4. 다원접속방식 양방향통신의 구조 - 다중접근 - 듀플렉스 FDMA TDMA CDMA 랜덤액세스 방식 순수 알로하 슬롯 알로하 CSMA CSMA/CA

4. 다원접속방식 • 양방향통신의 구조 • - 다중접근 • - 듀플렉스 • FDMA • TDMA • CDMA • 랜덤액세스 방식 • 순수 알로하 • 슬롯 알로하 • CSMA • CSMA/CA

4.1 양방향통신의 구조 다중화: 기지국과 위성에서 각 사용자 단말로 향하는 신호를 복수개의 회선(채널) 으로 묶어서 송신 다원접속: 각 사용자 단말이 기지국과 위성에 접속하는 것 듀플렉스(복신: duplex): 양방향 통신(기지국과 사용자단말 사이)에서 상향채널(사용자단말→기지국)과하향채널(기지국→사용자단말)의 관계

4.1 양방향통신의 구조 다중화의 구조:

4.1 양방향통신의 구조 주파수분할다중(FDM): 사용하는 주파수대역을 분할 시분할다중(TDM): 주파수대역을 사용하는 시간을 분할 코드분할다중(CDM): 서로 독립적인 코드로 분할 직교주파수분할다중(OFDM): 무선 LAN(IEEE 802.11n)과 4세대 LTE 및 WiMAX에서 사용 6장 2절에서 다룬다. 다중화 방식

4.1 양방향통신의 구조 듀플레스(복신) 방식 시분할복신(Time Division Duplex: TDD): 양방향 통신에서 상향회선과 하향회선의 주파수를 동일하게 사용하는 경우, 일정한 시간간격으로 송신과 수신을 변경 주파수분할복신(Frequency Division Duplex: FDD): 사용자 단말 측과 기지국에서 서로 다른 송신 주파수를 이용하여 양방향 통신을 구현

4.1 양방향통신의 구조 다원접속 방식 • 주파수분할다원접속(FDMA: Frequency Division Multiple Access): • 서로 다른 주파수대역을 사용자 단말에 나누어 사용 • 상향회선으로 같은 주파수를 사용하면 간섭 때문에 통신이 곤란 • 시분할다원접속(TDMA: Time Division Multiple Access): 각 사용자 단말 • 에 특정한 시간간격 동안 동일한 주파수대역을 할당 • 코드분할다원접속(CDMA: Code Division Multiple Access): 각 사용자 • 단말에 서로 독립적인 코드를 할당하여 신호를 확산하는 경우에는 • 동일한 주파수를 사용해도 이러한 제약이 없다. • 직교 주파수분할다원접속(OFDMA)

4.2 FDMA 방식 주파수 대역을 사용자 단말에게 개별적인 주파수대역 (주파수 슬롯)으로 분할하여 할당 각 사용자 단말에는 송신주파수와 수신주파수가 짝으로 할당 <예> 5명의 사용자가 3개의 채널을 공유

4.2 FDMA 방식 • 저속통신  채널의 대역폭을 작게 할 수 있고, • 장치의 소형화와 저소비 전력의 관점에서 유리 • 여전히 위성통신 시스템과 소형화를 중시하는 시스템 등에 채용 • 채널의 간격을 줄이면  주파수의 이용효율 향상 • (그러나) 도플러효과에 의한 주파수변화(이동통신의 경우) • 보호대역(guard band: 인접 주파수와의 사이에 두는 주파수대역)을 확보 • 인접 채널과의 간섭을 회피해야 함

4.3 TDMA 방식 • 각 사용자 단말이 단시간의 타임 슬롯 동안 고속의 신호를 수신할 필요 • FDMA 방식에 비해 고출력 증폭기와 높은 안테나이득이 요구 • 장치가 커지는 단점 • 타임 슬롯 사이에 보호시간(guard time: 슬롯 사이의 시간 간격. • FDMA 방식의 보호대역과 유사)을 확보 • 프레임의 충돌을 회피하기 위해 각 사용자 단말의 시각을 동기화시킬 필요 <예> 5명의 사용자 1개의 타임슬롯 = 3개의프레임

