맞게 코드화 해서 그냥 막 쏘는 것이다. 사용자의 디바이스는 도처에 날라다니는 데이터 중 자신에게 맞는 코드로 된 데이터만 받아 들이면 된다.

파동이란게 안테나에서 사방으로 날라가기 때문에 곧바로 들어오는 것 보다 어딘가에 팅겨서 늦게 들어오는 경우가 많다. 즉, 같은 데이터더라도 여러 경로로 여러번 도착 할 수 있는 것이다. CDMA는 코드를 기반으로 하고 있기 때문에 늦게 들어온 데이터도 한번더 받아 들여 앞 데이터와 맞춰 보며 정확도와 신호 세기를 높이는 등의 활용도 가능하다. 우리가 말하는 3G에 사용된 분할 방식이 CDMA이다.

 

4. OFDM

OFDM은 뜨고있는 신개념 기술이지만 FDMA, TDMA, CDMA와 별개로 볼 수는 없는 기술이다. OFDM-FDMA, OFDM-CDMA 라는 식으로 기존 기술을 획기적으로 향상시켜 주는 수단이라고 할 수 있다. 바로 주파수 직교기술인데, 데이터를 여러개로 쪼개어 직교하는 일정 간격의 캐리어 주파수에다 병렬로 동시에 실어 보내는 것이다.

이렇게 말해서 이해 할 수 있는 사람은 별로 없다. 직교성에 대해서 이해 하려면 수식까지 나와야 하지만, 본 페이지에선 상세한 이론을 다루고자 하는게 아니므로 기본 개념만 언급 하겠다.

 

그림을 보자

 

위가 일반적인 FDMA방식이다. 인접한 주파수끼리의 간섭을 피하기 위해 일정한 여백을 두고 쪼개는 것을 확인 할 수 있다. 데이터를 병렬로 보내더라도 저런식의 분할은 효율성이 떨어져 버린다. 하지만 주파수 간섭이 생길 경우 손실이 더 크므로 어쩔 수 없는 선택이었다.

하지만 아래 그림처럼 겹치는 주파수이지만 저로 직교하는 간격으로 데이터를 싣는다면 직교하는 파동끼리는 간섭이 없게 되어서 위 그림처럼 훨씬 효율적인 주파수 사용이 가능하다.

현 시점 이후에 나오는 통신 방식은 모두 이런 직교 방식을 이용하고 있다고 해도 과언이 아닐정도로 각광받는 기술이다.

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