다중화 기법

1. 자원 나누어쓰기

프로토콜은 여러가지 종류가 있는데 SNA, TCP/IP, OSI 등의 구분은 컴퓨터 제조회사 혹은 국제표준화기구 등에 의해 조직적으로 개발된 서로 연관성을 갖는 프로토콜의 집단이다. SNA는 IBM에 의해 사용되고 TCP/IP는 인터넷에서 사용된다. OSI는 전반적인 사용자를 확보하고 있지는 못하다.

PDU(Protocol Data Unit)는 프로토콜에서 정보를 실어 나르는 기본 단위를 의미한다. 물건이 컨테이너 단위로 이루어지는 것처럼 정보의 전송은 PDU 단위로 이루어진다.

하드웨어 자원 뿐만이 아니라 소프트웨어 자원도 여러 사람이 어떻게 효율적으로 나누어 쓸 것이냐하는 것이 가장 큰 문제이다. 자원을 나누어 쓰되 자원을 얻기 위해 각자가 기다리는 시간은 최소화 되어야 하며 모든 이용자에게 평등하게 사용기회가 주어져야 하며 시스템 전체로 보아서는 최대의 성능(throughput)을 유지하여야 한다. 그리고 또한 관리 자체를 위한 오버헤드(overhead)는 최소가 되어야 하며 자원의 이용에는 균형이 유지되어야 한다. 즉 특정자원만 과도하게 이용되고 나머지 자원들은 한가하게 놀아서는 안된다. 또 필요하다면 특정 이용자에게 우선권(priority)을 줄 수도 있어야 한다.

이상은 운영체제의 교과서에 나오는 자원 나누어 쓰기의 몇가지 원칙이다. 자원을 나누어 쓰는 이유는 자명하다. 자원을 나누어 씀으로써 좀 더 적은 경비를 들이면서도 똑같은 서비스를 얻기 위함이다.

세상에 자원이 무한대로 많아서 모든 사람들이 공짜로 쓸 수 있다고 하면 머리 아프게 어떻게 효율적으로 나누어 쓸 것인가를 고민할 필요가 없을 것이다. 필요한 모든 사람에게 원하는 자원을 모두 주어버리면 그만일 것이고 그렇다면 컴퓨터 운영체제의 거의 대부분 기능이 소용없게 될 것이다.

운영체제를 연구하는 컴퓨터 과학자들은 대부분의 시간을 사용자 접속(user interface) 부분에 쏟아야 할 것이다. 그러나 무한한 자원은 단지 상상일 뿐이고 실제 그러한 일은 절대로 나타나지 않을 것이므로 운영체제를 연구하는 컴퓨터 과학자들의 일거리가 금방 사라질 것 같지는 않다.

2. 대역폭 개발과 활용

이러한 자원 나누어쓰기의 문제는 통신분야에서도 똑같이 존재한다. 컴퓨터의 경우와 마찬가지로 통신교과서의 상당부분 또한 자원 나누어쓰기에 많은 페이지를 할애하고 있다.

컴퓨터에서의 중요자원이 중앙처리장치(CPU), 주기억장치, 보조기억장치, 데이터베이스 혹은 파일이라고 한다면 통신에서의 중요 자원은 무엇보다 대역폭(bandwidth)이라고 할 수 있다.

대역폭이란 정보의 전송채널이 얼마 만큼의 정보 전송능력을 갖느냐 하는 능력이고 도로에 비유한다면 도로폭이 된다. 도로의 폭이 넓어야 도로의 수송능력이 커지듯이 통신에서는 채널의 대역폭이 넓어야 채널의 전송능력이 커진다. 다른 말로 하면 통신 용량이 커지는 것이다. 통신의 원가에서 대역폭이 차지하는 비용의 몫은 거의 절대적이다.
물론 통신원가에서 스위칭장비나 단말기등도 상당 부분을 차지하기는 하나 통신채널이 차지하는 비율에는 훨씬 못미친다. 또한 스위칭장비도 어떻게 보면 대역폭을 나누어 쓰기 위한 보조장비로 볼 수 있으므로 통신원가의 대부분은 결국 대역폭의 비용이라고 볼 수 있다.
따라서 당연히 통신공학자들은 대역폭을 효율적으로 나누어 쓰는 방법을 개발하여 어떻게 통신비용을 줄일것인가에 주목하지 않을 수 없다. 똑같이 투자한 대역폭을 많은 사람이 나누어 쓰면 쓸수록 개인당 통신비용은 줄어들 수 있기 때문이다.

통신기술의 역사를 보면 그 내용의 상당 부분이 이 대역폭과의 싸움으로 볼 수 있다. 대역폭과의 싸움은 두가지로 볼 수 있는데 그 하나는 어떻게 더 넓은 대역폭을 확보하느냐 하는 것이고 또 하나는 같은 대역폭을 어떻게 효율적으로 나누어 쓰느냐 하는 것이다.

더 넓은 대역폭을 확보하고자 하는 노력은 결국 어떻게 높은 주파수의 신호를 만들고 이를 멀리까지 원형 그대로 보낼 수 있느냐 하는 것으로 귀결될 수 있는데 이는 높은 주파수를 안정적으로 만들어낼 수 있는 소자의 개발과 최근의 광통신기술로 해결되어 가고 있다.
대역폭 넓히기 작업의 첫째 목적은 넓은 대역폭을 여러 사람이 나누어 씀으로써 한사람당 통신비용을 최소화하자는 것이다.
일반적으로 대역폭을 100배 넓히면 100배 만큼의 사람이 동시에 이용할 수 있는데 반하여 대역폭을 100배로 넓히는데 소요되는 비용은 그보다 훨씬 적게 들므로 대역폭을 넓혀 나누어 쓰는 것이 통신 비용을 현격하게 낮출 수 있는 방법이 되는 것이다.

대역폭 넓히기 작업의 두번째 목적은 고속 통신 요구를 수용하기 위함이다.
모노 음악보다는 스테레오 음악을 전송하기 위한 대역폭이 더 넓어야 되고 흑백 TV보다는 컬러 TV를 전송하기 위한 대역폭이 더 넓어야 하며 기존의 TV보다는 HDTV를 전송하기 위한 대역폭은 더욱 넓어야 한다. 통신 이용자의 대부분은 사람이고(음성통신) 팩스나 컴퓨터 통신의 이용 비율은 아직 낮은 편이나 시간이 지날수록 통신이용 비율은 사람으로부터 컴퓨터 쪽으로 옮겨가고 있다.
이 또한 고속 통신 요구의 필요성이 커지고 있는 이유이다. 왜냐하면 앞으로 대부분의 컴퓨터 통신은 넓은 대역폭이 요구되는 멀티미디어 통신을 하게 될 것이기 때문이다.

3. 주파수 분할과 시분할

대역폭의 넓히기가 주로 하드웨어적인 기술에 의존한다면 대역폭 나누어쓰기 기술은 하드웨어 기술로 출발하여 최근에 와서는 소프트웨어 의존도가 매우 커지고 있다. 왜냐하면 하드웨어 보다는 소프트웨어가 휠씬 융통성을 발휘하기가 쉽기 때문이다.

정보를 전송하기 위해서는 전기 혹은 광신호를 이용해야 하는데 이런 신호는 주파수 영역과 시간 영역들로 구분할 수 있다. 따라서 대역폭 나누어쓰기도 결국 이 두가지 관점에서 출발한다.

즉 주파수 영역을 나누어쓰는 방법이 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing) 이고 시간 영역을 나누어 쓰는 방법이 시분할 다중화(Time Division Multiplexing) 이다.

주파수 분할 다중화 방식은?

주파수 분할 다중화 방식은 마치 넓은 도로를 몇개의 차선으로 나누는 것과 똑같이 넓은 대역폭을 몇개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용하는 것이다. 이는 하나의 큰 공간을 몇개의 방으로 나누어 사용하는 것과도 같은 개념이다.

주파수 분할 방법은 아날로그적인 방법이다. 사람의 음성이나 데이터나 주파수 분할 다중화 방법에서는 아날로그 형태로 전송되기 때문이다.