4.2 FDMA 방식 (그러나) 전력효율 좋음  위성통신 시스템에서 장점발휘 <그림 4.6> TDMA와 TDM에 의한 통신의 예

4.4 CDMA 방식 무선신호: • 자유공간의 전파(propagation)는 항상 빛과 유사함 (직진성) • 보안 문제 • 수신전력은 다음과 같은 요인에 의해 영향 받음 • *페이딩(fading) 수신 전계 강도가 시간적으로 변동하는 현상 • - 차단(shadwing, blocking) • - 큰 장애물에의 반사(reflection) • - 굴절(refraction)은 매체의 밀도에 좌우됨 • - 작은 장애물에서의 산란(scattering) • - 모서리에서의 회절(diffraction) • 다중경로 전파 • 송신기와 수신기 사이에서 신호는 반사, 산란, 회절 등에 의해 서로 다른 경로를 가질 수 있슴 • 신호는 수신기에 직접적으로 위상이 이동된 상태로 도착 ⇒ 서로 다른 부분의 위상에 따라 신호 왜곡

4.4 CDMA 방식 • 직교하는 확산코드를 사용하는 스펙트럼 확산(Spectrum Spread) 기술을 사용 •  각 사용자의 단말 신호를 직교(독립)화 • 각 사용자 단말 신호를 포함한 주파수 자원과 시간자원이 함께 전파공간에서 • 중첩됨

4.4 CDMA 방식 • 기본 원리: • 1차 변조된 베이스밴드 신호에 동일하게 (-1, 1)로 구성된 확산코드를 곱해서 전송 • 확산 코드 의사잡음(Psedo Noise: PN) 코드라고 부르는 랜덤 신호 • 칩 율(chip rate: (chip/s): 확산신호의 단위 시간당 변화율 • 확산율: 베이스밴드 신호와 칩 율과의 비율 • 확산율이 커질수록 스펙트럼의 확산도 커진다. • 1차 변조신호보다도 변화율이 커지는 확산신호로 변조함으로써 변조파의 • 스펙트럼은 더 많이 넓어지게 됨

4.4 CDMA 방식 • DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) • 임의의 대역을 갖는 1차 변조 신호는 확산에 의해 광대역 신호가 됨 • 광대역 신호가 전파경로에서 다른 시스템의 간섭파 신호와 함께 수신 • 수신측: 역확산에 의해 광대역 신호는 원래의 대역폭을 갖는 신호로 복원 • 간섭파 신호는 역으로 확산  넓은 대역에서 낮은 전력 레벨을 갖는 잡음이 되어 그 영향이 약해진다.  CDMA 방식은 잡음과 간섭에 강하다. • 확산 코드를 모르면 베이스밴드 신호 재생불가 CDMA 방식은 보안에 강하다.

4.4 CDMA 방식 베이스밴드 신호의 확산과 역확산: • CDMA에서 의사잡음(Psedo Noise: PN) = 확산 코드 • 좋은 자기 상관: 자기 자신과 곱해진 벡터의 내적의 절대값은 클 수록 좋다. 벡터의 내적(inner product) a = (a1, a2, …, an) b = (b1,b2,….,bn) a*b = a1 b1 + a1 b1 +…+ an bn (2) 직교 코드 (orthogonal): 다른 코드와는 직교해야 함. (예) 두 벡터, (2,5,0) * (0,0,17) = 0+0+0 = 0 이므로 직교함 (1,2,3)*(4,2,-6) = 4+4-18 = -10 (직교 안함)

4.4 CDMA 방식 • 송신기 A • 데이터 Ad = 1, 확산코드Ak = 010011 (assign: „0“= -1, „1“= +1) • 데이터Bd = 0, 확산코드Bk = 110101 (assign: „0“= -1, „1“= +1) • 송신신호 As = Ad * Ak = 1 * (-1, +1, -1, -1, +1, +1) (-1, +1, -1, -1, +1, +1) • 송신기 B • 송신신호 Bs = Bd * Bk = -1 * (+1, +1, -1, +1, -1, +1) (-1, -1, +1, -1,+1, -1) • 두 확산 코드의 직교성: Ak* Bk = (-1, +1, -1, -1, +1, +1) * (+1, +1, -1, +1, -1, +1) = 0 • 두 신호는 동일한 주파수 대역에서이용하여 전송되기 때문에 신호가 겹침 • C = As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • 수신기는 A의 송신 신호를 복구하고 싶어함 • 비트 단위로 확산코드(Ak)를 적용(inner product) • C*Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) * (-1, +1, -1, -1, +1, +1)= 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = 6 • 결과가 0보다 큼 => 원래 신호는 “1” • B 신호 복원 • C*Be = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) * (+1, +1, -1, +1, -1, +1) =-2 + 0 + 0- 2 - 2 + 0 =-6, • 0보다 작음 => 원래 신호는 “0”

