데이터 통신 7) 멀티플렉싱

zh025700·2022년 12월 22일
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데이터 통신

7. Multiplexing

일반적으로 두 통신 스테이션은 데이터 링크의 전체 용량을 활용하지 않는다.
효율성을 위해, 그 용량을 공유하는 것이 가능해야 한다. 이러한 공유에 대한 일반적인 용어는 멀티플렉싱이다.

그림은 멀티플렉싱 기능을 가장 간단한 형태로 보여준다.

  • 멀티플렉서에는 n개의 입력이 있다.
  • 멀티플렉서는 단일 데이터 링크로 디멀티플렉서에 연결된다.
  • 링크는 별도의 데이터 채널을 전송할 수 있다.
  • 멀티플렉서는 n개의 입력 라인으로부터 (복수) 데이터를 결합하고 더 큰 용량의 데이터 링크를 통해 전송한다.
  • 디멀티플렉서는 다중화된 데이터 스트림을 받아들이고, 채널에 따라 데이터를 분리(디멀티플렉스)하며, 적절한 출력 라인으로 데이터를 전달한다.

이 장에서는 두 가지 유형의 다중화 기술을 소개한다.
첫 번째 주파수 분할 다중 방식(FDM)은 가장 많이 사용되며 라디오나 텔레비전을 사용해 본 적이 있는 모든 사람에게 익숙하다.

두 번째는 동기식 TDM으로 알려진 시분할 다중화(TDM)이다.
일반적으로 디지털화된 음성 스트림과 데이터 스트림을 다중화하는 데 사용된다. 그런 다음 다중화 유형인 케이블 모뎀과 디지털 가입자 회선을 모두 결합한 두 가지 방식을 살펴본다.

멀티플렉싱은 서로다른 라인에서 들어오는 신호를 하나의 라인으로 수용하는 것이다.

FDM

frequency division multiplexing

  • 각 신호가 서로 다른 carrier 주파수로 변조되고 carrier 주파수가 충분히 분리되어 신호의 대역폭이 크게 겹치지 않을 경우 다수의 신호를 동시에 전송할 수 있다.

    • 즉 신호의 주파수를 나눠서 한 채널에서 전송가능하게 한다.
    • 캐리어 주파수가 다 다르다.
      • 퓨리에를 통해 특정 주파수에서 원하는 정보를 얻을 수 있다.

그림에서 6개의 신호 소스가 멀티플렉서에 공급되어 각 신호를 다른 주파수(f1, ..., f6)로 변조된다.

  • 변조된 각 신호에는 채널이라고 하는 반송파 주파수에 중점을 둔 특정 대역폭이 필요하다.
  • 간섭을 방지하기 위해 채널은 스펙트럼에서 사용되지 않는 부분인 가드 밴드에 의해 분리된다.
  • 아날로그 신호가 전송이 된다.
    • 입력은 디지털, 아날로그가 가능하다.

FDM system

다수의 아날로그 또는 디지털 신호는 동일한 전송 매체에 다중화되어야 한다.
각 신호 mi(t)는 반송파 fi로 변조된다. 그 결과 아날로그 변조 신호는 복합 베이스밴드 1 신호 mb(t)를 생성하기 위해 합산된다.
생성된 복합 신호는 bandpass filter를 통해 원하는 주파수만 걸러 인식이 가능하다.

매체를 통해 세 개의 음성 신호를 동시에 전송하는 간단한 예를 생각해 보자.
음성 신호의 대역폭은 일반적으로 4 kHz로 간주되며, 유효 스펙트럼은 300 ~ 3400 Hz이다(그림a).
이 신호가 64-kHz 반송파를 진폭 변조하는 데 사용될 경우, 그림 b의 스펙트럼이 나타난다.
변조된 신호의 대역폭은 8kHz이며, 60~68kHz까지 확장된다.
대역폭을 효율적으로 사용하기 위해, 우리는 하부 측면 대역만 전송하기로 선택한다. 64kHz, 68kHz, 72kHz에서 3개의 음성 신호를 사용하여 반송파를 변조하고 각각 하단 측면 대역만 취하면 그림c의 스펙트럼이 나타난다.

