Chapter6 Bandwidth Utilization

MultiPlexing(다중화)

• 단일 데이터 링크를 통해 여러 신호를 동시에 전송할 수 있는 기술
• 데이터 및 통신 사용이 증가함에 따라 트래픽도 증가한다.
• 새 채널이 필요할 때마다 개별 링크를 계속 추가하여 이러한 증가를 수용하거나 고대역폭 링크를 설치하고 각각을 사용하여 여러 신호를 전달할 수 있다.

증가하는 데이터 트래픽을 수용하는 방법

1. 새로운 채널이 필요할 때마다 개별 링크를 추가한다.
2. 더 높은 대역폭 링크를 설치하고 각각을 사용하여 여러 개를 전송합니다. 

멀티플렉스의 종류

• Frequency-division muliplexing(주파수 분할 다중화) - 아날로그
• Wavelength-division multiplexing(파장 분할 다중화) - 아날로그
• Time-division multiplexing(시분할 다중화) - 디지털

Frequency-division muliplexing(주파수 분할 다중화, FDM)

• 각 전송 장치에서 생성된 아날로그 신호는 서로 다른 반송파 주파수(carrier frequencies)를 변조한다.
• 이러한 변조된 신호는 링크를 통해 전성될 수 있는 복잡 신호로 결합된다.

• 다중화 과정

• 역다중화 과정

• 주파수 분할 다중화 예시1
  • 음성채널이 4kHz의 대역폭을 점유한다고 가정하자. 우리는 20kHz에서 32kHz까지 12kHz 대역폭의 링크로 3개의 음성 채널을 결합해야 합니다. 주파수 도메인을 사용하여 구성을 표시하라.(가드밴드는 없다고 가정)
    답: 

 

• 주파수 분할 다중화 예시2
  • 각각 100kHz 대역폭을 가진 5개의 채널이 함께 다중화된다. 간섭을 방지하기 위해 채널 사이에 10kHz의 가드밴드가 필요한 경우 링크의 최소 대역폭은 얼마인가?
    답:

• 주파수 분할 다중화 예시3
  • 각각 1Mbps로 전송하는 4개의 데이터 채널(디지털)은 1MHz의 위성 채널을 사용한다. FDM(주파수분할다중화)를 사용하여 적절한 구성을 디자인하라
    답: 위성 채널은 아날로그이다. 우리는 250kHz대역폭을 갖는 4개의 채널로 나눈다. 1Mbps의 각 디지털 채널은 각 4비트가 1Hz로 변조되도록 변조된다. 한가지 솔루션은 16-QAM 변조이다. 아래 그림은 예시 답안이다.

• 주파수 분할 다중화 예시4
  • 공중 전화 네트워크의 아날로그 계층 구조

• 주파수 분할 다중화 예시5
  • AMPS(Advanced Mobile Phone System)는 두 개의 대역을 사용한다. 824~849MHz의 첫번째 대역은 송신에 사용되고 869~894MHz는 수신에 사용된다. 각 사용자는 각 방향으로 30kHz의 대역폭을 갖습니다. 3kHz 음성은 FM을 사용하여 변조되어 30kHz의 변조된 신호를 생성한다. 휴대폰을 동시에 사용할 수 있는 사람은 몇명인가? 
    답: 각 대역은 25MHz이다. 30kHz로 나누면 833.33이다. 실제로 밴드는 832개의 채널로 나뉜다. 이 중 42개의 채널이 제어용으로 사용되며, 사용자는 790개의 채널을 사용할 수 있다.

 

Wavelength-Division Multiplexting(파장 분할 다중화, WDM)

• 광섬유 케이블의 고속 데이터 전송률을 사용하도록 설계됨
• 광섬유 채널을 통해 광 신호(빛)가 관여한다는 점을 제외하면 FDM과 개념적으로 동일함

• 파장 분할 다중화와 demul 의 프리즘

• DWDM(Dense WDM): 채널을 서로 가깝게 배치하여 매우 많은 수의 채널을 다중화할 수 있다.

 

Time-Division Multiplexing(시분할 다중화, TDM)

• 저속 채널 여러 개를 고속 채널 하나로 결합하는 디지털 다중화 기법
• 대역폭 대신 모든 연결이 링크에서 시간을 공유한다.

 

Synchronous(동기식) TDM

• 프레임은 동일한 크기의 n(입력수)개의 슬롯으로 분할된다.
• 데이터를 전송하지 않더라도 각 연결에는 모든 프레임에서 동일한 위치의 시간 슬롯이 할당된다.