4.4 CDMA 방식 주파수 대역의 사용 <그림 4.10> 주파수 대역을 교대로 이용하는 예 1세대 FDMA 방식과 2세대 TDMA 방식: 둘 다 인접된 기지국에서 서로 다른 주파수를 사용하여 다른 기지국으로부터의 간섭 을 회피한다. (그러나) 지형과 건물 등의 영향  단지 거리 조건만으로 간섭의 영향을 결정하지 못하고 세밀하게 간섭을 측정할 필요 (또한) 가입자가 증가함에 따라 새롭게 기지국을 건설  주파수 배치를 재검토할 필요 3세대 CDMA 방식: 확산코드를 할당  모든 기지국이 동일한 주파수를 이용하여 통신할 수 있다  위의 문제를 회피가능

4.4 CDMA 방식 CDMA의 문제점: • 원근문제: 기지국에서 수신한 두 사용자 단말의 신호의 수신 전력의 세기가 크게 달라지는 문제 • 더 먼 쪽의 사용자 단말로부터 온 작은 신호전력이 기지국 근처에 있는 사용자 단말의 전력에 매몰되는 상태가 발생 • 사용자 단말이 기지국에서 송신된 전파를 항상 참조하여 기지국이 수신하는 사용자 • 단말의 전력세기를 균일하게 만들어주는 송신전력제어를 통해 회피 • 간섭문제: 사용자를 물리적으로 분리하지 못하고 단지 코드에 의해 분리함으 • 로써 발생되는 간섭  간섭을 회피하기 위해 주파수 대역을 서로 직교(간섭 • 이 없는)하는 서브캐리어로 나누어 전송 (OFDMA) • 속도문제: 무선 채널의 다중 경로 현상에 대처  Rake 수신기를 사용하면 • 10 Mbps 전송속도까지는 효율적 (그러나) 그 이상 속도에서는 chip 간 간섭증가  하드웨어 복잡 •  수용 가능한 사용자 용량에 제한 •  데이터를 각 서브 캐리어로 나누어 병렬로 전송하는 기술 필요 (OFDMA + MIMO)

4.4 CDMA 방식 정리(1,2,3,4 세대)

4.4 CDMA 방식

4.5 랜덤 액세스 방식 • 매체접근(MAC: Medium Access Control) 방식: • 고정할당: FDMA, TDMA, CDMA • 순번(take turns-충돌 회피) • Token 토큰버스, 토큰링 • master/slave(polling) 블루투스 • 경쟁(contention): Aloha (순수 알로하, 슬롯 알로하) CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA/CD (IEEE 802.3, DIX-2.0 이더넷) CSMA/CA (IEEE 802.11)RTS/CTS 무선 랜

4.5 랜덤 액세스 방식 랜덤 액세스 방식: 송신할 데이터가 발생할 때 마다 사용자 단말이 정보를 특정 길이의 패킷으로 분할하여 송신  사용자 단말이 복수 개 존재할 때 송신 패킷의 충돌(collision) 발생

4.5 랜덤 액세스 방식 • 순수 알로하(ALOHA) 방식: 전송 데이터 패킷이 발생하는 즉시 송신 • 일정 시간 내에 수신확인(ACK: Ackowledgement)을 받지 못하면 재전송 • 하와이 대학에서 개발 • 슬롯 알로하 방식: 데이터의 송신 시각을 시간 슬롯에 맞추는 알로하 방식 • 기지국(제어국이라고 부르는 경우도 있음)이 타이밍의 동기 정보를 각 사용자 단말로 • 송신  각 단말은 동기 정보를 수신 • 특정 슬롯에 맞추어 송신 개시 • 패킷의 부분적인 충돌이 없어서 충돌 확률이 낮아짐 • 전송 효율은 순수 알로하 방식보다 높아짐

4.5 랜덤 액세스 방식 순수 알로하방식:

4.5 랜덤 액세스 방식 슬롯 알로하방식:

4.5 랜덤 액세스 방식 순수 알로하방식과 슬롯 알로하 방식:

4.5 랜덤 액세스 방식 • CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 방식: • 무선 채널의 사용 상황을 감시(carrier sense)하여 비어있다고 판단되면 송신 • 무선 LAN의 접근방식으로 채용 • CSMA/CA: • 캐리어 센스를 통해 충돌을 회피(Collision Avoidance) • 송신하고 있는 캐리어의 존재를 검파 •  임의의 시간이 지난 후에 재전송 • 숨겨진 단말문제: 캐리어를센스해도 검출하지 못하는 위치에 • 다른 사용자 단말이 존재  양 단말의 송신개시에 의해 기지국에서 • 충돌 발생  처리율 하락 • 해결방법: 무선 LAN(8장)에서 설명