Analog carrier System

  • 장거리 링크는 FDM 계층을 사용한다
    • 미국은 AT&T
    • 전세계는 ITU-T
  • 단위는 group -> supergroup -> mastergroup으로 되어진다.
    • group
      • 12개의 채널
    • SuperGroup
      • 5개의 group
        • 60개의 채널
    • MasterGroup
      • 10개의 SuperGroup
        • 600개의 채널
  • 원래 음성 또는 데이터 신호는 여러 번 변조될 수 있다.

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

  • 다양한 주파수의 다중 Beam
  • 광섬유 링크를 통해 이동
  • 다른 FDM 시스템과 유사한 아키텍처
    • 멀티플렉서는 단일 광섬유를 통해 전송하기 위한 레이저 소스(1550nm)를 통합
    • 광증폭기는 모든 파장을 증폭시킨다.
    • Demultiplexer가 대상에서 채널을 분리
  • 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM)
    • 더 많은 채널을 더 가깝게 사용

Time Division Multiplexing

Synchronous time-division multiplexing

여러 개의 디지털 신호(또는 디지털 데이터를 전달하는 아날로그 신호)는 각 신호의 일부를 시간 내에 나누어 전송한다.

그림은 동기식 TDM 시스템이다.
여러 신호 [mi(t), i = 1, n]을 동일한 전송 매체에 다중화해야 한다.

각 소스에서 들어오는 데이터는 짧게 버퍼링된다.
버퍼들은 복합 디지털 데이터 스트림 mc(t)를 형성하기 위해 순차적으로 스캔된다. 디지털 신호 mc(t)는 아날로그 신호가 전송되도록 직접 전송되거나 모뎀을 통해 전송될 수 있다.
두 경우 모두 전송은 일반적으로 동기식이다.

전송된 데이터는 그림b와 같은 형식을 가질 수 있다.
데이터는 프레임으로 구성된다.
각 프레임은 time 슬롯의 주기를 포함한다.
각 프레임에서, 하나 이상의 슬롯은 각 데이터 소스 전용입니다.
프레임에서 프레임까지 하나의 소스에 전용되는 슬롯의 시퀀스를 채널이라고 한다.(나에게 주어진 시간)

수신기에서, 나눠진 데이터는 역다중화되고 적절한 대상 버퍼로 라우팅된다.

동기식 TDM은 동기식 전송이 사용되어서가 아니라 time 슬롯이 소스에 미리 할당되어 고정되어 있기 때문에 동기식이라고 불린다.
소스에 전송할 데이터가 있는지 여부에 관계없이 각 소스에 대한 시간 슬롯이 전송된다.
물론 FDM도 마찬가지이다.

  • 헤더와 트레일러가 없다
    • 추가적인 저옵가 필요하지 않기 때문에
  • data link 계층 프로토콜이 필요하지 않다.
    • TDM에 대해선 필요 없다 에러는 상위계층에서 처리한다.
    • 단순 링크만 제공하는 것이기 때문에
  • flow control가 필요 없다
    • data rate은 고정되어 있다
    • 하나의 수신자가 데이터를 못 받아도 다른 출력은 계속 되어야한다.
      • 수신이 안되는 곳에 흐름을 잠시 막는다
        • 빈 슬롯으로 만들어 버린다는 것이다.
  • error control도 필요 없다
    • 채널 각각의 문제다

Framing

TDM 프레임에 추가적 정보가 없기때문에 송 수신 클럭간에 프레임 동기화를 위한 수단이 필요하다

  • 추가 비트 프레임
    • TDM 프레임에 하나의 제어 비트가 추가된다.

프레임에서 프레임까지 식별 가능한 비트 패턴이 "제어 채널"로 사용된다.
대표적인 예가 교대 비트 패턴인 101010 . . . . 이것은 데이터 채널에서 유지될 것 같지 않은 패턴이다.
따라서, 동기화하기 위해, 수신기는 하나의 프레임 위치의 들어오는 비트들을 예상 패턴과 비교한다.

