▶ 다중화 (Multiplexing)
- 다수의 신호들을 단일 데이터 링크로 동시에 전송하게 하는 기술
- 다중화기 (Mulitplexer, MUX) : 다수의 스트림들을 하나의 스트림으로 결합하는 기기
- 다중복구기 (Demultiplexer, DEMUX) : 하나의 스트림을 다수의 스트림으로 분리하는 기기
- 채널 (Channel) : 주어진 라인 (stream) 들을 전송하는 단일 링크의 일부로 , 하나의 링크에 여러 채널이 존재한다 .
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- 유형
주파수 분할 다중화 방식 (Frequency Division Multiplexing, FDM ) 파장 분할 다중화 방식 (Wavelength Division Multiplexing, WDM ) 시 분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing, TDM )
▶ 주파수 분할 다중화 방식 (Frequency Division Multiplexing, FDM)
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- 각 송신측에서 생성된 신호들 (Input lines) 이 입력 신호에 맞게 다른 반송 주파수를 변조한 후 , 변조된 신호들이 링크에 전송될 수 있는 하나의 복합 신호로 결합되어진다 .
- 쉽게 말해 , 하나의 복합 신호 라는 것은 링크에서 이용 가능한 총 대역폭을 겹치지 않게 주파수 하부 대역으로 분리시켜서 각각의 개별 신호를 담아 동시에 전송 하는 것을 뜻한다. 따라서 아날로그 다중화 방식이다 .
- 가드 밴드 (Guard Band) : 채널간 혼선 , 간섭을 막기 위한 대역으로 , 지정된 채널들 사이에 이용되지 않는 좁은 주파수 대역
[ 다중화기 ]
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[ 다중복구기 ]
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https://www.slideshare.net/soumya604159/ch-06
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[ 저렇게 각기 다른 채널의 대역폭 ( 신호 ) 을 겹치지 않게 하나로 합쳐서 단일링크에 전송 ]
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- 예제 1) 각각 100kHz 의 대역폭을 가진 5 개의 채널이 함께 전송되어진다 . 이 때 , 링크에서 대역폭이 겹치지 않게 10kHz 의 가드밴드가 요구되어진다면 , 링크의 최소 대역폭은 얼마인가 ?
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5 * 100 + 10 * 4 = 540 kHz
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- 예제 2) 채널당 자료 전송율이 1Mbps 인 4 개의 채널이 1MHz 인 하나의 위성채널을 이용하여 전송된다 . 적절한 구성을 표현하라 .
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위성 채널은 아날로그를 사용하므로 , 하나의 링크로 볼 수 있다 . 4 개의 채널을 사용하므로 각 채널당 대역폭은 1MHz / 4 = 250 kHz 이다 . 여기서 1 초에 1M bits 가 전송된다는 뜻은 1 초에 250 kHz 가 전송된다는 뜻이므로 , 1Hz 당 전송되는 비트 수는 4 bits 이다 . 즉 , 신호당 비트 수가 4 이므로 , r = log2L 식을 사용하여 신호 레벨이 16 인 것을 알 수 있다 . 따라서 16-QAM 으로 표현할 수 있다 .
쉽게 말해 , 각각의 1Mbps 의 디지털 정보를 16-QAM 방식으로 변조하여 250 kHz 아날로그 신호로 나타낸 뒤 , 네 개의 신호를 FDM 방식으로 복합신호로 합쳐 1MHz 의 링크로 전송한다는 의미이다 .
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- FDM 의 아날로그 계층
[ 5 개의 채널을 묶어서 Group ,
10 개의 Group 을 묶어서 Super group
6 개의 Super group 을 묶어서 Master group
또 다시 이 그룹을 묶어서 Jumbo group 이라고 표현한다 . ]
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▶ 파장 분할 다중화 방식 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)
- 다른 파장 ( 다른 색 ) 을 사용하여 여러 반송파 신호를 단일 광섬유에 적용 하는 방식으로 아날로그 다중화 방식이다 .
- 동축 케이블의 높은 데이터 수용력을 이용하므로 주파수가 높고 속도가 빠르다 .
- 주파수 분할 다중화 (FDM) 이 일반적으로 주파수에 적용되는 반면 , 파장 분할 다중화 (WDM) 은 일반적으로 빛 반송파에 적용된다 . 파장과 주파수는 직접적인 반비례 관계를 통해 연관되어 있기 때문에 , 파장 분할 다중화와 주파수 분할 다중화는 같은 개념을 설명한다 .
