Multiplexing

• channel: 논리적인 단위

FDM and TDM

Frequency Division Multiplexing
동시간에 주파수 대역을 나누어 전송

Time Division Multiplexing
시간대를 나누어 전송

• frame 내에서 본인이 사용할 시간을 할당, 해당 frame이 계속 반복
• Digital에서 사용

추가적으로 OFDM(한 시점에 특정 주파수만이 carrier로 사용, 다른 주파수의 세기가 작아서 간섭은 발생하지 않음), CDMA(time과 frequency를 모두 동시에 사용하지만 data와의 operation에 사용할 CODE를 다르게 사용하여 전송)이 있다.

FDM System

각 송신자는 보내고자하는 신호를 Subcarrier modulator를 이용하여 주파수 $f$에 실어 옮긴다.

FDM of Three Voiceband Signals

(a): 사람 목소리의 주파수 대역은 300Hz ~ 약 4kHz 정도
(b): 64kHz 주파수에 voice signal modulate하면, Cos함수를 취해 이와 같은 형태가 되고, 낮은 주파수 대역을 Lower sideband, 높은 주파수 대역을 Upper sideband라고 한다.
(c): Lower sideband만을 사용하여 각각의 Carrier 주파수로서 사용

Analog Carrier System

FDM hierarchy를 사용하는 Long-distance links

• Group: 12 voice channels (48kHz)를 묶어서 사용
• Supergroup: 5개의 Group을 묶어서 사용, 즉 60channels
• Mastergroup: 10개의 Supergroup을 묶어서 사용, 즉 600channels

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

고주파에서의 주파수 분할방법 (고주파이기 때문에 광섬유(optical fiber)에서 사용)

각 "광"들은 서로 다른 주파수(=파장)을 사용하여 전송

Synchronous TDM System

Asynchronous TDM System과 반대되는 개념, TDM이므로 Digital에서 사용

• Time slot: 할당된 time, 1 frame 간격으로 반복 사용할 수 있다.

TDM Link Control

• headers와 trailers가 없음
• Data link control protocols가 필요없음
• Flow Control (흐름 제어)
  • multiplexed line의 data rate은 고정
  • 한 channel의 수신자가 data를 수신할 수 없더라도, 다른 것들은 전송
  • 해당 data는 loss
  • slot을 empty
• Error Control
  • 상위 계층이 해결

Framing

• TDM구조에서는 frame 자체가 맞춰서 송수신되기때문에 flag or SYNC character가 필요 없음
• source와 destination의 clock간 synchronizing mechanism은 제공되어야 함

Added digit framing: sync 감지용으로 사용, frame의 끝마다 반복적인 패턴의 bit를 추가

• ...0, ...1, ...0, ...1, ...1
• 위 경우 패턴이 깨졌으므로, 수신측에서 sync가 안 맞음을 감지

TDM of Analog and Digital Sources

• Pulse stuffing
  • 전송 rate의 gap만큼을 채워주는 역할
  • sync를 맞추기 위해 사용
  • 

North American and International TDM Carrier Standards

DS-1 Transmission Format

위는 DS-1 transmission의 한 Frame을 보여준다.

• 첫번째 bit: Frame bit로, 동기화를 위해 각각의 frame을 구분하는 bit
• 한 channel당 8bit를 가지고, 총 24개의 channel이 존재
• 한 frame당 125$\mu sec$을 가지는데, 이는 한 frame의 동작 시간을 의미하고 Sample의 간격을 나타낸다. (즉, Sampling: 8000/s)
• Voice Channels:
  • 8-bit PCM: 6 frames 중 5 frames만 사용
  • 7-bit PCM: 6 frames를 모두 사용하지만 각 frame마다 마지막 8번째 bit는 signaling bit로 사용
• Data Channels:
  • 24번째 channel은 signaling을 위해 사용 (Control 정보로 사용)
  • Bit 1-7: 56kbps service에 사용
  • Bit 2-7: 9.6, 4.8, 2.4kbps service에 사용
• 각 channel당 64Kbps를 가진다고 가정하면, DS-1을 사용하는 line은 64Kbps*24 = 1.5Mbps를 수용할 수 있어야 한다.

