2022.06.06 학과공부. 데이터통신 chapter 8.
Multiplexing

Summary

• Frequency-division multiplexing
• Synchronous time-division multiplexing
• Asymmetric digital subscriber line
• xDSL
• Multiple channel access

1. Frequency-division multiplexing

1-1. Multiplexing

• Multiple links on 1 physical line(용량이 큰 하나의 피지컬 라인을 여러 개의 destination 링크가 공유)
• long-haul, high capacity, links
• FDM, TDM, STDM alternatives

1-2. Frequency Division Multiplexing (FDM)

• 주파수에 따라 분포해 있고, 이 주파수들의 범위는 곧 bandwidth이다
• 각 주파수에 해당하는 modulator를 summation하고 이를 transmitter가 전송한다.
• 4kHz 밴드면 Voice 처리 가능하다.
  
• 각 Frequency(fi)가 modulating signal을 구성하는데 이 각 fi들의 Bandwidth(Bi)의 합이 곧 Signal의 Spectrum(B)이다.
• Receiver는 이것을 fi filter에 넣어 각 fi별로 분리하고 각 fi의 signal들을 Demodulator에 넣어 신호를 복원한다.

1-3. Analog Carrier Systems

• Group : 12 voice chanels (4kHz each) = 48kHz
• Supergorup : FDM of 5 group signals -> 60 channels, 312kHz ~ 552kHz(책 잘못나옴)
• Mastergroup : FDM of 10 supergroups -> 600channels
• 이렇게 기준을 정의한 것임!
  

1-4. Wavelength Division Multiplexing(WDM)

• 다른 파장이나 frequency에서의 다수의 빛 굴절을 이용
• Optical Fiber를 통해 전달됨 -> 용량이 수십 Tbps(10^12)
• 상업적으로는 160 channels of 10 Gbps, 실험실 연구에선 256 channels 39.8Gbps까지 성공함.
• 음성 -> 4kHz -> 8000번 샘플링
• 파장 수를 늘리거나 채널의 속도를 높임 -> 하나의 전송 링크를 full로 사용할 수 있음.
• 파장의 역수 = 주파수, 둘은 관련성이 있다
• DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)
  

2. Synchronous Time Division Multiplexing(TDM)

2-1. TDM Characteristics

• 각 일정시간별로 Channel가 돌아온다 -> 그 시간간격이 모여 하나의 채널을 이룬다.

2-2. TDM Link control & Digital carrier systems

• header나 trailer가 없다.
• Data link control protocol이 필요하지 않다.
• Flow control

  -다중화된 line의 Data rate은 고정되어 있다.
  -한 Channel이 Data를 수신할 수 없다면, 다른 Channel들이 수신해야 한다.

• Error control

  각각의 channel에서 Error가 검출되거나 처리된다.

• start Flag | Address | Control | Information(가변) | frame check seq | end Flag
  
• Framing : 전송의 시작과 끝을 알리고, 프레임 경계를 짓는 일 -> 여전히 동기화 메커니즘에서 source와 destination 사이 clock을 제공해야 한다.
• Pulse Stuffing : 10M, 20M 전송할때 -> 다중화 -> 분할하여 전송 -> 크기에 비례해서 프레임 별로 전송(10M은 한칸, 20M은 두칸) -> 배수가 아니면? Pulse Stuffing은 이 두 개 사이를 배수관계로 만들고자 더미 데이터를 넣는다.
  

2-3. Digital Carrier Systems

• T-1(DS-1) : 싱크(1bit) 24개, 슬롯(slot) 8bit, 1초에 8천개 전송 -> 한 프레임 길이 : {1+(824)}bit/frame 8000frame/sec = 193 * 8000 =1.544 Mbps
• E-1(ITU-T) : {1+(830)}bit/frame 8000frame/sec -> 동시에 24명 가입자 가입가능
• 1초에 8000번 샘플링
• 각 음성마다 슬롯들로 들어감
  
• 각 프레임에서 첫번째 슬롯은 A, 두번째는 슬롯은 B, 이런식으로 DS-1은 24명 수용, E-1은 30명 수용
• 슬롯이 24개, 8비트 크기, TDM이므로 프레임이 정해진 시간마다 하나씩 나옴 -> 125마이크로sec(8000분의 1초) -> 193bits를 125microsec로 나누면 한 비트의 크기가 된다 -> 이 한 비트들을 8개 합치면 슬롯의 길이가 된다.
• 각각의 음성은 8비트나 7비트 코딩이 가능하다.