사람의 음성을 전송하기 위해서는 3KHz의 대역폭이 필요하다. 다른 말로하면 음성대역폭(voice grade bandwidth)은 3KHz이다. 따라서 여기 48KHz의 대역폭을 갖는 채널이 있다면 이를 주파수 분할하여 12명이 동시에 통화할 수 있다.
현실적으로 음성대역폭은 3KHz이지만 앞뒤의 여유를 생각하여 약간띄우기 때문에(guard band) 음성대역폭은 이 여유분을 포함하여 4KHz가 되고 48KHz÷4KHz=12가 되는 것이다.
8KHz의 대역폭을 갖는 채널을 데이터 통신에서 이용하는 경우에도 똑같다. 왜냐하면 우리가 보통 사용하는 모뎀은 음성대역폭에서 동작하는 모뎀이므로 이 모뎀 역시 여유분을 포함하여 4KHz의 대역폭이면 충분히 신호를 전송할 수 있기 때문이다.

주파수 분할 다중화 방법은 가장 고전적인 다중화 방법으로 차츰 그 이용 빈도가 줄어갈 것으로 보인다. 왜냐하면 주파수 분할 다중화 방법은 시분할 다중화 방법에 비해서 비효율적이며 앞으로는 모든 전송은 디지탈로 이루어질 것이기 때문이다.

시분할 다중화 방식은?

시분할 다중화 방법은 앞에서 말한대로 시간을 조각내어 이 조각낸 시간 단위(time slot)를 여러 이용자에게 할당하여 음성 혹은 데이타를 전송하게 하는 방법이다.

T1은 미국식의 시분할 다중화 방식이며 속도는 1.544Mbps, E1은 유럽방식으로 속도는 2.048Mbps이며 T1 다중화에는 음성 24개, E1 다중화에는 30개의 음성이 실리게 된다. 장거리 전송로에서는 이 두가지 시분할 다중화 방식이 주로 이용된다.

데이터 전송을 위한 시분할 다중화 방식에서는 앞에 설명한 기본적인 시분할 방식에서 약간 변형된 방법이 이용된다.
기본적인 시분할 다중화 방법을 동기식 시분할 다중화 (Synchronous Time Division Multiplexing)라고 하고 변형된 방법을 비동기 시분할 다중화(Asynchronous Time Division Multiplexing)라고 부른다.

4. 동기/비동기식 다중화

동기식 시분할 다중화는 시간의 조각(time slot)을 모든 이용자에게 규칙적으로 할당해주는 방법으로 이용자들이 실제로 보낼 데이타를 갖고 있거나 있지 않거나를 막론하고 무조건 타임 슬롯을 할당하게 되는데 이 경우 보낼 데이타를 갖고 있지 않은 터미널에 할당된 타임 슬롯은 낭비되게 되는 비합리적인 면이 있다.

비동기식 시분할 다중화 방법은 이러한 낭비 요인을 없애기 위해 개선된 방법으로 실제로 전송할 데이타를 갖고 있는 터미널에게만 타임 슬롯을 할당하고 여유있는 타임 슬롯은 또 다른 터미널에게 할당함으로써 동기식 방법과 같은 대역폭(속도)을 갖는 경우에도 더 많은 터미널을 지원할 수 있게 한다.
여기서 동기식이니 비동기식이라고 말하는 것은 타임 슬롯 할당의 규칙성을 두고 말하는 것으로 동기식은 규칙적으로 비동기식은 임의(random) 필요에 따라 할당하는 것을 의미한다.

동기식 시분할 다중화 방식이 동기식 단말기를 지원하고 비동기식 시분할 다중화기가 비동기식 단말기를 지원하는 방식이라고 오해하면 절대로 안된다.
비동기식 시분할 다중화기가 대역폭(채널)의 이용효율을 높여주는 것은 틀림없으나 트래픽이 모든 단말기에서 연속적으로 발생하는 경우에는 오히려 성능저하를 가져올 수 있고 전송지연이 발생할 수도 있다.
그러나 데이타 트래픽은 통계적으로 보아 모든 단말기에서 연속적으로 발생활 확률이 그렇게 크지 않기 때문에 충분히 그 존재의의가 있는 것이다. 비동기식 시분할 다중화기를 통계적 시분할 다중화기(statistical time division multiplexing)라고 부르는 이유가 여기에 있다.

또 다른 차이점은 동기식 방법이 모든 프로토콜에 대해 투명성 (transparency)을 갖는데 비해 비동기식은 프로토콜 의존적 (protocol sensitive)이라는 것이다.

이는 동기식 방법이 모든 이용자에게 사용하든지 안하든지 불문하고 타임 슬롯을 할당하므로 모든 이용자가 자신에게 할당된 최고 속도의 트래픽이 연속적으로 발생하여도 아무런 말썽이 있을 수 없는데 비해

비동기식 방법은 다중화기 간의 링크의 속도보다 더 많은 수의 단말기를 거느리게 되므로 모든 단말기가 최고 속도의 트래픽을 연속적으로 발생시킨다면 데이타의 분실 우려가 있고 분실을 막기 위해서는 흐름제어 기법이 필요한데 이 흐름제어기법은 프로토콜마다 차이가 있기 때문이다.

따라서 비동기식 시분할 다중화기에서는 포트마다 프로토콜이 다를 수 있으므로 주의를 기울여 사용해야 한다.

5. 다중화 방법의 확장

우리가 근거리통신망(Local Area Network)에서 사용하는 매체 액세스 제어(MAC: Medium Access Control) 방법도 모두 대역폭을 나누어 쓰기위한 방법의 일종이다. 다만 근거리 통신망에서 사용하는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 나 토큰 패싱(token passing)등의 방법은 대역폭 나누어 쓰기에 교환(스위칭)의 개념이 더해진 프로토콜이다.

근거리통신망은 기본적으로 하나의 전송매체가 갖는 대역폭을 나누어 쓰고자 하는데서 출발한 것으로 볼 수 있는데 근거리통신망에는 여러개의 노드들이 연결되고 여러개의 노드간에 상호통신이 가능해야 하므로 스위칭의 개념이 필요하다.

멀티플렉싱(multiplexing)과 멀티플 액세스(multiple access)의 차이는 멀티플렉싱(다중화)은 채널의 양쪽에 연결된 상대방이 고정되어 사용되는데 반해 멀티플 액세스는 한 채널을 모든 이용자가 상호접속하여 통신할 수 있게 해주는 기술이라는 점이다.
여기서 상호접속은 결국 스위칭이며 상호접속은 절대로 동시에 일어나서는 안된다. 근거리 통신망은 하나의 채널 하나의 대역폭을 가지므로 동시에 접속이 일어난다는 얘기는 결국 충돌이 일어난다는 이야기이고 충돌이 일어난다는 것은 정보전송에 실패했다는 것을 의미하기 때문이다.

따라서 멀티플 액세스(다중 접근) 프로토콜에는 모두 충돌에 대처할 수 있는 기술(mechanism)이 포함되어 있다. CSMA/CD는 가능하면 충돌을 회피하지만 충돌의 가능성을 완전히 배제하지는 못하고 충돌이 발생했을 때의 사후 조처를 프로토콜의 알고리즘에 포함시키고 있으며 토큰 패싱 방법들은 사전에 충돌이 발생하지 않도록 프로토콜이 짜여져 있다.

ATM(Asychronous Transfer Mode)에서도 대역폭 나누어쓰기가 이루어지는데 이때 사용되는 개념은 비동기식 시분할 다중화 방법과 같으며 무선통신에서의 TDMA(Time Division Multiple Access)도 결국 시분할 방법에 근거한 멀티플 액세스 방법이다. TDMA는 위성통신에서도 이용된다.

이와같이 모든 대역폭 나누어쓰기 방법은 주파수 분할 다중화의 개념이나 시분할 다중화의 개념을 그대로 이용하거나 약간의 변형을 거쳐 만들어진다.
따라서 획기적인 새로운 방법이 등장하기 전까지는 이 두가지 방법이 대역폭 나누어쓰기 방법으로서는 계속해 쓰일 것으로 보인다.

출처 : http://www.sudo21.net/co-jb-7.htm

PCM (Pulse Code Modulation)의 원리

1. 아날로그 정보를 디지털로 바꾸어야 할 필요성

2. 아날로그 정보의 디지털 변환 과정

(1) 표본화((sampling)

아날로그 신호를 일정한 간격으로 샘플링하는 것을 표본화라고 하는데, 『샘플링 주기는 원 신호 최고 주파수의 2배의 빈도로 표본화 하면 원래의 신호는 완전히 복원된다』는 표본화 정리가 PCM의 이론적 근거로 되어 있다. 전화의 경우 최고 주파수가 4kHz(1초간 4,000번 진동)이기 때문에 2배의 8kHz, 즉 매초 8,000회의 빈도로 표본화 하면 좋다는 것이 표본화 정리인 것이다.