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▶ 시 분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing, TDM)
- 하나의 링크를 시간 단위 (Time Slot) 로 나누어 여러 채널이 링크의 대역폭을 공유하게 하는 방식으로 , 디지털 다중화 방식이다 .
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- 유형
동기식 시분할 다중화 방식 (Synchronous TDM) 통계적 시분할 다중화 방식 (Statistical TDM)
▶ 동기식 시분할 다중화 방식 (Synchronous TDM)
- 각각의 입력 채널 ( 신호 ) 들에게 정확하게 동일한 타임 슬롯을 할당하는 방식이다 .
- Frame : 각 채널들로부터 할당한 타임 슬롯이 모인 것 , 완전한 사이클 (Cycle) 또는 주기
[ 링크에 있는 신호들은 입력 신호보다 시간이 3 분의 1 로 줄었기 때문에 속도가 3 배 빠르다 .]
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- 예제 1) 위의 그림 속 각 입력 신호가 1kbps 의 속도를 가진다 . 만약 시간 (time slot) 당 1bit 가 다중화된다면 ,
Q1) 하나의 입력신호에서 시간 슬롯은 얼마인가 ?
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송신측에서 1 초에 1000 개의 비트를 보내므로 , 단위 시간당 1bit 인 경우 , 시간 슬롯은 1bit 당 걸린 초 (bit duration) 와 같다 . 즉 , 1/1000 = 1ms 이다 .
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Q2) 링크의 하나의 시간 슬롯 (output time slot) 은 얼마인가 ?
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위의 그림에서 링크의 타임 슬롯이 입력신호의 타임 슬롯보다 1/3 줄었기 때문에 1/3 ms 이다 . ( 하나의 입력신호에서 시간 슬롯은 1ms 이다 .)
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Q3) 하나의 프레임 주기는 얼마인가 ?
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위의 그림에서 하나의 프레임에 3 개의 타임 슬롯이 들어간다 . 따라서 1/3 * 3 = 1ms 이다 .
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- Data Rate Management ( 자료 전송율 관리 ) : 정확하게 동일한 시간 슬롯을 부여하기 위함.
다치 다중화 (Multilevel Multiplexing) : 입력 라인 ( 채널 ) 에서 소수의 라인 속도가 다수의 라인보다 작을 경우 같은 속도로 맞추기 위해 소수의 자료 전송율을 합치는 방식이다 .
출처 다중 슬롯 다중화 (Multiple-Slot Allocation) : 소수의 라인 속도가 다수의 라인 속도보다 클 경우 , 다수의 라인 속도에 맞추기 위해 해당 자료전송율을 분할하는 방식이다 .
출처 비트 채우기 (Pulse Stuffing) : 여러 입력 라인의 속도가 배수로 나누어 떨어지지 않아서 위의 두가지 방식을 사용할 수 없을 경우에 사용하는 방식이다 . 다수의 입력 라인의 속도에 비해 조금 낮은 하나의 입력라인이 있다면 dummy bits 를 추가하여 가장 높은 자료전송율에 맞춘다 .
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- 프레임 동기화 (Frame Synchronizing) : 프레임의 시작점에 싱크 비트를 추가 하여 다중화기 및 다중복구기를 동기화시킨다 .
- 디지털 신호 서비스 (Digital Signal Service) : 잡음이 진폭에 영향을 주기 때문에 음성을 디지털 정보로 변환하는 것이다 . 이를 위해 전화망 사업자들이 디지털 계층이나 디지털 신호의 계층을 통해 TDM 을 구현한다 .
- 초당 샘플링 수 = 초당 프레임 수
- 샘플링당 샘플 수 = 프레임당 타임슬롯 수
[ 1 개의 오디오 채널 - 펄스 부호 변조 (PCM) 방식 ]
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- 설명 : 1 개의 오디오 채널을 예시로 들면 , 사람의 음성은 0~4kHz 의 범위의 대역폭을 가지며 , 이므로 최소 1 초에 8000 번의 Sampling 을 한다는 의미이다 . 위의 경우 샘플링당 1 바이트 (8 비트 ) 이므로
따라서 위의 맨 왼쪽 그림에서 64kbps 값이 나온 것이다 . 각 채널이 64kbp 인 24 개의 채널이 TDM 방식으로 그룹화되어 모이면 두 번째 1,544 Mbps 가 된다 . 이 때 , 초당 샘플링이 8000 개 되므로 , 프레임 수는 8000 개이다 . 각 프레임당 1 비트씩 프레이밍 비트가 추가되면 전체적으로 1bit * 8000 = 8000비 트가 오버헤드 된다 . 따라서 64kbps * 24(channel) + 8kbps = 1,544 Mbps 가 나오는 것이다 . 참고로 1바이트씩 샘플링 했으므로 타임슬롯당 1 바이트이다 .
