다중화 (통신)

통신에서 다중화(multiplexing 혹은 muxing)라는 용어는 여러 아날로그 또는 디지털 신호를 매질을 통해 하나의 신호로 결합하는 방식이다. 목표는 희소 자원인 물리적 매질을 공유하는 것이다. 예를 들어, 전기 통신에서 여러 전화 통화를 하나의 전선을 사용하여 전달할 수 있다. 다중화는 1870년대 전보에서 시작되었으며, 현재는 통신에 널리 적용된다. 텔레포니에서는 조지 오웬 스콰이어가 1910년 전화 반송파 다중화 개발에 기여한 것으로 알려져 있다.

다중화된 신호는 케이블과 같은 통신 채널을 통해 전송된다. 다중화는 통신 채널의 용량을 여러 논리 채널로 분할하며, 각 메시지 신호 또는 데이터 스트림에 하나씩 할당된다. 역다중화라고 알려진 역과정은 수신기 끝에서 원래 채널을 추출한다.

다중화를 수행하는 장치를 멀티플렉서(MUX)라고 하고, 역과정을 수행하는 장치를 역멀티플렉서(DEMUX 또는 DMX)라고 한다.

역다중화 (IMUX)는 다중화와 반대되는 목표를 가지는데, 즉 하나의 데이터 스트림을 여러 스트림으로 분할하고, 여러 통신 채널을 통해 동시에 전송하며, 원래 데이터 스트림을 다시 생성하는 것이다.

컴퓨팅에서 I/O 다중화는 poll 및 select와 같은 시스템 호출을 통해 단일 이벤트 루프에서 여러 입출력 이벤트를 처리하는 개념을 나타낼 수도 있다.

 유형 
여러 가변 비트율 디지털 비트 스트림은 통계적 다중화를 통해 단일 고정 대역폭 (신호 처리) 채널을 통해 효율적으로 전송될 수 있다. 이는 비동기 모드 시분할 다중화의 한 형태이다.

디지털 비트 스트림은 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS) 및 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)과 같은 코드분할 다중화 기술을 통해 아날로그 채널을 통해 전송될 수 있다.

무선 통신에서 다중화는 각 인접 채널 및 위성에서 교대로 편광(수평면/수직 방향 또는 시계 방향/반시계 방향)을 사용하거나 위상 배열 다중 안테나 어레이를 다중 입출력 통신(MIMO) 방식과 결합하여 수행할 수도 있다.

 공간 분할 다중화 

유선 통신에서 공간 분할 다중 접속(SDMA)으로도 알려진 공간 분할 다중화는 각 전송 채널에 대해 별도의 지점간 전기 도체를 사용하는 것이다. 예로는 왼쪽 채널용 전선 한 쌍과 오른쪽 채널용 전선 한 쌍을 가진 아날로그 스테레오 오디오 케이블, 다중 쌍 전화 케이블, 전화 접속망과 같은 교환식 스타 네트워크, 교환식 이더넷 네트워크, 메시 네트워크 등이 있다.

무선 통신에서 공간 분할 다중화는 위상 배열 안테나를 구성하는 여러 안테나 요소를 통해 달성된다. 예로는 다중 입출력(MIMO), 단일 입출력(SIMO) 및 다중 입출력(MISO) 다중화가 있다. k개 안테나를 가진 IEEE 802.11g 무선 라우터는 원칙적으로 k개의 다중화된 채널과 통신할 수 있으며, 각 채널은 의 최고 비트 전송률을 가지므로 총 최고 비트 전송률을 k배 증가시킨다. 다른 안테나는 다른 다중 경로 전파(에코) 서명을 제공하여 디지털 신호 처리 기술이 서로 다른 신호를 분리할 수 있도록 한다. 이러한 기술은 다중화 대신 공간 다양성(페이딩에 대한 견고성 향상) 또는 빔포밍(선택성 향상)을 위해서도 활용될 수 있다.

 주파수 분할 다중화 
주파수 분할 다중화(FDM)는 본질적으로 아날로그 기술이다. FDM은 여러 신호를 단일 매체를 통해 여러 개의 뚜렷한 주파수 범위로 전송하여 단일 매체로 결합한다. FDM에서 신호는 전기 신호이다.
FDM의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 지상, 이동 또는 위성 방송국 또는 케이블 텔레비전에서 제공하는 전통적인 라디오 및 텔레비전 방송이다. 하나의 케이블만 고객의 주거 지역에 도달하지만, 서비스 제공자는 간섭 없이 여러 텔레비전 채널 또는 신호를 동시에 그 케이블을 통해 모든 가입자에게 보낼 수 있다. 수신기는 원하는 신호에 접근하기 위해 적절한 주파수(채널)에 튜닝해야 한다.