즉 8kHz간격 (1÷8Khz=125마이크로 초)마다 보내더라도 좋은 것이다. 이렇게 해서 매초 8,000의 표본치 하나하나가 8bit의 2진 부호화되니까 8,000×8=64,000, 즉 매초 64kbit/s 의 부호 정보가 되는 것이다.

<그림 1 > PCM의 원리

(2) 양자와(quantization)

아날로그 음성 파형은 간단히 수치화하기 힘들다. 어느 수치와 수치 사이에 있을 수 있는 수치가 많기 때문에 이를 4사 5입해서 간단한 수치로 고치는 것을 양자화라고 한다.

(3) 부호화(encoding)

양자화 값을 2진 디지털 부호로 바꾸는 것을 부호화라고 한다. 즉 LSI(대규모직접회로)가 감지할 수 있거나 없는 펄스 조합으로 표시하는 것이다.

최대 변동폭을 세밀하게 구분하면 할 수록 샘플 값을 정교하게 보낼 수가 있다. 그러나 한 개의 샘플 값을 보내는 데 필요한 [0], [1] 펄스의 수 부호화 비트 수가 늘어나면 그만큼 반도체 부품이 늘어나게 되고, 반대로 듬성듬성 부호화하여 비트 수가 적어지면 품질이 나쁘게 된다.

<그림 2 > Analog-Digital 변환의 원리

시분할 다중방식(TDM)

’84년에 고속 디지털 회선이 등장한 이후 이같은 TDM방식을 이용한 시분할 다중 장치(TDM: Time Division Multiplexer)가 널리 사용하게 되었다.

디지털 변복조의 원리와 시스템 구성(1)

최근 단말(휴대전화)을 비롯한 무선통신 시스템의 상당수가 유저의 증가에 대응하기 위해 주파수 이용 효율과 보안성을 높이고, 소형화를 목적으로 디지털화화고 있는 추세이다. 더구나 고도의 정보통신 시스템에서 변조기술은 더욱 진화되어 복잡해지고 있다.
본고에서는 데이터 통신 시스템에 이용되고 있는 핵심 기술인 디지털 변복조 방식의 원리와 그 하드웨어에 대해 기초기술을 2회에 걸쳐 해설한다.

칩스앤파츠 편집부

디지털 변조와 아날로그 변조의 차이

기본적으로 아날로그 변조와 디지털 변조는 동일

디지털 변조도 아날로그 변조와 마찬가지로 반송파의 진폭, 주파수, 위상을 변화시키는 정보전달 방법의 하나이다. 반송파의 파라미터를 변화시킨다고 하는 점에서 양자는 같다고 할 수 있다.
아날로그의 진폭변조 AM에 상당하는 것이 ASK(Amplitude　Shift　Keying), 주파수변조 FM에 상당하는 것이 FSK(Frequency Shift Keying), 위상변조(phase modulation) PM에 상당하는 것이 PSK(Phase　Shift　Keying)이다. 진폭변조와 위상변조(phase modulation)를 조합한 변조방식도 있는데, 이것을 직교진폭변조 QAM(Quadrature　Amplitude　Modulation)라고 부른다.

이산값으로 변조

아날로그 변조의 변조신호는 연속으로 변화하지만, 디지털 변조에서는 0과 1의 이산값으로 변조를 건다.
ASK에서는 반송파의 진폭값에 데이터를 대응시킨다. 그림 1에 ASK 변조파의 예를 나타낸다. 데이터 0에 진폭 0이, 1에 최대진폭이 대응한다.

디지털 복조란, 아날로그 복조와 마찬가지로 수신한 변조파로부터 보내진 변조신호를 복원하는 것이다. 송신측의 원 데이터(0, 1)를 복원하는 것을 의미한다.
그림 1의 예에서는 진폭 0을 데이터 0에, 최대진폭을 데이터 1에 대응하도록 송신측과 수신측에 정해져 있으면 수신측에서 변조파의 진폭정보로부터 판정회로를 통해 데이터를 복원할 수 있다. 이것이 디지털 복조이다.

다치변조에 의해 주파수 이용 효율 높인다
1) "심벌"이라고 하는 단위
그림 1에 나타낸 ASK에서는 제로진폭과 최대진폭이 데이터의 0과 1에 대응하고 있으며, 두 변조상태로 1비트분의 데이터를 표현하고 있다. 이 변조상태를 심벌이라고 하는 단위로 나타낸다. 그림 1의 디지털 변조파는 2심벌로 모든 데이터를 나타내는 ASK 변조파라고 할 수 있다.

2) 다치변조란
그림 1의 시간 T내의 변조파 변조상태의 수를 늘려서 1심벌로 나타내는 비트수를 2비트, 3비트로 증가시켜 가면, 같은 시간 T내에 정보를 송신할 수 있다.

그림 2에 4심벌의 ASK 변조파(4치 ASK)를 나타낸다. 반송파를 4단계의 진폭으로 변조하고 있다. 그림에 나타낸 베이스밴드 신호란, 데이터로부터 만들어진 변조용의 신호이다. 4치 ASK의 베이스밴드 신호는 4단계의 전압 레벨(4심벌)을 가지며, 1심벌로 2비트의 데이터를 표현하고 있다. 이와 같이, 하나의 심벌에 복수의 데이터를 할당하는 변조방식을 다치변조라고 한다.

3) 심벌 주파수는 낮을수록 주파수 이용 효율이 높다
심벌 주파수란 변조파가 변화하는 주파수이다.
그림 1의 ASK 변조는 1심벌을 표현할 수 있는 데이터는 하나이기 때문에 데이터를 읽어들이는 주파수(데이터 레이트)와 심벌 주파수는 같다. 한편, 다치변조에서는 1심벌로 복수의 비트 정보를 보낼 수 있으므로 데이터 레이트와 심벌 주파수는 일치하지 않는다.
같은 데이터 속도에 대해 심벌 주파수가 낮아지는 것이 다치화의 이점이다. 심벌 주파수가 낮아지면 다음에 설명하는 주파수 대역도 좁아진다.

변조신호를 LPF에 통과시킬 필요가 있다
동시에 많은 사람이 통화할 수 있는 시스템을 실현하기 위해서는 하나의 송수신 채널이 사용하는 주파수의 주파수 대역폭을 가급적 좁게 하는 것이 중요하다. 그러나, 디지털 변조 시스템에서는 베이스밴드 신호가 고조파를 많이 포함하고 있기 때문에 아날로그 변조와 같은 변조 방법으로는 1채널당의 점유대역이 넓어져 주파수 이용 효율이 매우 나빠진다.
여기서는 디지털 변조에서 일반적인 PSK를 예로 들어, 이 문제의 해결방법에 대해 설명한다.

1) 베이스밴드 신호를 그대로 변조하면
그림 3에 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조파의 예를 나타낸다.

2심벌의 BPSK는 2가지 변조상태로 1비트 데이터(0, 1)를 나타낸다. 베이스밴드 신호의 파형 상태는 2가지로 데이터 0일 때 반송파의 위상은 0 rad, 데이터 1일 때 위상은   rad 회전한다. 그림에서 알 수 있듯이, 베이스밴드 신호가 바뀔 때 변조파의 위상이   rad 회전하고 있다. 여기서 말하는 위상이란, 반송파를 기준으로 한 값으로 위상이 0 rad라고 하는 것은 변조파와 반송파와 위상이 같다고 하는 것이다. 반대로 위상 0 rad를 표시하려면 반송파 그 자체를 사용하면 되는 것이다.

그림 4에 그림 3의 BPSK 변조파의 스펙트럼을 나타낸다. 반송파의 주파수는 100MHz이다. 그림 3의 변조파 화살표의 부분에서 전압이 급변하고 있는 것에서도 예측할 수 있듯이 스펙트럼이 넓은 대역으로 분포한다. 이대로는 같은 대역에서 사용할 수 있는 송수신 채널의 수가 한정되어 버린다.

2) 베이스밴드 신호를 LPF에 통과
이 문제는 베이스밴드 신호에 LPF를 걸어 높은 주파수를 제거하고 나서 변조기에 입력함으로써 해결한다.
변조파의 대역을 제한하는 방법도 생각할 수 있지만, 반송파의 높은 주파수로 감쇠 특성의 매우 급격한 BPF가 필요하게 되므로 통상은 사용되지 않는다.