Pulse Stuffing is a common solution

다양한 데이터 소스 동기화 문제

  • 클럭 클라우드 간의 변동으로 인해 동기화 손실이 발생
  • 단순한 합리적 숫자와 관련이 없는 서로 다른 출처의 data rate 문제

이 두 가지 문제에 대해, 펄스 stuffing이라고 알려진 기술은 효과적인 방법이다.

  • 프레임 비트를 제외한 멀티플렉서의 송신 data rate이 최대 순간 수신 rate의 합계보다 높다.
  • 추가 용량은 각 수신 신호에 추가 더미 비트 또는 펄스를 주입하여 로컬에서 생성된 클럭 신호의 전송 속도로 상승할 때까지 사용
  • stuffed 펄스는 디멀티플렉서에서 식별 및 제거될 수 있도록 멀티플렉서 프레임 형식의 고정 위치에 삽입
아날로그 및 디지털 소스의 TDM

  • 아날로그 소스는 펄스 코드 변조(PCM)를 사용하여 디지털로 변환
    • PCM은 샘플링 정리에 기반
    • PCM은 대역폭의 두 배와 동일한 속도로 신호를 샘플링해야 한다는 것을 지시
    • 따라서 필요한 샘플링 속도는 소스 1과 소스 3의 경우 초당 4000개 샘플이고 소스 2의 경우 초당 8,000개 샘플입니다.
    • 아날로그(PAM)인 이러한 샘플은 양자화 또는 디지털화되어야 합니다.
      • 각 아날로그 샘플에 4비트가 사용된다고 가정합시다.
      • 편의상, 이 세 가지 소스는 하나의 단위로 먼저 다중화될 것이다.
      • 4kHz의 스캔 속도에서 소스 1과 소스 3에서 각각 1개의 PAM 샘플이 추출되고 스캔당 소스 2에서 2개의 PAM 샘플이 추출됩니다.
      • 이 4개의 샘플은 쪼개져 4비트 PCM 샘플로 변환됩니다.
      • 따라서 64kbps의 복합 비트 전송률에 대해 초당 4000회의 속도로 총 16비트가 생성됩니다.
  • 디지털 소스의 경우 펄스 스터핑을 사용하여 각 소스를 총 데이터 전송 속도 64kbps에 대해 8kbps로 높입니다.
    • 프레임은 각각 16개의 PCM 비트와 8개의 디지털 소스로부터 각각 2개의 비트를 포함하는 32비트의 다중 사이클로 구성될 수 있다.

DS-1 Transmission Format

  • TDM 계층(북미 및 일본)의 기본은 24개의 채널을 다중화하는 DS-1 전송 형식이다. - 각 프레임은 채널당 8비트와 24 * 8 + 1 = 193비트에 대한 프레임 비트를 포함한다.

    • 1 비트는 framing bit이다.

  • 음성 전송

    • 각 채널에는 디지털화된 음성 데이터 한 단어가 포함되어 있다.

    • 각 프레임은 초당 8,000회 반복해야 한다.

    • 프레임 길이가 193비트인 경우 데이터 속도는 8000 * 193 = 1.544Mbps이다.

    • 6개 프레임 중 5개 프레임에 대해 8비트 PCM 샘플이 사용된다.

    • 6번째 프레임마다 각 채널은 7비트 PCM 워드와 신호 비트를 포함한다.

  • 디지털 전송

    • 음성과의 호환성을 위해 동일한 1.544Mbps 데이터 전송 속도를 사용한다.
    • 이 경우 23개의 데이터 채널이 제공됩니다.
      • 24번째 채널 위치는 특수 동기화 바이트용으로 예약되어 있어 프레임 오류 후 더 빠르고 안정적인 재프레임 작업이 가능하다.
    • 각 채널에서는 프레임당 7비트가 데이터에 사용되며, 여덟 번째 비트는 해당 프레임의 채널에 사용자 데이터 또는 시스템 제어 데이터가 포함되어 있는지 여부를 나타내는 데 사용된다.
    • 채널당 7비트로, 각 프레임이 초당 8000회 반복되기 때문에 채널당 56kbps의 데이터 속도를 제공할 수 있다.