400px|thumb|WDM에서 하나의 스트림, 하나의 색상, 빛의 파동
파장 분할 다중화(WDM)라고 불리는 변형 기술은 광 통신에 사용된다.

 시분할 다중화 
시분할 다중화(TDM)는 공간이나 주파수 대신 시간을 사용하여 서로 다른 데이터 스트림을 분리하는 디지털(또는 드물게 아날로그) 기술이다. TDM은 각 개별 입력 스트림에서 몇 비트 또는 바이트 그룹을 순서대로 하나씩 배열하는 것을 포함하며, 적절한 수신기와 연결될 수 있도록 한다. 충분히 빠르게 수행되면 수신 장치는 회로 시간의 일부가 다른 논리적 통신 경로를 제공하는 데 사용되었다는 것을 감지하지 못할 것이다.

공항의 네 개 터미널이 중앙 컴퓨터에 연결해야 하는 응용 프로그램을 생각해 보자. 각 터미널은 2400 보 (통신 단위)로 통신하므로, 이러한 저속 전송을 위해 네 개의 개별 회로를 확보하는 대신 항공사는 한 쌍의 멀티플렉서를 설치했다. 9600 보 모뎀 한 쌍과 공항 발권 데스크에서 항공사 데이터 센터로 이어지는 전용 아날로그 통신 회로 하나도 설치되었다. 일부 웹 프록시 서버(예: polipo)는 여러 HTTP 트랜잭션을 동일한 TCP/IP 연결에서 HTTP 파이프라이닝하기 위해 TDM을 사용한다.

반송파 감지 다중 접속 및 멀티드롭 통신 방식은 여러 데이터 스트림이 동일한 매체에서 시간으로 분리된다는 점에서 시분할 다중화와 유사하지만, 신호가 단일 신호로 결합되는 대신 별개의 출처를 가지므로 다중화의 한 형태라기보다는 다중접속 방식으로 보는 것이 가장 적절하다.

TD는 유럽의 대부분의 전국 유선 전화망의 백본을 여전히 제공하는 레거시 다중화 기술로, DMS100과 같은 협대역 전화 교환기에서  음성 및 신호 포트를 제공한다. 각 E1 또는  TDM 포트는 CCITT7 신호 시스템의 경우 30 또는 31개의 음성 타임슬롯을 제공하고, 고객 연결 Q931, DASS2, DPNSS, V5 및 CASS 신호 시스템의 경우 30개의 음성 채널을 제공한다.

 편광 분할 다중화 
편광 분할 다중화는 전자기 복사의 편광을 사용하여 직교 채널을 분리한다. 이는 무선 및 광 통신 모두에서 실용적으로 사용되며, 특히 채널당  광섬유 전송 시스템에서 사용된다.

차등 교차 편광 무선 통신은 차등 기술을 활용한 편광 안테나 전송의 새로운 방법이다.

 궤도 각운동량 다중화 

궤도 각운동량 다중화는 단일 경로를 통해 전자기 복사를 사용하여 여러 채널의 신호를 다중화하는 비교적 새롭고 실험적인 기술이다. 이는 다른 물리적 다중화 방법과 함께 사용하여 이러한 시스템의 전송 용량을 크게 확장할 수 있다.  아직 초기 연구 단계에 있으며, 단일 광 경로를 통해 최대 의 대역폭을 시연하는 소규모 실험실 시연이 있었다. 이것은 학계에서 논란의 여지가 있는 주제이며, 많은 이들이 이것이 새로운 다중화 방법이 아니라 공간 분할 다중화의 특수한 경우라고 주장한다.

 코드 분할 다중화 
코드 분할 다중화(CDM), 코드분할다중접속(CDMA) 또는 분산 스펙트럼은 여러 채널이 동일한 주파수 스펙트럼을 동시에 공유하는 기술 클래스이며, 이 스펙트럼 대역폭은 비트 전송률 또는 심볼 전송률보다 훨씬 높다. 한 형태는 주파수 호핑이고, 다른 형태는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼이다. 후자의 경우, 각 채널은 칩이라고 불리는 코드화된 채널별 펄스 시퀀스로 비트를 전송한다. 비트당 칩 수 또는 심볼당 칩 수는 확산 계수이다. 이 코드화된 전송은 일반적으로 고유한 시간 종속적인 짧은 펄스 시퀀스를 전송함으로써 달성되며, 이 펄스는 더 큰 비트 시간 내의 칩 시간 내에 배치된다. 서로 다른 코드를 가진 모든 채널은 동일한 광섬유 또는 무선 채널 또는 기타 매체를 통해 전송될 수 있으며 비동기적으로 역다중화될 수 있다. 기존 기술에 비해 장점은 가변 대역폭이 가능하다는 점(통계적 다중화와 마찬가지로), 넓은 대역폭이 섀넌-하틀리 정리에 따라 낮은 신호 대 잡음비를 허용한다는 점, 레이크 수신기에 의해 무선 통신에서의 다중 경로 전파를 극복할 수 있다는 점이다.