그림 5에 LPF를 통과한 후의 베이스밴드 신호와 변조파를 나타낸다. LPF의 통과대역을 심벌 주파수(500kHz)로 설정하고 있기 때문에 베이스밴드 신호의 기본파가 얻어지고 있으며 파형은 거의 사인파 형태로 된다. 변조파를 보면상하대칭의 2종류 파형이 1 s마다 나타나고 있으며, 그림 3과 마찬가지로 위상은 화살표의 포인트로   rad만큼 변화하고 있다.
그림 6에 그림 5의 파형 스펙트럼을 나타낸다. 스펙트럼의 확산이 없어져 바로 부근에 다른 채널을 설정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 그림 6에서는 알기 쉽도록 반송파 주파수를 100MHz로 변경했다.
이와 같이, 통과대역이 심벌 주파수 정도의 LPF에 베이스밴드 신호를 통과시키면, 데이터를 재현할 수 있다는 것을 알 수 있다. 점유대역은 심벌 주파수에 의해 정해진다.

ASK, FSK, MSK, GMSK 변복조의 원리

ASK 변조
ASK(Amplitude　Shift　Keying) 변조회로는 그림 7(a)에 나타낸 바와 같이 곱셈기만으로 실현할 수 있다. 베이스밴드 신호가 정(+)의 값밖에 취하지 않기 때문에, AM과 같이 반송파를 나중에 가할 필요는 없다. 신호 변환기는 데이터로부터 베이스밴드 신호로 변환하는 회로이다.
복조는 그림 8에 나타낸 AM 복조기와 같은 회로로 실현할 수 있다. 변조파의 진폭 변동이 그대로 출력되어 베이스밴드 신호가 복원된다. 이것을 데이터의 0과 1 중에서 어느 쪽에 대응하는지 판정한다.
그림 7(b)은 동기검파 방식이라 불리는 복조회로의 블록도이다. 입력되는 ASK 변조파로부터 반송파 재생용 동기신호를 생성하여 VCO를 제어하고, 변조파와 주파수의 동일한 반송파를 발생시킨다. 변조파와 반송파를 곱셈한 신호를 LPF에 통과시키면 베이스밴드 신호가 얻어진다.

FSK 변조
아날로그 변조의 FM에 상당하는 것이 FSK(Frequency Shift　Keying)이다. 진폭변조의 ASK가 데이터에 진폭을 대응시키듯이 FSK에서는 데이터에 주파수를 대응시킨다.
그림 9에 FSK 변조파의 예를 나타낸다. 1과 0의 1비트 데이터가 2가지 주파수에 대응하므로 데이터가 바뀌면 그에 따라 주파수가 변한다. 변조회로는 2가지 주파수를 전환하여 발생시킨다는 것이므로 단순하게 연상하면 데이터에 따라 2가지 다른 주파수를 발생하는 발진기의 출력을 전환하면 간단하게 실현할 수 있다.

이 방법에서는 발진기를 2가지 준비해야 하지만, 그림 10(a)에 나타낸 바와 같이 데이터에 따라 VCO의 전압을 제어함으로써 다른 주파수를 생성할 수 있다. 이 방식에서는 위상을 연속으로 제어할 수 있으므로 점유 대역폭을 좁힐 수 있다.
복조는 그림 11에 나타낸 FM 복조기와 같은 회로로 실현할 수 있다. 그 외에, 그림 10(b)에 나타낸 동기검파 방식도 있다. 데이터 1에 대응하는 반송파 주파수와 데이터 0에 대응하는 반송파 주파수의 사인파를 변조파에 실어, 그 결과를 가산한다.

MSK
MSK(Minimum Shift Keying)는 FSK의 일종이며 변조파의 위상 변화가 연속성이 되도록 연구한 것으로 FSK보다 점유 대역폭이 좁아진다. 변조지수가 0.5인 FSK라고 할 수 있다. 변조지수란 변조신호에 따라 반송파의 주파수가 어느 정도 변화하는가를 나타내는 파라미터이다. 변조지수가 클수록 주파수의 변화량이 커진다.

그림 12에 MSK의 위상 동작을 나타낸다. 데이터가 1일 때는 위상이  /2 회전하도록 반송파의 주파수를 변화시킨다. 0일 때는 - /2 회전하는 식으로 주파수를 변화시킨다. 반송파의 위상은 심벌 주기마다 0,  /2,  , 3 /2 중에서 어느 한쪽으로 시프트한다. 변조파는 반드시 위상 연속으로 된다.

GMSK

MSK도 심벌의 변화점에서 위상이 급격하게 변화하기 때문에 점유하는 주파수대역은 결코 좁지는 않다. 그래서 생각해낸 것이 베이스밴드 신호를 Gauss filter라고 하는 LPF에 통과시키는 GMSK(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying)라고 하는 변조방식이다. 유럽의 휴대전화에 채택되고 있다.

각종 PSK 변복조의 원리

디지털 변조로 가장 흔히 사용되고 있는 변조방식이 PSK이다.

BPSK

BPSK는 2심벌로 1비트를 나타내는 PSK이다. 반송파의 위상 0 rad와   rad에 1비트 데이터(0, 1)가 대응한다.
위상   rad의 파형은 어떻게 해서 얻는 것일까. 그림 3에 나타낸 바와 같이 위상이   rad 변화하는 포인트에 있어서, 변조파는 파형의 중심선에 대해 선대칭의 위치로 이동한다. 따라서, 위상 0 rad를 나타내는 파형을 얻으려면 반송파에 1을 곱하고, 위상  를 나타내는 파형을 얻으려면 -1을 곱하는 된다는 것을 알 수 있다.
이것은 ASK 변조기와 같은 조작이기 때문에, 그림 7(a)의 회로로 실현할 수 있다. 단, 신호변환회로에서 생성하는 베이스밴드 신호는 심벌 주기마다 1과 0이었던 ASK와 달리, 1 아니면 -1의 신호이다.
복조회로도 마찬가지로 그림 7(b)의 동기검파 방식으로 실현할 수 있으며, 베이스밴드 신호의 전압이 1인가, -1인가를 판정함으로써 원래의 데이터를 복원한다.

차동부호화 BPSK

BPSK 복조기를 간략화할 수 있는 변조방식이다. 그림 7(b)에 나타낸 반송파 재생회로가 불필요하다. 이 방식은 반송파에 대한 절대 위상이 아니라 변조파 자신의 상대적인 위상 변화로 데이터를 나타낸다. 즉, 데이터가 0일 때는 위상을 바꾸지 않고 1일 때는   rad 회전시킨다.
BPSK에서는 반송파와 변조파의 위상을 비교하여 데이터를 복원할 필요가 있지만, 차동부호화 BPSK는 반송파가 없어도 변조파의 현재 파형과 전의 파형 위상을 비교하여 데이터를 재현할 수 있다.
표 1에 데이터와 변조파의 위상 관계를 나타낸다. 부호는 변조파의 위상에 대응한다. 표에서 알 수 있듯이 현 데이터에 대응하는 부호는 하나전의 부호와 현 데이터와의 배타적 논리합(ExOR)으로 변환할 수 있다는 것을 알 수 있다.
그림 13(a)에 차동부호화 BPSK 변조회로의 블록도를 나타낸다. 베이스밴드 신호는 심벌 주기 T의 지연회로를 이용하여, 하나전의 데이터와 현 데이터의 배타 논리합을 취하여 발생시킨다.
그림 13(b)에 차동부호화 BPSK 복조회로의 블록도를 나타낸다. 심벌 주기 T만큼 지연시켜 복조하므로 지연검파기로 불린다. 현 변조파와 1심벌 주기전의 변조파를 곱함으로써 위상차에 따른 출력이 얻어진다.

QPSK

QPSK(Quadrature PSK)는 4치변조의 PSK이다. 하나의 위상에 2비트를 대응시키고 있다. 4치 ASK와 마찬가지로 4가지 2비트 데이터 (0, 0)(0, 1)(1, 0)(1, 1)를  /4, - /4, 3 /4, -3 /4에 대응시킨다.