  • DS-1 포맷은 음성 채널과 데이터 채널의 혼합을 전달하는 데 사용될 수 있다.

Sonet/SDH

SONET(Synchronous Optical Network)는 ANSI가 표준화한 광전송 인터페이스이다. 동기 디지털 계층(SDH)이라 불리는 호환 버전은 ITU-T에 의해 권고된 SONET에서 광섬유의 고속 디지털 전송 기능을 활용하기 위한 사양을 제공하기 위해 발행되었다.

  • 높은 속도의 광 섬유를 이용한다

  • 신호 속도의 계층을 정의

Asynchronous Transfer Mode(ATM)

비동기 전송 모드(ATM)는 ATM 포럼이 설계한 셀 릴레이 프로토콜로, 국제전기통신연합(ITU-T)이 채택하고 있다.

ATM과 SONET의 조합은 전 세계 네트워크의 고속 상호 연결을 가능하게 한다.

ATM Design Goal

  • 고속 전송 매체(광섬유 등)의 사용 최적화
  • 기존 시스템과의 광범위한 상호 연결 제공
  • 저렴한 비용으로 구축
  • 기존 시스템과의 호환성
  • 연결 지향
  • 하드웨어 기능 향상으로 속도 향상 및 소프트웨어 기능 제거

Atm 특징

셀 네트워킹

  • 셀은 데이터 교환의 기본 단위이다.
  • 셀: 작은 고정 크기 정보 블록
  • 프로토콜 헤더의 작은 오버헤드
    • 5바이트 헤더 형식
  • 효율적인 멀티플렉싱
    • 다른 크기의 프레임을 사용한 멀티플렉싱
      • 지연 문제 발생
    • 동일한 크기의 셀을 사용하여 다중화하는 경우
      • 공평하게 사용가능

비동기 TDM

  • SYNC에서는 TDM이 낭비가 있었다
  • 비동기에서는 낭비가 더 이상 없다

Cable Modem

케이블 모뎀은 사용자가 케이블 TV 네트워크를 통해 인터넷 및 기타 온라인 서비스에 액세스할 수 있도록 하는 장치이다.
각 채널은 다수의 가입자에 의해 공유되므로, 전송을 위해 각 채널에 용량을 할당하기 위한 어떤 방식이 필요하다.
일반적으로 그림 8.12와 같이 통계적 TDM의 형식이 사용된다.
케이블 스케줄러는 가입자에게 케이블 헤드엔드의 다운스트림 방향에서 작은 패킷의 형태로 데이터를 전달한다.
채널은 다수의 가입자에 의해 공유되기 때문에, 둘 이상의 가입자가 활성 상태일 경우 각 가입자는 다운스트림 용량의 일부만 얻는다.
다운스트림 방향은 가입자들에게 시간 슬롯을 부여하는 데도 사용된다.
가입자가 전송할 데이터가 있을 때, 먼저 공유 업스트림 채널에 타임 슬롯을 요청해야 한다.
각 가입자에게는 이 요청 목적을 위한 전용 시간 슬롯이 제공된다.
헤드엔드 스케줄러는 이 구독자가 사용할 미래 시간 슬롯의 할당을 다시 전송하여 요청 패킷에 응답한다.
따라서 다수의 가입자가 충돌 없이 동일한 업스트림 채널을 공유할 수 있다.