CDMA의 중요한 응용 분야는 GPS(GPS)이다.


 다중 접속 방식 
다중화 기술은 다중접속 방식 또는 다중접속 방식으로 더 확장될 수 있는데, 예를 들어 TDM은 시분할다중접속(TDMA)으로, 통계적 다중화는 반송파 감지 다중 접속(CSMA)으로 확장될 수 있다. 다중 접속 방식은 동일한 물리적 매체에 연결된 여러 송신기가 용량을 공유할 수 있도록 한다.

다중화는 OSI 모형의 물리 계층에서 제공되는 반면, 다중 접속은 데이터 링크 계층의 일부인 매체 접근 제어 프로토콜도 포함한다.

OSI 모형과 TCP/IP 모형의 전송 계층은 동일한 컴퓨터로/부터의 여러 응용 계층 데이터 흐름에 대한 통계적 다중화를 제공한다.

코드 분할 다중화(CDM)는 각 채널이 코드화된 채널별 펄스 시퀀스로 비트를 전송하는 기술이다. 이 코드화된 전송은 일반적으로 고유한 시간 종속적인 짧은 펄스 시퀀스를 전송함으로써 달성되며, 이 펄스는 더 큰 비트 시간 내의 칩 시간 내에 배치된다. 서로 다른 코드를 가진 모든 채널은 동일한 광섬유를 통해 전송될 수 있으며 비동기적으로 역다중화될 수 있다. 다른 널리 사용되는 다중 접속 기술은 시분할다중접속(TDMA)과 주파수 분할 다중 접속(FDMA)이다.
코드 분할 다중 기술은 ITU가 정의한 3세대 (3G) 이동 통신을 위한 UMTS 표준에서 코드분할다중접속(CDMA)이라는 접속 기술로 사용된다.

 응용 분야 

 전보 
전기선을 사용하는 가장 초기 통신 기술이었고, 따라서 다중화가 제공하는 경제성에 관심을 공유했던 것은 전신이었다. 초기 실험에서는 두 개의 개별 메시지가 동시에 반대 방향으로 이동할 수 있도록 허용했으며, 처음에는 양쪽 끝에 전기 배터리를 사용했고, 그 다음에는 한쪽 끝에만 사용했다.

에밀 바우도는 1870년대에 여러 휴즈 기계를 사용하는 시분할 다중화 시스템을 개발했다. 1874년, 토머스 에디슨이 개발한 쿼드러플렉스 전신은 각 방향으로 두 개의 메시지를 동시에 전송하여 총 네 개의 메시지가 동일한 전선을 동시에 통과할 수 있도록 했다. 여러 연구자들이 주파수 분할 다중화 기술인 음향 전신을 연구하고 있었고, 이는 전화의 발명으로 이어졌다.

 텔레포니 
텔레포니에서 고객의 전화선은 이제 일반적으로 원격 집중기 상자에서 끝나며, 그곳에서 해당 지역 또는 기타 유사 지역의 다른 전화선들과 함께 다중화된다. 다중화된 신호는 그 다음 훨씬 적은 수의 전선을 통해 중앙 교환국으로 운반되며, 고객의 전화선이 실제로 갈 수 있는 거리보다 훨씬 더 먼 거리까지 운반된다. 이는 디지털 가입자 회선(DSL)에도 마찬가지로 적용된다.

광섬유 가입자망(FITL)은 광섬유를 백본망으로 사용하는 일반적인 다중화 방식이다. 이는 POTS 전화선을 나머지 공중 교환 전화망과 연결할 뿐만 아니라, 가정에 유선으로 연결된 이더넷에 직접 연결하여 DSL을 대체하기도 한다. 비동기 전송 방식이 종종 사용되는 통신 프로토콜이다.

케이블 텔레비전은 오랫동안 다중화된 텔레비전 채널을 전송해 왔으며, 20세기 후반에는 전화 회사와 동일한 서비스를 제공하기 시작했다. IPTV도 다중화에 의존한다.

 비디오 처리 

비디오 편집 및 처리 시스템에서 다중화는 오디오와 비디오를 하나의 일관된 데이터 스트림으로 인터리빙하는 과정을 의미한다.