1) 변조 상태의 표현
QPSK의 위상 변화 모양은 BPSK와는 달리, 파형으로는 이해하기 어려우므로 그림 14에 나타낸 직교좌표를 이용하는 것이 일반적이다. 직교좌표의 수평축을 I축(In-Phase: 동위상), 수직축을 Q축(Quadrature: 직교)이라 부른다. 또, 이 심벌 배치의 그림을 콘스털레이션(constellation)이라 부른다.

BPSK의 심벌을 이 직교좌표에 기입해 보기로 한다. BPSK의 변조파 상태는 위상 0 rad 아니면   rad로 그림 14(a)에 나타낸 바와 같이 원점을 삽입하여 I축상에 대칭으로 배치된 2개의 점으로 표시된다. 마찬가지로 QPSK의 변조파 상태는 그림 14(b)와 같이 4개의 점으로 표시된다.

2) QPSK 변조파의 생성법
그림 14(b)의 심벌은 위상각이 아니라 I성분과 Q성분으로도 표현할 수 있다. 자세한 산출법은 설명하지 않지만, QPSK 변조파의 I성분을 I(t), Q성분을 Q(t)로 하면, QPSK 변조파  C(t)는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

식(1)은 2비트의 데이터로부터 2개의 베이스밴드 신호 I(t)와 Q(t)를 생성하여, I(t)에 cos( Ct)를, Q(t)에 -sin( Ct)를 곱하여 더하면 생성할 수 있다는 것을 의미하고 있다. 그림 15에 QPSK 변조기의 블록도를 나타낸다.

3) 변조회로
  시리얼-패럴렐 변환회로
시리얼 데이터를 들어오는 순서에 따라 2가지 출력으로 배분한다. 예를 들면, 그림 15의 시리얼-패럴렐 변환회로에 데이터 I1, Q1, I2, Q2가 입력되면, 단자 O1에 I1, I2가, 단자 O2에 Q1, Q2가 출력된다.

신호 변환회로
그림 14(b)에 나타나 있는 2비트 데이터와 I-Q 좌표의 관계를 보기 바란다. 데이터의 0은 좌표상의 1에, 데이터의 1은 좌표상에서는 -1에 대응한다. 신호 변환회로는 시리얼-패럴렐 변환회로로부터 출력되는 데이터에 대해서 (0 1),(1 -l)의 변환처리를 하여 베이스밴드 신호를 생성한다.

  직교 변조기
베이스밴드 신호로부터 변조파를 발생하는 회로이며 식(1)을 표현하고 있다. 반송파를 cos( C1)로 하면, -sin( Ct)는 반송파의 위상을  /2 시프트한 파형이므로 그림 15(a)의 회로에서 변조파를 발생할 수 있다. 예를 들면, 어떤 시간 t1일 때의 I(t1)과 Q(t1)의 값이 각각 1과 -1이었다고 하면, t1일 때 직교 변조기의 출력  C(t1)은,

으로 된다.

4) 점유 주파수 대역은 BPSK의 1/2
데이터는 시리얼-패럴렐 변환회로에서 2분할되므로 베이스밴드 신호의 주파수(심벌 주파수)는 입력 데이터의 데이터 레이트의 1/2이다.
QPSK와 BPSK의 심벌 주파수가 같을 때, QPSK의 데이터 레이트는 BPSK의 2배이므로 QPSK는 BPSK의 2배의 데이터를 전송할 수 있다. 반대로 말하면, 같은 데이터 레이트로 전송하는 경우는 심벌 주파수가 BPSK의 1/2로 되어 점유 주파수 대역은 1/2로 해결된다.

그림 16에 실제 QPSK의 베이스밴드 신호를 직교좌표로 표시한 파형을 나타낸다. 4개의 심벌과 각 심벌간을 이동하는 궤적을 확인할 수 있다.
그림 17에 데이터 레이트가 10Mbps일 때의 BPSK와 QPSK의 변조파 스펙트럼을 나타낸다. QPSK 쪽이 1/2의 대역으로 해결되는 것을 알 수 있다.

5) 복조회로
그림 15(b)에 동기검파 방식의 복조기를 나타낸다.
직교 변조기의 반송파와  /2 위상 시프트한 반송파를 변조파와 곱한다. 얻어진 2개의 신호를 베이스밴드 신호만을 통과할 수 있는 LPF를 통하게 되면, I신호와 Q신호를 재생할 수 있다. 판정회로는 수신회로에 있던 신호 변환회로와 반대의 변환 조작을 하여 I신호와 Q신호의 전압으로부터 시리얼 데이터를 복원한다.

 /4 시프트 QPSK

1) QPSK의 문제점
그림 16에 나타낸 QPSK의 콘스털레이션을 보면, 예를 들어 (0, 0)에서 (1, 0)로 데이터가 변화할 때, 원점으로부터의 거리, 즉 변조파의 진폭은 거의 변화하지 않는다. 그러나, 대각의 정점에 있는 심벌로   rad 이동할 때, 예를 들어 (0, 0)에서 (1, 1)로 데이터가 변화하는 경우는 궤적이 원점을 통한다. 즉, 변조파의 진폭이 최대 진폭에서 제로로, 그리고 최대 진폭으로 크게 변화한다. 이것은 변조회로와 안테나의 사이에 있는 파워앰프에 선형성의 양호도, 즉 낮은 레벨의 신호나 큰 레벨의 신호도 같은 이득으로 증폭할 수 있는 특성이 요구된다는 것을 의미하고 있다.

2)  /4 시프트 QPSK란
이 변조는 그림 18에 나타낸 바와 같이, 2개의 심벌군을 교대로 사용한다. 각 심벌간의 위상차는  /4 rad로 된다. 파워앰프에 선형성이 그다지 요구되지 않으므로 휴대전화 등에 채용하고 있다. 심벌의 배치는 차동부호화 BPSK와 마찬가지로 하나전의 심벌과의 위상차에 의해 결정한다.

2비트의 데이터가(0, 0)에서  /4, (1, 0)에서 3 /4, (1, 1)에서 -3 /4, (0, 1)에서 - /4 회전하는 것으로 가정한다. 현 심벌에서 다음 심벌의 이동은 4개의 회전각 중에서 정해지므로, 그림 19에 나타낸 바와 같이 궤적은 4개의 화살표 중의 하나이다. 따라서, 위상차가  로 되어 원점을 지나는 일이 없어져 변조파의 진폭 변동이 작아진다. 그림 19의 콘스털레이션에서도 심벌간을 이동할 때의 궤적이 원점을 통과하지 않는다는 것을 알 수 있다.

3) 변조회로
그림 20(a)에  /4 시프트 QPSK 변조기를 나타낸다.  /4 시프트 QPSK 변조는 현재의 심벌과 하나전 심벌간의 위상차를 데이터로 하므로 그림 15의 QPSK 변조기에 차동부호화 회로를 추가한다. 차동부호화 회로는 하나전의 베이스밴드 신호와 현 데이터로부터 다음 베이스밴드 신호를 생성한다.
그림 20(b)에 지연검파 방식의  /4 시프트 QPSK 복조기를 나타낸다. 차동부호화 BPSK와 마찬가지로, 1심벌전의 변조파를 현재의 변조파에 실음으로써 전후 2심벌간의 위상차를 검출한다.

OQPSK

OQPSK(Offset QPSK)는 변조파의 진폭 변동을 줄이기 위해 심벌의 궤적이 원점을 지나지 않도록 고려된 변조 방식의 하나이다. 그림 21에 나타낸 바와 같이, 직교 변조기에 들어가는 다른 한쪽의 베이스밴드 신호를 심벌 주기 T의 1/2만큼 오프셋 시킨다.
이에 따라, 베이스밴드 신호 I, Q의 위상 변화가 교대로 이루어지므로 최대 회전각을  /2로 제한하게 된다. 즉, 대각의 심벌로 이동할 때도 사각의 외주를 이동하는 식으로 궤적을 그리므로 원점을 지나는 일이 없어져 진폭 변동이 억제된다.

출처 : http://www.chips-parts.com/index.cgi?action=detail&number=803&thread=35

디지털 변복조의 원리와 시스템 구성(2)

최근에는 단말(휴대전화)을 비롯한 무선통신 시스템의 상당수가 유저의 증가에 대응하기 위해 주파수 이용 효율과 보안성을 높이고, 소형화를 목적으로 디지털화화고 있는 추세이다. 더구나 고도의 정보통신 시스템에서 변조기술은 더욱 진화되어 복잡해지고 있다.
본고에서는 데이터 통신 시스템에 이용되고 있는 핵심 기술인 디지털 변복조 방식의 원리와 그 하드웨어에 대해 지난 호에 이어서 기초기술을 해설한다.