A simple network using SONET equipment

광 케이블을 연결하여 사용

• STSMUX: 광케이블을 연결한 다중화기
• R: 광 신호의 세기를 증폭
• Section, Line, Path로 구분

SONET layers compared with OSI or the Internet layers

아래와 같이 Data Link layer에서 3개의 layer로 나눠지고 각각 protocols이 존재

Asynchronous Transfer Mode (ATM)

Synchronous TDM: 각 전송 개체가 전송할 시간이 결정되어 있는 TDM

• 이러한 TDM의 경우, frame 내에서 각자의 time이 결정되어 있으므로 frame이 모두 할당되면, 남아있는 전송 개체들은 전송할 channel을 할당받지 못해 전송이 불가능해진다.
• 또한, 할당받은 개체가 전송을 하지 않을 때는 자원의 낭비로 이어진다.

따라서, ATM이 사용하는 Statistical Multiplexing은 아래와 같은 형태로,

• 전송 개체의 output에 대한 전송은 buffering을 통해 보장

ATM Features

보내고자 하는 data를 cell로 잘라서 전송

Cell networking

• cell은 data 송수신의 기본 단위
• 위 그림에서 cell의 size: 53bytes, 실제 data: 48bytes, 전송을 위해 필요한 정보인 header: 5bytes
• 효율적인 multiplexing을 가능케하는데, 아래의 그림을 보면 이해할 수 있다.
  • 위 경우 1-1 data가 매우 긴 size를 가져, 통신 line을 독점하게 될 수도 있다.
    • 이로 인해 상대적으로 짧은 data들이 오랫동안 waiting해야할 수도 있다.
  • 이러한 긴 data들을 cell단위로 분리하여 통신의 독점을 막을 수 있다.

Code Division Multiple Access (CDMA)

동일한 time과 frequency 그리고 서로 다른 code를 사용하여 data를 전송하는 방식

CDMA Encode and Decode

송신, 수신측 모두 CODE를 알고 있으며 이를 encoding과 decoding에 사용

• 각 slot마다 data가 할당, 서로 다른 data와 code를 operation(encoding) 취해 나온 결과를 전송
• 수신측은 알고 있는 CODE로 수신한 data를 decoding하여 원래의 data를 도출

CDMA: Two-sender Interference

2명의 서로 다른 송신자가 data를 전송하는 경우 $\rarr$ 서로 다른 CODE를 사용

• A, B로 가정하면, 서로 다른 CODE값을 사용하여 encoding 수행
  • 이때, CODE값들은 서로 간섭을 일으키지 않아야 하므로 orthogonal해야한다.
• 수신측에서는 CODE를 알고 있기에 서로 다른 송신자가 보낸 data를 추출할 수 있다.
• 하지만, 고주파가 필요하다는 단점이 존재 (주파수 대역 $\uarr$)

Hadamard Matrix

CODE값을 만드는 algorithm

• 오른쪽 대각선 아래의 값만 다른 값들의 반대로 취하는 방식
• 임의의 2개를 뽑아도 서로 간섭을 일으키지 않는다.

Basic Concept of OFDM

왼쪽은 FDM, 오른쪽이 OFDM(서로의 주파수가 서로에게 간섭 X)

Difference between FDM and OFDM

FDM과 OFDM의 차이

• OFDM의 경우, guard band 필요없이 orthogonal하게 carriers가 사용
  • 특정 carrier 주파수의 세기가 최고일 때, 나머지 주파수의 세기는 0

Cable Modems

Downstream

• Cable scheduler는 작은 packets 단위로 data를 전달
• 가입자들은 downstream capacity를 공유
• 가입자들에게 upstream time slot을 할당

Upstream

• 가입자들은 서로서로 upstream 시, 각자의 시간대를 확보해야 서로 겹치지 않는다. (Headend scheduler가 할당 = grant)

Cable Modem Scheme

• Headend scheduler가 각 station에 시간대를 할당해주고, data를 전달
• Upstream에서, 각 station들은 headend scheduler에 전송할 data가 있음(얼마의 minislot이 필요한지)을 request
  • 이 때, 공동 channel로 request를 보내기에, 여러 station이 동시에 request하는 경우 충돌이 발생할 수 있다.

Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL)

xDSL의 한 종류, downstream과 upstream에 요구되는 data rate이 비대칭

• downstream에 요구되는 rate가 upstream보다 크다.

ADSL Channel Configuration

각 stream 사이는 splitter가 분할
POTS: 전화 주파수, Downstream이 더 많은 data의 수신을 가능하게 함
$\rarr$ 댁 내망 (Residential Area Network) 에 사용

Duplex Access Technique

실시간 쌍방 통신

Frequency-division duplex (FDD): 주파수를 Down, Up으로 나누어 동시에 가능하게 함
Time-division duplex (TDD): time을 Down, Up으로 나누어 사용