Multiplexing

이태곤·2022년 11월 5일

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1. Multiplexing

Channel : 여러개의 input data 가 하나의 link 로 전달되어질 때, 각각의 input 을 수용할 수 있는 논리적인 단위
FDM and TDM

FDM (Frequency Division Multiplexing)

같은 시간에 여러개의 Carrier 주파수로 나누어 전송하는 방법

본인에게 주어진 주파수 -> Channel

Analog Multiplexing

TDM (Time Division Multiplexing)

여러 시간대로 나누어서 전송하는 방법

본인에게 주어진 시간 -> Channel

Analog / Digital Signal 모두에서 사용

Frame 단위로 전송된다.
-> Frame 은 time slot 으로 나뉘어지고 각 input 은 시간 포지션을 확보

2. FDM (Frequency Division Multiplexing)

(a) : 각각의 transmitter 들은 보내고자하는 신호를 Subcarrier modulator를 통해 modulation 후, 신호가 합쳐져서 전송된다.

(b) : 나누어진 주파수 영역

(c) : Bandpass filter 를 통해 합쳐진 신호로부터 받아들이고자 하는 주파수 영역만 filtering 해서 수신할 수 있다.

(a) : 사람의 음성인 0 ~ 4KHz

(b) : 사람 음성 주파수 X Cosine Carrier = Carrier 주파수 (64KHz)
이 때, 4KHz 의 Bandwidth 만 필요하므로 Upper or Lower 제거

(c) : 사람 음성 주파수가 3개일 때의 서로 다른 Carrier 주파수에 담은 모습

Analog Carrier System
- Group : 12 개의 음성 -> 48KHz between 60KHz and 108KHz
- Supergroup : 5 개의 group grouping -> 60 Channels
- Mastergroup : 10 개의 supergroup grouping -> 600 Channels
WDM (Wavelength Division Multiplexing)
- 고주파에서 사용하는 주파수 분할 방법으로 FDM 과 유사하다.
  -> 주파수가 다르면 Wavelength 도 다른 원리를 적용했다.
  -> Optical fiber 사용 (고주파)

3. Synchronous TDM (Time Division Multiplexing)

(a) : 각각의 transmitter 들은 보내고자하는 신호를 Buffer 에 담은 후 TDM Frame 에 Mapping 된다.

(b) : TDM Frames

(c) : Mapping 되어있던 TDM Frame 으로부터 알맞은 Buffer 로 할당된다.

TDM Link Control
- No headers and trailer -> 시간정보에 따라 Mapping 되므로 추가정보 필요없다.
- protocols not needed -> 상위 계층에서 해결
- Flow control
  - Data rate of multiplexed line is fixed
    -> 시간에 따라 할당받아서 전송<->수신 데이터가 맞아 떨어져서 flow 문제가 발생하지 않는다.
  - 수신자가 data를 수신할 수 없더라도 다른 것들은 전송된다.
  - Corresponding source must be quenched
  - Leaving empty slots
Framing
- TDM 방식은 frame 이 일정하게 송수신되기때문에 flag, SYNC character가 필요 없다.
- source와 destination 의 synchronizing mechanism은 제공되어야 한다.
  -> Added digit framing: Frame의 끝마다 반복적인 패턴의 bit를 추가하는 Synchronizing mechanism.
Pulse Stuffing
- 전송 rate와 수용 rate 를 맞추기 위해서 사용하는 방법 -> gap 채우기!
  
  -> Sync 를 맞추기위해서 pulse stuffing 과정을 통해 0.8kbps 추가
DS-1 Transmission Format
- 첫번째 bit: 동기화를 위해 각각의 frame을 구분하는 bit
- 24개의 Channel -> Each channel has 8 bits
- 하나의 frame 은 125μsec
  -> Frame의 동작 시간을 의미하며 Sample의 간격을 나타낸다. (Sampling: 8000/s)
  -> DS-1 : (8 X 24 + 1) / 125μsec = 1.544Mbps
- Voice Channels
  - 음성이므로 자연스럽게 들리기위해 주기적으로 전송되어야한다.
    -> 고정적으로 할당 되어야함 (적어도 64kbps, 56kbps)
  - 8-bit PCM: 6 frames 중 5 frames
  - 7-bit PCM: 여섯번째 frame, 1 bit for sinaling bit
    -> signaling bit : error detection or link status monitoring
- Data Channels
  - 주기적일 필요없이 데이터에 맞는 slot 만 할당 받으면된다.
  - 24번째 channel은 signaling
  - Bit 1-7: 56kbps service에 사용
  - Bit 2-7: 9.6, 4.8, 2.4kbps service에 사용
SONET/SDH
- 광 케이블을 사용하여 Multiplexing 할 때의 표준
- SONET : Synchronous Optical Network (ANSI)
- SDH : Synchronous Digital Hierachy (ITU-T)
  - STS MUX(DEMUX) : 광 케이블을 연결한 Multiplexer
  - R : 광 신호의 세기 증폭
  - ADM : Add or Drop Multiplexer
  - Section, Line, Path 로 구분한다.
    -> 구분이유? 프로토콜 계층을 다르게 사용하기 위해서!
STS-1
STS-N

-> 광 케이블 Multiplexer 에서도 위와 같은 방식으로 Multiplexing 을 하고있다.