자료제공 : 칩스앤파츠 편집부

QAM의 원리와 변복조기의 구성

QSM의 원리
지난 호에서, 다치화함으로써 같은 점유 대역폭에서도 많은 데이터를 보낼 수 있다고 설명했다. 그러나, ASK나 PSK에서 다치화를 진행해 나가면 그림 22(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 심벌간의 거리가 가까워져 심벌 하나하나를 구별하기가 어려워진다. ASK에서는 I축상에만, PSK에서는 원주상에만 심벌이 존재하여 평면상을 좋은 효율로 사용하지 않는다는 것을 알 수 있다. 그래서, 그림 22(c)와 같이 진폭과 위상의 양쪽으로 데이터를 대응시킨 변조방식이 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)이다.

QAM 변조파를 발생시키려면 QPSK 변조에서 -1과 1밖에 취하지 않았던 진폭을 변화시키면 된다. 즉, 위상이  /2 rad 다른 사인파를 진폭변조하게 된다. 이 위상이  /2 rad 다른 사인파는 직교하고 있으므로 직교 진폭변조 QAM이라 부른다.
그림 23에 16 QAM의 심벌 배치를 나타낸다. 16심벌이 있으므로 I와 Q 각각 4치의 조합으로 16점(=4 4)을 결정한다. 그림에서는 I와 Q 각각 등간격으로 4치를 배치했다. 정수로 했으므로 값은 -3, -1, 1, 3으로 된다.
QAM는 다치변조가 기본으로 16 QAM이 가장 심벌수가 적은 변조방식이다. 현재는 64 QAM, 256 QAM 등이 실용화되어 있다.

복조시 오류를 줄이는 그레이 부호에 대하여
그림 24에 4비트 데이터를 16 QAM의 16심벌에 대응시킨 심벌 배치를 나타낸다. 이와 같이 16 QAM에서는 4비트를 1심벌로 하여 데이터를 보낸다.
그림 24에서 알 수 있듯이 I축 방향이나 Q축 방향으로 심벌을 하나 이동했을 때, 4비트의 데이터 중에서 변화하는 것은 1비트뿐이다. 이것은 복조시 데이터의 판정 오류를 최소한으로 줄이는 연구이다. 서로 인접한 심벌의 변조파 상태는 비슷하기 때문에 인접한 심벌로 오판정할 가능성이 있다. 그러나 그림과 같이 데이터를 나열해 두면 인접한 데이터로 잘못 알아도 1비트의 실수로 해결된다. 이것을 그레이 부호(Gray Code)라고 한다. 사실, 지난 호에서 설명한 그림 14(b)의 QPSK도 그레이 부호로 되어 있다. 그림 25에 2비트의 그레이 부호 발생기를 나타낸다.

변조기의 기본 구성
그림 24에 나타낸 바와 같이 그레이 부호화에 의해 축 방향으로 심벌을 이동했을 때 변화하는 데이터는 1비트뿐이다.

여기서 4비트의 데이터를 상위 2비트와 하위 2비트로 나누어 생각해 보기로 한다. I축 방향으로 이동할 때는 어느 심벌에서나 상위 2비트만 변화한다. 또, Q축 방향으로 이동할 때는 반드시 하위 2비트만 변화한다. 그래서 16 QAM 변조기는 상위 2비트를 I, 하위 2비트를 Q에 할당하여 모든 데이터를 변조한다.
그림 26(a)에 16 QAM 변조기를 나타낸다. 전송되어 온 4비트 데이터를 시리얼-패럴렐 변환회로에서 상위 2비트와 하위 2비트로 나눈다. 나눈 2비트씩 그레이 부호화하여 베이스밴드 신호를 생성한다. 그림 27에 16 QAM의 콘스털레이션을 나타낸다.

출처 : http://www.chips-parts.com/index.cgi? action=detail&number=875&thread=35

2004년 10월부터 우리나라도 인터넷 전화에 대한 착신 번호 부여 및 역무 시행을 계기로 통신 서비스 시장은 일대 변화를 맞이하고 있다. 이러한 배경에는 지속적으로 향상된 VoIP 기술의 발달과 서킷 망의 노후화, 그리고 기존 서킷 망의 포화 및 수익성 감소 등과 같은 다양한 배경이 함께 한다. 하지만 이러한 성숙된 배경 뒤에는 아직도 일반 사용자들에게 값 비싼 단말기 구매 욕구를 불러 일으킬 만큼의 다양한 부가 서비스가 마련되지 못한 상황도 함께한다. 이에 VoIP 서비스로의 변화는 당분간은 각 가정의 일반 사용자 보다는 기업체 위주로 성장할 것으로 기대된다. 본 문서에서는 통신 서비스 시장의 포화 상태에 따른 통신 사업자의 새로운 수익 모델로서 기대되는 Hosted IP PBX, IP Centrex 와 같은 IP기반 Hosted IP PBX 서비스에 대해서 살펴보고, 형태 및 기능에 따라 Hosted IP PBX의 특성, 업체별 현황 및 각 나라의 도입 현황들을 살펴보고 향후 발전 방향을 모색해 보고자 한다. ▧

I. 서 론

세계 유선 통신 서비스 업체는 보유하고 있는 PSTN망의 노후화, 그 망을 이용한 단순 음성 통신 서비스 밖에 수용할 수 없는 상황에서, 서로 앞 다투어 VoIP 서비스를 다른 부가 서비스와 함께 번들 형태의 통합 멀티서비스로 제공하여 멀티미디어 통신 서비스 회사로의 변신를 도모하고 있다. 이러한 변화의 배경으로는 xDSL, HFC를 비롯해서 FTTH (Fiber To The Home)와 같은 액세스 망을 비롯하여 core 망에서는 OXC와 같은 광 전송장비를 이용하여 네트웍 망 전체의 고도화, 그리고 DSP 기술의 발달, 광대역 음성 코덱(Codec) 기술과 같은 미디어 처리 기술 발전이 그 배경으로 있다. 이러한 배경은 몇 해 전부터 줄 곧 도입 계획만을 발표하고 계속 도입을 미루어왔던 통신 사업자들에게 VoIP 서비스가 기업에 이득을 가져올 수 있는 서비스 상품으로 인식하게 하였다. 통신 사업자에게 VoIP 기술은 단순한 통화 연결형의 음성 서비스만 제공하던 서비스 형태에서, (그림 1)과 같이 IP Centrex, Add-hoc Conference 서비스를 비롯하여, 웹 기반의 프리젠스 서비스, WAP 을 통한 Mobile/ Remote Service와 같은 다양한 IP 기반의 부가 서비스 요청에 대해 수용 할 수 있게 하였으며, 향후 이러한 부가 서비스를 다양하게 제공하는 서비스 제공자가 시장을 선점하게끔 통신 시장의 패러다임을 바꾸어가고 있다. 또한 VoIP 서비스는 통신사업자의 통신망 관리 측면에서 보면, 음성 서비스 망과 데이터 서비스 망으로 분리되어 있던 망을 일원화함으로써 그 구성이 간단해져 관리와 유지보수가 쉽고, 회선 증설과 이설과 같은 작업들이 사실상 없어지는 효과도 볼 수 있도록 한다[9].

이러한 배경과 품질 및 서비스에 대한 인지도 변화와 데이터와 음성 망의 통합에서 오는 관리상의 편리함에도 불구하고 현재 시장에서는 고가의 IP단말기 사용에 대한 부담감, 서비스를 위한 새로운 시스템의 도입, 서비스의 수익성 검증 등과 같은 문제로 아직까지 우리나라에서는 도입 및 서비스가 본격화 되고 있지 않은 상황이다.