Downstream

  • 케이블 스케줄러가 작은 패킷으로 데이터 전송
  • 활성 가입자는 다운스트림 용량을 공유
  • 또한 가입자에게 업스트림 시간 슬롯을 할당

Upstream

  • 사용자가 공유 업스트림 채널의 타임슬롯을 요청

  • 헤드엔드 스케줄러가 구독자에게 사용할 슬롯을 알려줌

    • 데이터 전송 전용 케이블 TV 채널 2개

    • Statistical TDM을 사용하는 가입자 수로 공유되는 각 채널

ADSL

초고속 광역 공공 디지털 네트워크의 구현 및 배치에서 가장 어려운 부분은 가입자와 네트워크 간의 연결, 즉 디지털 가입자 회선이다.

ADSL은 일반 전화선을 통해 고속 디지털 데이터 전송을 제공하도록 설계된 새로운 모뎀 기술 제품군 중 가장 널리 알려진 기술이다.
ADSL은 현재 여러 통신사에 의해 제공되고 있으며 ANSI 표준에 정의되어 있다.

  • 가입자와 네트워크 간의 링크

  • 현재 설치된 트위스트 페어 케이블 사용

  • 비대칭인가 판단 방법

    • 업스트림보다 다운스트림 쪽이 더 큰가

  • 주파수 분할 다중화 사용

    • 에코 캔슬레이션 또는 FDM을 사용하여 두 개의 밴드 제공

  • 최대 5.5km의 범위를 갖는다.

DMT

  • 서로 다른 주파수의 다중 반송파 신호
  • 4kHz 하위 채널로 나눈다.
  • 더 나은 SNR로 하위 채널 테스트 및 사용
  • 256개의 다운스트림 하위 채널
    • 이론적으로는 15.36Mbps, 실제로는 1.5-9Mbps

FDMA

FDMA는 여러 스테이션 간에 스펙트럼을 공유하는 데 사용되는 기술이다.

주파수 분할 다중 액세스

  • 여러 스테이션 간에 스펙트럼을 공유하는 데 사용되는 기법
  • 기지국이 사용 가능한 전체 대역폭 내의 스테이션에 대역폭을 할당

주요 기능

  • 각 서브 채널은 단일 스테이션 전용
  • 하위 채널이 사용 중이 아닌 경우 유휴 상태
    • 용량이 낭비된다
  • 각 하위 채널이 전용이므로 더 적은 오버헤드 비트가 필요
  • 간섭을 최소화하기 위해 개별 하위 채널은 가드 밴드로 분리되어야 한다.

TDMA

TDMA는 일반적으로 기지국과 다수의 가입자국으로 구성된 구성에 사용된다. TDMA에는 시간 슬롯의 시퀀스를 전송하는 데 사용되는 비교적 큰 단일 업링크 주파수 대역이 있습니다. 반복 시간 슬롯은 논리 서브 채널을 형성하기 위해 개별 가입자 스테이션에 할당된다. 그림 8.19b가 예시이다. 이 예에서, 각 스테이션은 업링크 채널의 전체 용량의 동일한 양을 얻습니다. 따라서 각 채널은 세 번째 슬롯마다 할당됩니다. 마찬가지로, 각 가입자 스테이션은 업링크 채널과 동일한 슬롯 할당 또는 다른 슬롯 할당을 가질 수 있는 다운링크 채널에서 지정된 타임 슬롯을 수신한다. 이 예에서 다운링크 채널은 또한 세 스테이션에 균등하게 분포되어 있습니다.

시분할 다중 액세스

  • 타임 슬롯 시퀀스를 전송하는 데 사용되는 단일, 비교적 큰 업링크 주파수 대역이 있다.
  • 논리적 하위 채널을 형성하기 위해 개별 가입자 스테이션에 반복적인 시간 슬롯이 할당

주요 기능

  • 각 서브 채널은 단일 스테이션 전용
  • 개별 스테이션의 경우, 데이터 전송은 연속이 아닌 버스트 단위로 발생
  • 가입자 스테이션 간의 완벽한 동기화 부족을 설명하기 위해 시간 간격 사이에 가드 시간이 필요
  • 다운링크 채널은 별도의 주파수 대역에 있을 수 있다.
  • 업링크 및 다운링크 전송은 동일한 주파수 대역에 있을 수 있다.

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