• 예시1: 위 그림에서 각 입력 연결의 데이터 속도는 1kbps이다. 한번에 1비트씩 다중화(1비트단위)하면 각 (1)입력 슬롯, (2)출력슬롯, (3)프레임은 어떻게 되는가?
  • 1. 각 입력 연결의 데이터 속도는 1kbps이다. 이는 비트 지속 시간이 1/1000s 또는 1ms임을 의미한다. 입력 시간 슬롯의 지속 시간은 1ms이다(비트 지속 시간과 동일)
    2. 각 출력 시간 슬롯의 지속시간은 입력 시간 슬롯의 1/3이다. 이는 출력시간 슬롯의 지속시간이 1/3ms임을 의미한다.
    3. 각 프레임은 3개의 출력 시간 슬롯을 전달한다. 따라서 프레임의 지속시간은 3X(1/3)ms또는 1ms이다. 프레임의 지속 시간은 입력 단위의 지속 시간과 동일하다.

• 예시2: 위 그림은 각 입력에 대한 데이터 스트림과 출력에 대한 하나의 데이터 스트림이 있는 동기식 TDM을 보여준다. 데이터의 단위는 1비트이다. (1)입력비트 지속 시간,(2)출력 비트 지속 시간, (3)출력 비트 전송률, (4)출력 프레임 전송률을 구하라
  • 1. 입력 비트 지속 시간은 비트 전송률의 역수이다. 1/1Mbps=1
  • 2. 출력 비트 지속시간은 입력의 1/4이다.
  • 3. 출력 비트 전송률(bit rate)은 출력 비트 지속 시간(duration)의 역수이다. 따라서 출력 비트 전송률은 4Mbps이다. 
    이는 출력속도가 입력속도보다 4배 빠르다는 사실에서도 추론할 수 있다.
  • 4. 프레임 속도는 항상 모든 입력 속도와 동일하다.따라서 프레임은 초당 1,000,000프레임이다. 각 프레임에서 4비트를 전송하기 때문에 이전 질문의 결과를 프레임당비트X 프레임속도 을 통해서 증명할 수 있다.
• 예시3: TDM을 사용하여 4개의 채널이 다중화 된다. 각 채널이 초당 100바이트를 전송하고 채널당 1바이트를 다중화하는 경우 링크에서 이동하는 프레임, 프레임 크기, 프레임 기간, 프레임 속도 및 링크의 비트 전송률을 구하라
  • 멀티플렉서는 아래 그림과 같다. 각 프레임은 각 채널에서 1바이트를 전달한다. 따라서 각 프레임의 크기는 4바이트이다.
  • 프레임 속도는 초당 100프레임이다. 따라서 프레임의 지속시간은 1/100초이다. 링크는 초당 100프레임을 전송하고 각 프레임에는 32비트가 포함되어 있으므로 비트전송률은 100X32=3200bps이다.

• 예시4: 멀티플렉서는 2비트의 타임슬롯을 이용하여 4개의 100Kbps 채널을 결합한다. 4개의 임의 입력이 있는 출력을 보여라. (1)프레임 속도(rate), (2)프레임 지속시간(duration), (3)비트전송률(bit rate), (4)비트 지속시간(bit duration) 을 구하라
  • 아래 그림은 4개의 임의 입력에 대한 출력을 보여준다.
  • (1) 링크는 각 프레임이 채널당 2비트를 포함하므로 초당 50,000프레임을 전달한다.
  • (2) 따라서 프레임 지속 시간은 1/50,000초 또는 20마이크로s이다.
  • (3) 프레임 속도는 초당 50,000프레임이고 각 프레임은 8비트를 전달한다.
    비트 전송률은 50,000 x 8 =400,00비트(400kbps)이다. 비트 지속 시간은 1/400,000초 또는 2.5마이크로초이다.

• 소스에 보낼 데이터가 없으면 출력 프레임의 해당 슬롯이 비어 있기 때문에 비효율적이다. 

• 다단계 다중화는 데이터 전송률이 1/1일 때 사용할 수 있다.

• 다중 슬롯 다중화는 다른 다중 데이터 전송률을 가진 입력 라인을 하나의 프레임에 다중 슬롯을 할당하여 함께 다중화하는 것을 가능하게 한다.

• Pulse stuffing은 소스의 비트 전송률이 서로 여러 정수가 아닌 경우에 사용된다. 더낮은 비율의 입력라인에 더미 비트가 추가 된다.