CSMA/CD (Collision Detection): 유선 LAN MAC 프레임 조립 no Carrier Sense == ON ? yes yes Carrier Sense == ON ? • 동기 비트 탐지 • 그 뒤의 데이터부터 저장 1 동기 비트 전송 완료 ? no • 9.6 μs 기다림 • 전송시작 • (동기 비트부터) no no 수신지 주소 일치 ? • 프레임 폐기 • 에러 보고 2 계속 전송 yes 수신데이터를 버퍼로 이동 yes yes 데이터크기 64바이트 미만 충돌 탐지 ? • 전송 중단 • Jam 신호 (3.2 μs) • 시도횟수 증가 3 yes 1 데이터크기 1500바이트 초과 no no CRC 에러 있음 수신 완료 3 MAC 제어기 1 2 CPU 인터럽트 3 시도횟수 ≥ 16 ? no Ether Type 조사 backoff 시간 대기 yes MAC 드라이버 S/W 프레임 분해 시도횟수 초과 에러 보고 (51.2 μs 단위) 상위 계층으로 전달

일본 노벨물리학상 유카와히데키(湯川秀樹, 1907~1981)중간자에 대한 연구 1934년:핵력(양성자-중성자)에 대한 이론적인 연구: 중간자의 존재를 예측 1937년 앤더슨과네더마이어, 그리고 다른 미국 과학자들이 중간자의 존재를 확인 1949년: 노벨 물리학상 노자 42장: 道生一一生二二生三三生萬物萬物負陰而抱陽 만물은 음을 진 채 양을 품고 있는 데 沖氣以爲和 두 기가 서로 만나 조화를 이룬 것이다. 도모나가신이치로(朝永振一郞, 1906~1979) 양자전기역학에 대한 연구 1937년 ~1939년:라이프치히 대학교에서 하이젠베르크 교수의 지도 아래 원자핵이론을 연구 상대성 이론과 양자역학을 융합 1965년: 노벨 물리학상 (리차드파인만 공동수상)

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일본 노벨물리학상 페르미, 오토 한 • 우라늄 원자 (92)가 바륨 (56)과 크립톤(36)으로 변할 때, 변하기 전과 후의 질량이 다르다. • 핵분열을 하면서 약간의 질량이 어디론가 사라짐 • 예를 들면, 100g이 둘로 나누어지면, 70g과 30g이 되어야 하는데, • 69g과 29g이 되어 2g이 사라짐.E=mc² 공식에 의해 • 사라진 질량  전자기파 형태의 에너지로 변함.

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일본 노벨물리학상 에사키레오나(江崎玲於奈, 1925~) 반도체 PN 접합에서 터널링 효과(전압을 크게 할수록 반대로 전류가 감소하는 부성 저항이 나타난다) 발견 1975년: 노벨 물리학상 고시바 마사토시(小柴昌俊, 1926~) 뉴트리노(중성미자): 소립자의 일종, 빅뱅, 전기적 중성, 1cm3 = 300개 존재 초신성(우주선), 태양(핵융합), 대기 [양자붕괴] 양자  양전자 + π중간자 π중간자  2개의 감마선  전자 + 양전자 체렌코프 복사(푸른빛) 우주 엑스선원(17만광년초신성)의 발견: 가미오간데(지하 1000미터 폐광 5000톤 물) 물속에 들어온 뉴트리노가물분자안의 수소 원자핵과 충돌  빛을 검출 2002년: 노벨 물리학상

일본 노벨물리학상 마스카와도시히데 • 1972년 쿼크 섞임과 CP 위반- 소립자를 구성하는 기본입자인 쿼크가 • 6개 존재한다는 예언 • 30년 후에 증명됨. 2008년, 고바야시마코토, 난부요이치로 등과 함께 노벨 물리학상을 수상 고바야시마코토(小林誠, Kobayashi Makoto) 6가지 맛깔의 쿼크가 존재한다는 이론을 통해 약력에서의 CP 위반을 설명 난부요이치로(NanbuYoichiro) 물리학자 시카고대학교 엔리코페르미연구소 명예교수 입자물리학에서 대칭성의 자발적 깨짐을 발견 소립자가 어느 방향으로도 움직일 수 있는 가능성(대칭성)이 어느 순간 자발적으로 깨지면서 특정의 한 방향을 선택하는 현상이 발생할 수 있다.

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