다중화 방식과 통신 자원 설계의 선택 기준

하나의 전송 자원을 나눠 쓰는 방식

다중화(Multiplexing)는 하나의 통신 채널이나 매체에 여러 신호 또는 데이터 스트림을 실어 보내는 기술이다. 대역폭, 케이블, 주파수처럼 한정된 자원을 공유하게 해 통신 시스템, 컴퓨터 네트워크, 방송 시스템의 자원 활용 방식을 결정한다.

핵심은 여러 사용자나 장치의 데이터를 동일한 채널로 전달하되, 수신 측에서 각 신호를 구분할 수 있게 만드는 데 있다. 어떤 기준으로 신호를 분리하느냐에 따라 다중화 방식과 설계상의 제약이 달라진다.

공유 기준에 따라 달라지는 다중화 방식

FDM: 주파수 대역을 나누는 방식

주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing)는 전체 대역폭을 겹치지 않는 여러 주파수 대역으로 나누고, 각 대역을 사용자에게 배정한다. 채널마다 고유한 주파수 대역을 계속 점유하는 구조다.

라디오 방송, 케이블 TV 시스템, 초기 광대역 통신에 적용된다. 구현이 비교적 단순하고 신호 간 간섭을 줄이기 쉽지만, 대역 사이에 가드밴드(guard band)가 필요해 스펙트럼 효율이 낮아질 수 있다.

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TDM: 시간을 교대로 배정하는 방식

시분할 다중화(Time Division Multiplexing)는 채널 용량을 시간 슬롯으로 분리해 사용자에게 순서대로 할당한다. 각 사용자는 정해진 시간 단위에만 채널을 이용한다.

동기식 TDM은 고정 시간 슬롯을 배정한다. 비동기식 TDM 또는 통계적 TDM은 트래픽이 발생할 때만 시간 슬롯을 할당한다. T-carrier 시스템, ISDN, 디지털 전화 시스템이 이 방식의 적용 사례다.

대역폭 활용 측면에서 유리하고 구조도 상대적으로 단순하다. 반면 동기화가 필요하며, 고정 할당 구조에서는 사용하지 않는 슬롯이 낭비될 수 있다.

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CDM: 코드로 신호를 구별하는 방식

코드 분할 다중화(Code Division Multiplexing)는 동일한 스펙트럼을 공유하면서 각 신호에 고유한 코드(spreading code)를 부여한다. CDMA(Code Division Multiple Access) 기술로 구현되며, 3G 이동통신, GPS, 군사용 통신 시스템에 활용된다.

주파수 재사용 효율이 높고 도청에 대한 보안성과 간섭 내성이 좋다는 특성이 있다. 다만 구현이 복잡하며, 거리 차이에서 비롯되는 신호 강도 차이인 Near-Far 문제가 발생할 수 있다.

WDM: 광섬유의 파장을 나누는 방식

파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing)는 서로 다른 파장의 빛을 하나의 광섬유로 결합해 복수의 데이터 스트림을 동시에 보낸다. 색상이 다른 레이저 광을 이용하는 방식으로, 광통신 백본 네트워크, 해저 케이블, 데이터센터 연결에 쓰인다.

CWDM(Coarse WDM)은 파장 간격이 20nm로 넓고 채널 수가 적다. DWDM(Dense WDM)은 파장 간격이 0.8nm 이하로 좁아 더 많은 채널을 구성할 수 있다. 기존 광섬유 인프라를 활용하면서 수백 Tbps 규모의 데이터 전송이 가능하지만, 고가의 광학 장비와 색 분산 문제를 함께 고려해야 한다.

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SDM: 물리 경로를 분리하는 방식

공간 분할 다중화(Space Division Multiplexing)는 물리적으로 구분된 전송 경로를 동시에 사용한다. 다중 코어 광섬유와 다중 모드 광섬유가 구현 방식에 해당하며, 차세대 광통신 시스템과 5G 네트워크의 MIMO 기술에 적용된다.

전송 용량을 크게 늘릴 수 있는 반면, 신기술로서 상용화 단계는 아직 초기 단계다.

통신망부터 서버 이벤트 처리까지

이동통신에서는 FDMA가 1G 시스템, TDMA가 2G GSM 시스템, CDMA가 3G WCDMA 시스템에 사용됐다. OFDMA(Orthogonal FDMA)는 4G LTE와 5G 시스템에 적용된다. 유선 영역에서는 xDSL이 DMT(Discrete Multi-Tone) 방식으로 FDM을 활용하고, PON(Passive Optical Network)은 TDM과 WDM을 조합한다.

컴퓨터 시스템에서도 다중화 개념은 직접 사용된다. 버스 멀티플렉싱은 주소 버스와 데이터 버스를 공유하고, 시분할 방식으로 CPU와 주변장치의 통신 효율을 높인다. I/O 멀티플렉싱은 select(), poll(), epoll() 등의 시스템 콜을 통해 하나의 프로세스가 여러 입출력 채널을 동시에 처리하게 한다.

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방송 시스템에서는 DVB, ATSC 등이 OFDM(Orthogonal FDM)으로 여러 채널을 하나의 주파수 대역에 다중화한다. 위성 통신은 다중 빔 기술로 공간 멀티플렉싱을 적용하고, TDMA와 FDMA를 함께 사용하기도 한다.

이동통신과 광통신에서 확장되는 방식

5G 환경에서는 Massive MIMO가 공간 다중화를 대규모로 확장하고, mmWave 대역은 넓은 대역폭을 바탕으로 다중화 효율을 높인다. Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA)는 전력 영역에서 다중화를 적용해 용량 증대를 꾀한다.

광통신에서는 광섬유의 다양한 모드를 사용하는 Mode Division Multiplexing, 더 좁은 파장 간격으로 채널 수를 늘리는 Ultra-DWDM, 유연한 스펙트럼 할당을 적용하는 Elastic Optical Networks가 발전 방향으로 제시된다.

SDN(Software-Defined Networking)과의 결합도 이어진다. 물리 네트워크를 논리적으로 나누는 네트워크 슬라이싱과 트래픽 패턴에 따라 정책을 조정하는 동적 다중화가 이 흐름에 속한다.

설계에서 함께 검토할 조건

다중화 방식을 선택할 때는 채널당 데이터 전송 용량인 처리량과 다중화·역다중화 과정에서 발생하는 지연을 먼저 확인해야 한다. 제어 정보와 동기화에 드는 오버헤드도 자원 효율에 영향을 준다.

신뢰성 측면에서는 오류 검출 및 복구 메커니즘, 채널 간 간섭을 줄이는 방법, 채널이나 장비에 장애가 발생했을 때의 복구 방안을 검토한다. 운영 환경이 바뀌면 채널을 추가하거나 제거할 수 있어야 하며, 서로 다른 트래픽 요구사항과 향후 기술 변화도 수용할 수 있어야 한다.

다중화는 통신 자원의 경제성과 성능을 좌우한다. FDM, TDM, CDM, WDM, SDM은 서로 다른 제약과 장점을 가지므로, 시스템의 성능·비용·확장성 요구사항에 맞춰 선택해야 한다. 5G, 6G 등 차세대 통신 기술이 발전하면서 AI 기반 지능형 다중화와 양자 다중화 같은 기술도 등장할 것으로 예상된다.