디지털 영상에서 이러한 전송 스트림은 일반적으로 메타데이터 및 자막과 같은 기타 정보를 포함할 수 있는 디지털 컨테이너 포맷의 기능이다. 오디오 및 비디오 스트림은 가변 비트 전송률을 가질 수 있다. 이러한 전송 스트림 및 컨테이너를 생성하는 소프트웨어는 일반적으로 멀티플렉서 또는 먹서라고 불린다. 디먹서는 이러한 스트림 또는 컨테이너의 구성 요소를 추출하거나 별도의 처리를 위해 사용할 수 있도록 하는 소프트웨어이다.

 디지털 방송 
디지털 텔레비전 시스템에서 여러 가변 비트 전송률 데이터 스트림은 통계적 다중화를 통해 고정 비트 전송률 전송 스트림으로 함께 다중화된다. 이를 통해 여러 비디오 및 오디오 채널을 다양한 서비스와 함께 동일한 주파수 채널을 통해 동시에 전송할 수 있다. 여기에는 여러 디지털 표준 텔레비전(SDTV) 프로그램(특히 DVB-T, DVB-S2, ISDB 및 ATSC-C에서) 또는 하나의 HDTV, 그리고 하나의 6~8 MHz 폭의 TV 채널을 통해 단일 SDTV 동반 채널이 포함될 수 있다. 이를 수행하는 장치를 통계적 멀티플렉서라고 한다. 이러한 여러 시스템에서 다중화는 MPEG 트랜스포트 스트림을 생성한다. 새로운 DVB 표준인 DVB-S2 및 DVB-T2는 하나의 멀티플렉스에서 여러 HDTV 채널을 전송할 수 있는 용량을 가지고 있다.

디지털 라디오에서 멀티플렉스(앙상블이라고도 함)는 함께 그룹화된 여러 라디오 방송국을 의미한다. 멀티플렉스는 오디오 및 기타 데이터를 포함하는 디지털 정보 스트림이다.

방송 텔레비전 네트워크 및 라디오 네트워크를 전달하는 통신 위성에서는 이를 다중 채널 당 반송파 또는 MCPC라고 한다. 다중화가 실용적이지 않은 경우(예: 다른 소스가 단일 트랜스폰더를 사용하는 경우) 단일 채널 당 반송파 모드가 사용된다.

 아날로그 방송 
FM 방송 및 기타 아날로그 라디오 매체에서 다중화는 송신기에 들어가기 전에 오디오 신호에 부반송파를 추가하는 과정을 일반적으로 지칭하는 용어이며, 여기서 변조가 발생한다. (실제로 스테레오 다중 신호는 두 입력 신호(왼쪽 채널 및 오른쪽 채널) 사이를 초음파 속도(부반송파)로 전환한 다음 더 높은 고조파를 필터링하여 시분할 다중화를 사용하여 생성할 수 있다.) 이러한 의미에서의 다중화는 때때로 MPX로 알려져 있으며, 이는 1960년대 이래 스테레오 시스템에서 볼 수 있는 스테레오 FM의 옛 용어이기도 하다.

 기타 의미 
분광학에서는 동시에 여러 주파수 혼합물로 실험이 수행되고 푸리에 변환 원리를 사용하여 나중에 각각의 반응이 풀린다는 것을 나타내는 데 사용된다.

컴퓨터 프로그래밍에서는 단일 메모리 내 리소스(예: 파일 핸들)를 사용하여 여러 외부 리소스(예: 디스크 파일)를 처리하는 개념을 의미할 수 있다.

일부 전기 다중화 기술은 물리적 "멀티플렉서" 장치를 필요로 하지 않으며, "키보드 매트릭스" 또는 "찰리플렉싱" 설계 스타일을 나타낸다.
 다중화는 다중화 디스플레이(비다중화 디스플레이는 분할에 면역이다)의 설계를 나타낼 수 있다.
 다중화는 "스위치 매트릭스"(비다중화 버튼은 "팬텀 키"에 면역이며 ""팬텀 키 차단""에도 면역이다)의 설계를 나타낼 수 있다.

고처리량 DNA 시퀀싱에서 이 용어는 특정 시퀀스 판독값을 특정 샘플과 연결하기 위해 일부 인공 시퀀스(종종 바코드 또는 인덱스라고 함)가 추가되었음을 나타내며, 따라서 동일한 반응에서 여러 샘플의 시퀀싱을 허용한다.

사회언어학에서 다중성은 사회 네트워크의 일부인 개인들 간의 뚜렷한 연결 수N을 설명하는 데 사용된다. 다중 네트워크는 구성원이 직장 동료, 이웃 또는 친척과 같은 하나 이상의 사회적 맥락에서 비롯된 여러 유대 관계를 공유하는 네트워크이다.

 같이 보기 
 CDMA
 코덱

 각주 


분류:디지털 텔레비전
분류:디지털 라디오
분류:방송공학
분류:물리 계층 프로토콜
분류:텔레비전 용어