이러한 상황에서 VoIP 서비스는 Hosted IP PBX형태로 일반 50명에서 100명 정도의 중소 업체로 자체 PBX 도입에 부담을 느끼거나, 기존 사용하던 PBX가 노후화되어 교체할 시기에 있는 중, 소형 사업장을 중심으로 시장이 형성되고 있다. 특히 우리나라의 경우 하나로와 데이콤과 같은 후발 전화 통신 서비스 업체는 더욱 Hosted IP PBX사업의 도입을 강력하게 추진하고 있다. 또한 이와 같은 상황은 비단 우리 나라에만 국한 된 것이 아니며, 전세계적으로 이러한 수요가 나타나고 있는 상황이다. 그 한 예로, 미국 통신 시장에서 서킷 기반의 PBX 서비스는 IP 기반의 PBX 서비스에 2004년을 기점으로 주도권을 뺏길 것으로 전망 되었으며, 더 나아가 2008년에는 전 세계적으로 고급 서비스를 원하는 사용자들에 의해 Hosted IP PBX, 영상회의, contact center, 그리고 UMS 서비스 시장이 365억 달러로 성장할 것으로 기대되고 있으며,  여기서 가장 큰 시장을 차지하게 될 미국은 110억 달러의 시장이 기대되고 있다[1].

II. Hosted IP PBX 기술

IP PBX는 크게 장비가 설치되는 위치에 따라서, 각 기업체 내에 설치되어 자체 관리 요원에 의해서 개별적으로 관리되는 Managed IP PBX와 서비스 사용자에게는 단말기만 제공 또는 구입하도록 하고 서비스 제공자는 자신의 데이터 센터에 대용량의 호 처리가 가능한 IP PBX를 설치하여 모든 서비스의 제공 및 기기의 관리 등이 서비스 제공자에 의해서 관리되는 Hosted IP PBX로 구분된다. 또한, Hosted IP PBX는 각 솔루션 업체마다 조심씩 다르지만 기존의 TDM Centrex 서비스 정도의 서비스 기능만을 가질 때는 IP Centrex그리고, 여기에 IP 망 특유의 Web 과 연동하여, Mobile/Remote Service, Presence Service와 같은 이동성 기능, 또는 화상 컨퍼런스 서비스와 같은 추가적인 IP서비스가 추가 될 때는 Hosted IP PBX로 구분하여 사용하기도 한다. 하지만 Hosted IP PBX와 IP Centrex의 명확한 구분은 기능으로 구분할만한 기준은 없으며, 또한 많은 업체는 이 둘을 같은 의미로 함께 사용하기도 한다. 본 문서에서는 편의상 Hosted IP PBX를 IP Centrex보다 더 다양한 부가 서비스를 지원하는 서비스로 규정하고 Hosted IP PBX 중심으로 설명하기로 한다.

1. Hosted IP PBX의 종류

Hosted IP PBX는 제품의 구현 방법에 따라 크게 Class 5 Switch를 이용하는 방법과 Class 5 Softswitch를 이용하는 방법으로 구별할 수 있다[3].

가. Class 5 Switch를 이용하는 방법

Class 5 기능을 갖는 기존의 Legacy 교환기를 이용하여 PBX를 구현하는 방법으로 Class 5 Switch 는 IP Centrex network gateway 라는 트렁크 게이트웨이를 이용하여 IP 쪽 단말을 수용하게 된다. 각 호별 세션을 관리하는 IP Centrex network gateway는 Gateway로 연결된 호를 기존의 Class 5 기능을 하는 Legacy 교환기를 이용하여 IP 망의 가입자에게도 Class 5 서비스를 지원하는 방법이다. 지금 출시되고 있는 IP Centrex network gateway는 향후 Softswitch 또는 MGC의 제어를 받는 경우 단순 Trunk Gateway인 MG로 적용할 수 있도록 제품이 개발되어 있으며, Nuera와 Simense등에서 시제품이 나와 있는 상황이다.

나. Softswitch를 이용하는 방법

Softsiwth를 이용하는 방법은 Softswitch자체에 Class 5 기능을 구현하는 방법, Softswitch와 SIP로 연동하는 Application Server로 볼 수 있는 Feature Server를 이용하는 방법, Paraly/ OSA 3rd Party Application Server를 이용하는 방법으로 구현 방법이 있을 수 있다.

2. Hosted IP PBX의 구성 및 기능

Hosted IP PBX 시스템은 일반적으로 크게 호 처리, 세션 관리를 담당하는 Hosted IP PBX Server, 사용자 관리를 위해 사용자 정보에 대해서 추가, 변경, 삭제 등을 각각의 사용자마다 운용 권한에 따라 이용하게 하는 운용Web Server 그리고, Presence, UMS, Conference등의 기능을 담당할 수 있는 Web을 지원하는 Application Server, 시스템 기동, 정지와 같은 시스템 감시를 위한 EMS, 과금을 위한 Billing Server, 방송 안내 및 Tone 생성 등의 기능을 담당하는 Media Server, Security 와 NAT traversal를 위한 Session Board Controller, 그리고 마지막으로 사용자가 직접 사용하는 IAD, MTA, SMB, softphone, IP phone같은 사용자용 단말기로 구성될 수 있다.

가. Hosted IP PBX Server

호 처리 서버로서 가입자들의 착ㆍ발신 호를 처리하고, 사용자 단말에 따른 프로토콜 변환을 하게 된다. 또한 해당 Server에서 담당하지 않는 착신 번호에 대해서는 다른 콜 서버와의 연동을 한다. Hosted IP PBX에서 주로 사용하는 프로토콜로는 SIP와 MGCP를 이용하여 호를 처리한다.

나. Web Server

주로 통신사업자의 시스템 운용자, 각 회사별 운용자, 그리고 사용자가 개인 정보 수정 시 이용하게 되는 개인 운용자 등과 같은 운용자가 사용하게 될 관리용 Web Server이다. Hosted IP PBX의 장점 중 하나는 웹 화면을 통해서 어느 지역에서든 상관없이 실시간으로 쉽게 회사나, 이용 그룹, 이용자를 Move, Add, Change(MACs)할 수 있는 관리이다. 일반적으로 Hosted IP PBX서비스를 제공하는 서비스 사업자를 위해서 시스템 관리를 위한 운용자 페이지와 Hosted IP PBX서비스를 이용하는 각 회사의 운용 담당자가 관리하는 각 회사별 운용자 웹 페이지 그리고, 사용자가 직접 본인의 현재 서비스 가입 상태 및 call log, directory 서비스 등을 관리 할 수 있는 개인화 웹 페이지와 같이 최소 3개 이상의 관리 포인트에 맞는 차별화 웹 페이지가 필요하다.

다. Application Server

일반TDM Centrex 서비스에서 제공하는 서비스 외의 특별한 서비스를 제공하는 Service Feature Server, UMS, Web Apps Server, Presence Service, VMS, Conference Server 등과 기타 특별히 개발된 서비스 등과 같은 서비스가 올라가는 서버이다.

라. Media Server

Announcement, Tone generation, Multi-Media Ring Back 과 같은 서비스를 하기 위한 미디어 서버이다. 요즘은 DSP chip을 장착한 board type의 Media Server뿐만 아니라. HP나 IBM과 같은 서버 제품에서도 향상된 서버용 CPU를 이용하여 구현된 software DSP를 이용한 미디어 서버 제품도 출시되고 있다.

마. Session Boarder Controller

요즘 각 회사는 NAT/Fire Wall를 설치하여 자사의 시스템과 정보를 보호하고 또한 부족한 공인 IP에 대한 해결책으로 사용하고 있는데 이것은 외부에서 내부로 VoIP 전화 접속도 차단 및 설정을 어렵게 하고 있다. 현재 Hosted IP PBX 를 포함한 전체VoIP서비스에서 가장 큰 어려운 문제가 이 부분이기도 하다. 이를 해결하기 위한 Session 관리 서버이다.

바. Billing Server

사용자에게 사용한 요금에 대한 과금을 위한 서버이다. 일반적으로 과금 서버는 서비스 제공자가 이미 보유하고 있으므로, Hosted IP PBX 시스템 중 Call Server에서 CDR(Call Detail Record)을 생성하고, 전송 또는 가공 후 전송한다. 일부 업체에서는 CDR 가공을 위한 API를 지원하기도 한다.

사. EMS Server

각 시스템을 기동, 정지에서부터 모니터링, 알람 등을 관리하는 서버이다. 이 시스템 역시 기존에 설치된 EMS장비와의 연동을 위해 SNMP(Simple Network Management Protocol) 및 MIB(Management Information Base)를 지원한다.