4. ATM (Asynchronous Transfer Mode)

Synchronous TDM: 각각의 input 개체가 전송할 시간이 결정되어 있다.
- Frame 내에서 각각의 Input 에 대해서 time이 결정되어 있다.
  -> n -m 개의 Input 들은 전송할 channel을 할당받지 못한다.
- Empty slot 일 경우 낭비가 된다.
ATM이 사용하는 Statistical Multiplexing
- 고정된 time slot 이 있는것이 아닌, input 개체가 오는 순서대로 전송한다. (Buffering 이용)
ATM Features
- 보내고자 하는 데이터의 크기를 작게 잘라서 cell 단위로 전송한다.
  - cell : data 송수신의 기본 단위
  - Payload : 실질적인 data
  - header : 전송, 프르토콜을 실행 하기위한 정보
  - 첫 번째 그림은 short data stuck behind long data
    -> 상대적으로 긴 data 의 line 독점!
  - 두 번째 그림은 cell 단위로 보냄으로써 효율성 증가

5. CDMA (Code Division Multiplexing)

동일한 시간과 주파수를 가지고있지만 서로 다른 코드를 이용해 data 를 전송하는 방식

송수신 입장 모두에서 CODE 를 알고 있으면 이를 활용해서 encoding과 decoding 을 하여 원하는 결과값을 전송, 수신할 수 있다.

Encoding : code로 data를 operation (encoding)하여 데이터를 전송한다.

Decoding : code로 data를 operation (decoding)하여 원래의 data를 얻는다.

2 Senders
- 서로 다른 code 값을 사용하여 encoding
- code 값들은 서로 간섭을 일으키지 않는 직교 (orthogonal) 해야한다.
- Receiver는 수신 하고자하는 data의 code값을 이용해 decoding 할 수 있다.
- 단점 : 서로 다른 code 를 이용해 data를 전송하므로 고주파가 필요하다.
  -> Bandwidth 증가 : costly
Hadamard Matrix
- Orthogonal한 code를 만들기위한 알고리즘
- 4등분하였을 때, 4 사분면 값만 다른 값들과 반대의 값을 갖는다.
  -> 이 때, 각각의 row를 code로 활용할 수 있다. => Orthogonal

6. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

FDM : A single carrier frequency

OFDM : Multiple orthogonal carreir frequencies

특정 carrier 주파수의 세기가 최고일 때, 나머지 주파수의 세기는 0
-> 간섭이 없다! (Orthogonal)

7. Cable Modem

Downstream

Cable(Headend) scheduler는 작은 packets 단위로 data를 전달

가입자들(A,B)은 downstream capacity를 공유

가입자들(A,B)에게 upstream time slot을 할당 -> Grant

Upstream

가입자들(A,B)은 requests timeslots
-> 독립적인 시간대를 확보해야 신호가 서로 겹치지 않는다.

Headend scheduler가 각 station에 시간대 할당 (Grant) 및 data 전달

각 station들은 Upstream을 통해 headend scheduler에게 timeslot 요청
-> timeslot을 요청할 수 있는 시간을 별도로 할당 => 동시에 여러 request 충돌 방지!

8. ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line)

xDSL의 한 종류로써 downstream과 upstream에 요구되는 data rate이 비대칭이다.
-> downstream rate > > upstream rate
전화선을 사용하며 splitter를 사용하여 stream 을 비대칭으로 분할한다.
- POTS : 전화 주파수
- 나머지 : 컴퓨터, 인터넷망이 이용하는 주파수로 Downstream이 더 많은 data의 수신이 가능하도록 비대칭 분할
  ->댁내망 (Residential Area Network)

9. DMT (Distcrete Multitone)

여러개의 carrier signal들이 다른 주파수로 존재한다.

주파수마다 신호가 좋고 나쁨의 정도를 구별한다.
-> 신호 상태가 좋으면 : 한 신호마다 담고있는 비트수가 많아진다.
-> 신호 상태가 좋지 않으면 : 한 신호마다 담고있는 비트수가 적어진다.

10. Duplex Access Technique

A, B 두 시스템이 실시간으로 동시에 서로 통신할 수 있는 기술이다.
- FDD : 사용가능한 주파수를 Uplink, Downlink 로 나눠서 구별한다.
  -> 송, 수신 시간이 동일하다. (주파수만 다름)
- TDD : 시간을 일정간격으로 두고 Uplink, Downlink로 구분한다.
  -> 송, 수신 시간이 다르다.