• 디멀티플렉서가 타임 슬롯을 정확하게 분리하기 위해서는 멀티플렉서와 디멀티플렉서 간의 동기화가 필요하다.
• 동기화를 위한 프레이밍 비트(fraiming bit)

• 예제5: 각각 초당 250자를 생성하는 4개의 소스가 있다. 인터리브(interleaved)된 단위가 문자이고 각 프레임에 1개의 동기화 비트가 추가되면 (1) 각 소스의 데이터 속도, (2) 각 소스의 각 문자 지속 시간, (3) 프레임 속도, (4) 각 프레임의 지속 시간, (5) 각 프레임의 비트 수, (6)링크의 데이터 속도는 어떻게 되는가?
  • 1. 각 소스의 데이터 속도는 250 x 8 = 2000kbps = 2kbps이다.
  • 2. 각 소스는 초당 250자를 전송한다. 따라서 문자의 지속 시간은 1/250초 또는 4ms이다.
  • 3. 각 프레임에는 각 소스에서 하나의 문자가 있다. 즉, 링크는 초당 250프레임을 전송해야 한다.
  • 4. 각 프레임의 지속 시간은 1/250초 또는 4ms이다.
  • 5. 각 프레임은 4개의 문자와 1개의 추가 동기화 비트를 전달한다. 즉, 각 프레임이 4x8+1=33비트임을 의미한다.
  • 6. 링크는 초당 250프레임을 전송하고 각 프레임은 33비트를 포함합니다. 따라서 링크의 데이터 속도는 250x33 또는 8250bps입니다.
• 예제6: 비트율이 100kbps인 채널과 비트율이 200kbps인 채널 두 개를 다중화합니다. 이것이 어떻게 이루어질 수 있나? 프레임속도,프레임 지속시간, 링크의 비트 전송률을 구하시오
  • 첫번째 채널에 하나의 슬롯을 할당하고 두번째 채널에 두 개의 슬롯을 할당할 수 있다. 채널1(100kbps), 채널2-1(100kbps), 채널2-2((100kbps)
  • 각 프레임은 3비트를 전달한다. 프레임 속도는 첫번째채널에서 1비트를 전달하기 때문에 초당 100,000프레임이다. 프레임 지속 시간은 1/100,000초 또는 10 마이크로초이다. 비트 전송률은 100,000 프레임/초 x 프레임당 3비트, 즉 300kbps이다.
• 디지털 계층: Digital Signal(DS) 서비스

Statistical TDM (통계 TDM)

• 슬롯은 각 입력 라인에 동적으로 할당되어 대역폭 효율성을 향상시킨다.
• 라운드 로빈 방식으로 각 입력 라인을 확인하면, 멀티플렉서는 보낼 데이터가 있는 경우 입력 라인에 슬롯을 할당한다.
• 그렇지 않으면 줄을 건너뛴다.
• TDM에서 역다중화를 위한 도구

동기식 TDM	동기화
통계 TDM	addressing (주소지정)

 

TDM 슬롯비교

 

Spread Spectrum(확산 스펙트럼, SS)

• 서로 다른 채널을 결합하기 전에 안전한 전송을 위한 중복성을 추가하기 위해 신호의 대역폭을 먼저 확산시킨다.
• 무선 네트워크에서 안전한 신호 전송을 위해 사용
• 소스의 메시지를 보호하기 우해 각 스테이션에 필요한 대역폭을 (>>)로 확장
• 두가지 원칙
  • 필요이상으로 큰 할당(Allocation)
  • 원래 신호의 독집적인 확장 프로세스 (Spread process)
• 두가지 기술
  • Freq.Hopping SS
  • Direct Sequence SS

Frequency Hopping Spread Spectrum( 주파수 호핑 확산 스펙트럼, FHSS)

• 소스 신호는 호핑 주기마다 특정 순서로 서로 다른 반송파 주파수(different cattier)를 변조한다.
• 한 번에 하나만 사용하지만, 장기적으로 M주파수를 사용한다.(주파수호핑확산스펙트럼B>>B)

• 반송파 사용 순서는 PN(Pseudorandom Noise) 이라고 하는 의사 난수 코드 생성기에 의해 생성된 비트패턴을 따른다.

• M 캐리어를 이용한 패턴은 호핑 주기마다 반복된다.
• 패턴을 비밀로 유지하면 통신 프라이버시 및 방해 전파 방지 효과를 얻을 수 있다.
• M 호핑 주파수를 사용하여 M 채널들을 FHSS시스템으로 다중화할 수 있다.

Direct Sequence Spread Spectrum(직접 시퀀스 확산 스펙트럼, DSSS)

• 각 테이터 비트는 n-bit 확산 코드로 대체된다. 원래 신호 속도가 환산 신호 속도 라면 더 큰 대역폭을 의미한다.

• Barker sequence: WLAN에서 사용되는 11비트 확산 코드
• Polar NRZ 인코딩을. 사용하는 원래 신호 및 코드

• 코드가 비밀로 유지되는 경우 통신 프라이버시 제공