아. Endpoint

사용자가 사용하게 될 단말로서 주로 이용하는 시그널링 프로토콜로는 SIP와 MGCP를 이용한다. 이때, 기존 전화를 이용하는 경우에는 IAD(Internet Access Device), MTA(Multimedia Terminal Adaptor)와 같은 MGCP레지덴셜 게이트웨이를 이용하며, SIP인 경우에는 IP Phone, SoftPhone을 이용하게 된다. 현재 Hosted IP PBX사업을 준비하는 통신 사업자 측에서는 10~ 100만 원까지 하는 IP Phone에 대한 투자와 폰까지 임대했을 경우 폰에 대한 유지 보수 서비스의 부담, 새로운 시스템에 대한 장비 및 시스템 사용 교육 등이 사업을 준비하면서 어려운 부분이 될 것으로 예상된다.

3. Hosted IP PBX 서비스 종류

Hosted IP PBX 업체마다 구분하는 것은 조금씩 다르지만 크게 나눈다면 (그림5)와 같이 Hosted IP PBX 서비스 종류와 IP Centrex 서비스 종류로 구분할 수 있다. 그것에 대한 기준은 일반적으로 IP Centrex 서비스는 Basic Service로 현재 TDM Centrex에서 많이 사용하는 서비스로 구성되어 있으며, Hosted IP PBX서비스는 서킷 망에서 구현하지 못하는 Presence, Remote/Mobile Service와 같은 서비스를 포함하여 구성하고 있다. 하지만 각 벤더들이 구분한 기준을 보면, 벤더 마다 각자의 가격 특성을 고려하여 다양하게 구분되고 있는 상황이다[4].

III. 시장 현황

현재 시장은 TDM Centrex나 TDM PBX에서 Hosted IP PBX와 IP PBX로 이동해 가고 있다. 그리고 지금 IP PBX와 Hosted IP PBX의 이용도는 (그림6)과 같이 IP PBX가 2배 가량 높게 나타나고 있다. 또한 1년 이내에 IP PBX 또는 Hosted IP PBX 도입을 계획하고 있는 사용자는 각각 30%와 27%로 나타나고 있다. 이런 상황에서 통신 사업자측에서 서둘러 Hosted IP PBX서비스를 도입해서 공격적인 마케팅을 한다면 IP PBX 도입을 계획하는 사용자들도 Hosted IP PBX서비스로 흡수할 수 있을 것으로 보인다[7].

1. 주요 업체별 제품 현황

IP PBX주요 업체는 전세계적으로 적어도 <표 4>의 업체를 포함하여 85개 이상이 되는 것으로 파악되고 있다. 업체들은 기존 Simense, Alcatel, 루슨트와 같이 TDM 교환기를 만들던 업체에서부터 3Com, Cisco를 비롯한 네트웍 장비 업체까지 IP Centrex/Hosted IP PBX제품을 내놓고 있다[5].

2. 서비스 현황

2002년부터 통신 사업자들 사이에서 Hosted IP PBX 서비스에 대한 관심이 기울어진 이래로 이제는 미국의 AT&T를 비롯하여 SBC, Level3, Verizon, Bell South, Quest, Sprint등 많은 통신 사업자가 Hosted IP PBX서비스를 도입하여 상용 서비스를 하고 있으며, 또한 기타 다른 업체들도 시범 및 도입을 준비하고 있다. 여기서 <표 5>에서 보는 것과 같이 Managed IP PBX 시장에서 맹위를 떨치던 Cisco와 Avaya는 현재 Managed IP PBX 시장에 머물고 있으며, Sylantro를 비롯한 BroadSoft, VocalData와 같이 Softswitch를 개발하는 업체의 솔루션이 현재는 Hosted IP PBX시장에서 높은 점유율을 나타내고 있다.

가. 지역 별 서비스 현황(일본)

일본에서는 NTT-ME, MTT-커뮤니케이션즈, 재팬텔레콤 등 IP 전화사업자를 중심으로 IP 센트렉스 서비스가 제공되고 있다. 후지쓰, NEC 등 주요 통신장비업체들도 오랜 기간의 PBX 비즈니스 경험을 살려 IP전화 도입 컨설팅, 네트워크 구축, 운용관리, 보안과 같은 IP 센트렉스 서비스 시장에 합류했다. 일본 이동통신 3사도 모바일 센트렉스 서비스를 제공한다는 계획을 세워놓고 있다. 일본은 특히, 지난해 말 동경가스의 IP 센트렉스 서비스 전격 도입으로 대기업, 금융권을 중심으로 시장이 확대되고 있다. 동경가스의 경우, 구내 교환기(PBX)를 IP네트워크로 통합하고 이를 관리하는 운영체계 전체를 외부 기간통신사업자에 아웃소싱함으로써 경비절감을 꾀하고 있다.[2]

나. 지역별 서비스 현황(한국)

국내에서도 BcN <표 6>이라는 큰 밑그림 아래 대형 기간통신 사업자들이 IP 센트렉스 시장에 가세할 움직임을 보이면서 이제 초기시장을 형성하고 있는 IP 텔레포니 통신시장구도에도 적잖은 파장이 일 것으로 예고되고 있다. 유선통신업체인 KT는 현재 1,400여 회선의 IP 컨택센터 회선을 확보하고, 일반 기업체, 관공서, 프랜차이즈 기업을 대상으로 IP 컨택센터 ASP 사업을 전개하고 있다. 이에 데이콤도 IP 컨버전스 상품 개발 전략의 일환으로 고객사에 통신회선과 장비, 유지보수 등을 총괄적으로 아웃소싱 지원하는 IP 센트렉스 서비스를 준비 중이며, 하나로 텔레콤 역시 올 해 Hosted IP PBX 서비스 제공을 위해 준비 중이다. SKT, KTF, LG텔레콤 등 이동통신 3사는 이미 무선 PBX(WPBX) 장비를 공급, 구내 무선통신서비스 개념의 일환으로 IP 센트렉스 서비스를 제공하고 있다[2].

IV. 발전 방향

지금까지 Hosted IP PBX에 대해서 해당 기술 및 서비스에 대해서 알아 보았다. 망의 진화와 VoIP 패킷 처리 기술과 같은 VoIP 기술의 발달과 같은 배경과 맞물려 Hosted IP PBX 서비스는 All IP 망에서의 PSTN 음성 서비스를 대신해서 음성 서비스 뿐만 아닌 멀티미디어 MMoIP (Multi-Media over IP) 서비스로 가는 길에서 성공 비즈니스 모델로 각광 받고 있다.

하지만 10~100만 원까지 하는 고가의 단말장비에 대한 투자 부담과 새로운 장비에 대한 사용자의 운용 및 사용 교육, 그리고 모든 서비스를 책임지는 Hosted IP PBX의 특성상 장애 발생 시 처리 문제 등은 예상되는 주요 문제로 염려되며, 이에 대한 준비가 서비스를 준비하는 사업자에게 필요할 것으로 생각된다.

이러한 문제에 대한 준비를 한다면, Hosted IP PBX 서비스는 노후화된 PBX를 사용하다 PBX교체 시기가 된 기업이나, 새 PBX 도입을 계획 중인 중소 기업체에서 사용될 것으로 기대되며, 또한 차후 개인 사용자간, 친척간, 친구간 또는 커뮤니티들에서도 도입될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 SIP 기반의 Hosted IP PBX는 무선랜과 휴대인터넷, 이동통신 기술과 결합하여 기존의 PSTN 전화 서비스와는 다른 한 차원 높은 서비스를 제공할 것이다. 이렇듯 활용도가 높을 것으로 기대되는 Hosted IP PBX는 지속적으로 도입될 것이며, VoIP 망에서 주 통신 서비스로 자리 잡을 것으로 예상된다.

<참 고 문 헌>

[1]    http://www.ipv6.or.kr/archive/kripv6forum/html/2168.html

[2]    “IP 센트릭스 서비스 ‘확산일로’,” 디지털 타임즈, 2003. 10. 1.

[3]    “Network Architectures,” www.ip-centrex.org/how/index.html

[4]    http://www.broadsoft.com/products/applications/hostedpbx.html

[5]    http://www.iptelephony.org/GIP/ippbx/

[6]    Scott Wharton, “IP Centrex: Is Adding IP to Centrex Enough?” broadsoft 2004

[7]    Brett Azuma, “The voice of the VoIP user: Making VoIP Matter”, RHK, 2004

[8]    Mark F. Whittier, “Hosted VoIP Services for the Enterprise,” vocaldata.

[9]    주간기술동향 통권 1103호, “기업용 IP 텔레포니 기술분석,” 2003년 7월

출처 : ITFIND 주간기술동향 제1192호

출처 : Tong - baboda4u님의 Network 자료통