- T Lines : DS 를 구현하기 위해 이용된다 .
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▶ 통계적 시분할 다중화 방식 (Statistical TDM)
- 기존의 시분할 다중화 방식에서는 해당 시간에 데이터가 전송되지 않더라도 채널이 할당되기 때문에 링크의 비효율적인 사용이 있었다 . 즉 , 링크의 수용력 (Capacity) 를 낭비 할 수 있기 때문에 해결 하고자 통계적 시분할 다중화 방식을 사용한다.
- 타임 슬롯들이 동적으로 할당되어 진다 .
- 프레임당 타임 슬롯 수 < 입력 라인의 수 ( 기존에는 같았다 .)
- 링크의 수용력 < 입력 채널의 수용력의 합 ( 위의 것보다 더 정화한 표현이다 .)
- 다중화기가 라운드 로빈 방식으로 각각의 입력 라인을 확인한다 .
- 각각의 타임슬롯은 데이터를 목적지 주소로 잘 옮겨야 한다 .
- 싱크 비트가 없다 .
- 동시에 많이 보낼 것을 대비하여 다중화기에 큐가 있다 .
[ 첫 번째 그림은 동기식 시분할 다중화방식인데 , 프레임당 슬롯수가 최대 5 개이다 .
두 번째 그림은 통계적 시분할 다중화방식인데 , 프레임당 슬롯수가 최대 3 개이다 . ]
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- 대역 확산 방식 (Spread Spectrum, SS)
초기에는 군사용으로 사용한 전자파를 이용하여 무선통신에서 적에게 도청되지 않고 , 적의 방해전파에도 강한 통신방식을 구현하기 위함이었다 . 현재는 이동통신환경 ( 무선통신 ) 에서 자주 쓰이고 있으며 , 외부의 전자파 잡음에 강하도록 특정 신호의 주파수 대역 (spectrum) 을 넓히는 기술을 뜻한다 . Spreading code 를 이용하여 대역폭을 확산시킨다 . 대역폭의 효율성이 뛰어나며 , 노이즈에 강하고 , 보안성을 갖추고 있다 .
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- 주파수 도약 방식 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
출발지 신호 ( 입력 신호 ) 에 의해 변조된 N 개의 다른 반송 주파수를 이용하는 방식으로 , 유효한 통신 대역폭 ( 링크 ) 을 N 개의 주파수 슬롯으로 분할하여 전송할 때가 되면 일부 유효 슬롯을 통해 정보를 전송한다 . 랜덤 패턴 생성기에서 매 주파수에 머무는 시간마다 k-bit 패턴을 생성한다 . 주파수 테이블이 시간 별로 사용될 주파수를 찾기 위해 그 패턴을 이용한다 . 그리고 해당 주파수를 주파수 신시사이저 (Synthesizer) 로 넘긴다 . 주파수 신시사이저가 해당 주파수의 반송파를 생성한다 . 그리고 입력신호에 맞게 반송파가 변조된다 .
[ 전체적인 과정 ]
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[ 세부적인 모습 ]
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[ 주파수 테이블에 따른 k-bit 패턴 ]
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[ 사용자들끼리 주파수가 겹치지 않도록 다른 패턴으로 링크가 공유되어진다 . ]
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[ FDM vs FHSS 가 대역폭을 공유하는 모습 ]
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- 직접 확산 방식 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
입력 신호에 주파수가 높은 디지털 신호 ( 확산 코드 ) 를 곱 (XOR) 하여 대역폭을 확산시키는 방식이다 . FHSS 보다 전력 효율이나 대역폭 효율면에서 훨씬 좋으며 , 이동통신의 CDMA 와 같은 의미로 받아들여진다 . 처리과정 전송될 각각의 이진 데이터 신호 ( 비트 ) 를 칩 코드 (Chip) 라고 하는 다른 이진 코드로 변조 하여 사용주파수 전역으로 확산시켜서 전송한다 . 수신측에서는 칩이 다시 원래의 비트 단위로 변환되어 데이터가 복원된다 . 칩이 크면 클수록 원래의 데이터로 복원될 가능성이 커진다 .
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