2-4. SONET/SDH

• SONET : Synchronous Optical NETwork (ANSI)
• SDH : Synchronous Digital Hierarchy (ITU-T)
• Optical carrier level 1(OC-1, STS-1) = 51.84Mbps
• Frame Format(OC-1) : 90bytes(가로), 9bytes(세로) 8000frames = 9908 bit/frame 8000 frame/sec = 51.84Mbps
• Frame Format(OC-3) : 270bytes*N(가로), 9bytes(세로)
• Optical Fiber의 빠른 속도 용량을 이용.
• SONET/SDH Signal Hierarchy
  
• SONET/SDH Frame Formats
  

2-5. Statical TDM

• 매시간 효율이 좋을 수는 없으니 통계적으로 많이 쓰는 시간에 더 많이 시간을 투자
• 슬롯을 동적으로 할당한다(by demand)
• Address나 Length헤드는 오버헤드임 -> Relected Overhead -> 1000(10bit), 1024(10bit) -> 1000, 24만 보냄 -> 10,5만 보냄
• 가변 길이 코딩 : 평균 length를 줄일 수 있음 -> 총길이가 1023까지 있음 -> 평균 길이코드의 오버헤드는 10비트임 -> 평균적으로 오버헤드가 발생 -> 각 길이에 맞게 코딩
• 한 바이트 나타내기위해 -> 첫 번째, 각 자릿수 만큼의 가짓수로 구분 가능 -> 표현할 수 있는 절대길이가 와야함

3. Cable Modems

• Downstream : 10~30Mbps for small packets, TV, Network to user
• Upstream : 500Kbps~10Mbps for user requests timeslots, User to network

4. Asymmetrical Digital Subscriber Line(ADSL)

4-1. ADSL design

• TP(데이터 용량 불충분 -> 인간 성향 고려해 전송)
• subscriber and network 사이 link
• Frequency Division Multiplexing(FDM) : POTS(기존 음성 시스템, 25kHz) 제공, 인터넷 서비스도 제공 -> 옛날에는 전화시 인터넷 불가 -> ADSL로 가능
• 5.5km(교환기에서 전화기까지 거리) 범위 제한
• FDM : 0~20(POTS사용), 25~200(ADSL UPStream), 250~1000kHz(ADSL DownStream) -> 대역 고정
• Echo Cancelation 방식 : 0~20(POTS사용), 25~1000kHz(Variable, ADSL UpStream, ADSL DownStream) -> 대역 가변(융통성 있음, 하나의 기술 필요)
• ideal하지 않으면 -> invert 시켜서 더해주면 됨(?) -> echo cancellation을 사용
  

4-2. Discrete Multitone (DMT)

• Frequency를 여러 개로 나눔 -> 각각 채널의 품질이 다름(ppt 두번째 그림) -> 품질이 좋은 band는 많은 비트를 전송, 나쁘면 적은 비트 할당
• 채널 품질이 나쁘면 에러율이 높고 속도를 줄여서 전송 -> 적은 비트 전송
• 이론적으로는 15.36Mbps -> 실제 환경에서는 1.5-9Mbps
  
• 그래서 각 QAM이 담당하는 비트 수가 다르다! -> 다 합하면 1이 됨

5. xDSL

• ADSL(Asymmetric), HDSL(Symmetric), SDSL(Symmetric), VDSL(Asymmetric) 등
• 서비스 거리의 제한(VDSL)

5-1. High data rate DSL(HDSL)

• dual TP에서 2B1Q coding
• 3.7km에서 최대 2Mbps

5-2. Single line DSL

• single TP에서 2B1Q coding with echo cancelling
• 3.7km에서 최대 2Mbps

5-3. Very high data rate DSL

• 매우 높은 data rates(Very high data rate)을 위해 DMT/QAM
• band를 각 서비스 별로 나눔.

6. Multiple channel access

6-1. Frequency-Division Multiple Access(FDMA)

• 가장 간단하고 오래된 방식
• 가용 Spectrum을 정해진 bandwidth 내에서 여러 무선 channel로 분할하여 사용 -> 나누어진 band를 각각의 channels에 할당
• 장점

  구현이 비교적 간단한 아날로그 방식
  심볼간 간섭(ISI, 한 펄스가 다른 펄스 구간에 끼여 겹치는 현상)에 대한 영향을 적게 받으므로 Equalizer가 필요 없음
  망동기방식(Network Synchronization) 구현이 필요 없음
  Voice Coding이 불필요
  비트 동기나 Framing 등이 쉬움

• 단점

  인접채널간 간섭이 생길 수 있으므로 보호대역(Guard)이 필요
  통화의 비밀유지가 어려움
  주파수 이용효율(Frequency Efficiency)에 한계가 있어 사용자수가 제한
  비음성 전송의 경우 효율이 좋지 않음

6-2. Time-Division Multiplexing Access(TDMA)

• 시간축을 여러 시간 구간으로 나누어서 각 사용자가 자기에게 할당된 시간 구간을 다른 사용자의 시간 구간과 겹치지 않게 사용 -> Frequency Domain에서 하나의 동일한 반송 bandwidth를 여럿이 Share
• 장점

  FDMA에 비해 주파수 효율(Frequency Efficiency)이 3~6배 정도
  FDMA에서와 같은 듀플렉서(Duplexer)는 필요 없음

• 단점

  심볼간 간섭(ISI)을 극복하기 위한 Equalizer가 필요함
  데이터 프레임화에 따른 Overhead 부담으로 전송효율이 다소 낮음
  수신시에 반송파 동기, 비트시간 복원, Framing 등이 필요하여 Modulator가 복잡함
  Frequency Band 및 Timeslots 수에 따라 용량이 제한됨

출처 : Data and Computer Communication, 대학교 데이터통신 수업(by 김영천 교수님), 정보통신기술용어해설