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정보통신일반
(5)
차례
제5장 전송효율






전송효율의 필요성
주파수 분할 다중화
동기식 시분할 다중화
통계적 시분할 다중화
데이터 압축
다중화와 압축의 결합
전송 효율의 필요성

heterogeneous 환경에서 발생하는 전송비용 문제


한정된 매체에서 얼마나 많은 정보를 보낼 수 있는가 ?
Multiplexing, compression


다수의
집중화
다중화
링크를
데이터 스트림을 하나의 고속 데이터 스트림으로
하는 것을 다중화라 하고, 그 반대를 역 다중화라 한다
기술은 자원(전송채널)의 사용효율을 높이기 위해 통신
공유하자는 시도
전송 효율의 필요성

대역폭 개발과 활용

컴퓨터에서의 중요자원


통신에서의 중요 자원 : 대역폭(Bandwidth)



중앙처리장치(CPU), 주기억장치, 보조기억장치, 데이터베이스,
파일
대역폭 : 정보의 전송채널이 얼마만큼의 정보 전송능력을
갖느냐 하는 능력이고 도로에 비유한다면 도로 폭
통신의 전송설비는 일반적으로 비싸다. 따라서 대역폭을
효율적으로 나누어 쓰는 방법을 개발하여 어떻게 통신비용을
줄일 것인가  대역폭과의 싸움
대역폭과의 싸움


어떻게 더 넓은 대역폭을 확보하느냐
같은 대역폭을 어떻게 효율적으로 나누어 쓰느냐
전송 효율의 필요성

어떻게 더 넓은 대역폭을 확보하느냐 ?

결국 어떻게 높은 주파수의 신호를 만들고 이를 멀리까지 원형
그대로 보낼 수 있느냐 하는 것으로 귀결


높은 주파수를 안정적으로 만들어낼 수 있는 소자의 개발과 최근의
광통신기술로 해결
같은 대역폭을 어떻게 효율적으로 나누어 쓰느냐



대역폭의 넓히기 : 주로 하드웨어적인 기술에 의존
대역폭 나누어 쓰기 : 하드웨어 기술로 출발하여 최근에는 소프트웨어
의존도가 매우 커짐, 하드웨어 보다는 소프트웨어가 훨씬 융통성을
발휘하기가 쉽기 때문
정보를 전송 : 전기 혹은 광 신호를 이용
 주파수 영역과 시간 영역들로 구분
 대역폭 나누어 쓰기도 결국 이 두 가지 관점에서 출발

주파수 영역을 나누어 쓰는 방법이 주파수 분할 다중화
(FDM : Frequency Division Multiplexing)

시간 영역을 나누어 쓰는 방법이 시분할 다중화
(TDM : Time Division Multiplexing)
주파수 분할 다중화(FDM)

FDM (Frequency-Division Multiplexing)

마치 넓은 도로를 몇 개의 차선으로 나누는 것과 똑같이
넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용


이는 하나의 큰 공간을 몇 개의 방으로 나누어 사용하는 것과도
같은 개념
Radio와 TV 방송
같은 안테나로 수신 하면서도 여러 프로그램을 선택하여 들을
수 있는 것  각 방송국의 프로그램이 주파수 분할 다중화
 다이얼과 채널 스위치를 돌리는 것은 필터의 주파수를 바꾸는
것과 같은 원리
Ex> telephone
 사람의 음성대역폭(Voice Grade Bandwidth)은 3KHz이다.
 따라서 48KHz의 대역폭을 갖는 채널이 있다면 이를 주파수
분할하여 12명이 동시에 통화할 수 있다.

주파수 분할 다중화(FDM)

FDM (Frequency-Division Multiplexing)
주파수 분할 다중화(FDM)

세 개의 음성 채널의 FDM의 예
다중화기
0
4 60
주파수(KHz)
(a) 최초의대역폭
64
68
주파수(KHz)
(b) 주파수를올린 대역폭
72
60
64
68
주파수(KHz)
(c) 하나의채널로다중화된대역폭
72
주파수 분할 다중화(FDM)

디지털 신호인 경우 보통 다중화 장치가 주파수
편이 변조(FSK:frequency shift keying)방식을
사용하여 아날로그 신호로 변조하게 된다.

FDM의 장점



TDM에 비해 비교적 간단한 구조를 갖는다  경제적
주파수 분할 다중화기 자체가 주파수 분할 편이
변복조기의 역할을 수행하므로 별도의 변복조기가 필요
없다
단점

보호 밴드는 결국 대역폭을 낭비하는 결과를 가져와
채널의 이용률을 낮추게 된다.
시 분할 다중화(TDM)

TDM (Time-Division Multiplexing)

시간을 조각 내어 이 조각 낸 시간 단위(time slot)를
여러 이용자에게 할당하여 음성 혹은 데이터를 전송
하게 하는 방법
시 분할 다중화(TDM)

동기식 TDM (Time-Division Multiplexing)


각 단말 장치로부터 들어오는 데이터 신호 [Mi(t),
I=1,N]는 버퍼에 입력
각 버퍼는 한 비트나 한 문자의 길이를 가짐


각 버퍼들이 차례로 스캔(scan)되어 전송할 데이터
Mc(t)가 만들어 짐


이때, 버퍼에 실제로 전송할 데이터가 없는 경우에도 타임
슬롯은 배정되며, 이러한 타임 슬롯은 무의미하게 지나감
스캔하여 만들어진 Mc(t)의 형식


단말 장치와 시분할 장치의 내부 동작 속도와의 차이를 보상
하기 위해 사용
그림 4.5(b)  그림(b)의 타임 슬롯의 길이는 전송측의 버퍼
길이와 동일하며,일반적으로 한 비트나 한 문자로 구성
수신측은 전송되어온 데이터 Mc(t)를 역 다중화하여
적절한 수신측 버퍼에 입력
시 분할 다중화(TDM)
시 분할 다중화(TDM)

비 동기식 TDM (Time-Division Multiplexing)

지능 시분할 다중화 방식(intelligent TDM) 또는 통계적
시분할 다중화 방식(statistical TDM)이라고 함

동기식 시분할 다중화


비 동기식 시분할 다중화


정적 방법으로 각 채널에 타임 슬롯을 할당하는 것
실제로 보낼 데이터가 있는 단말 장치에만 동적으로 각 채널에
타임 슬롯을 할당하는 방식
장점

실제로 보낼 데이터가 있는 단말 장치에만 타임 슬롯을
할당하므로 전송효율이 높다
시 분할 다중화(TDM)

비동기식 시분할 다중화와 동기식 시분할 다중화를 비교
A 단말 장치가 t0와 t3, B 단말 장치가
t0와t1, C단말 장치가 t1과t4, D 단말
장치가 t3의 시간에 실제로 보낼 데이터를
가지고 있는 경우
 동기식 시분할 다중화의 경우 각 단말
장치에서 균일하게 타임슬롯을 할당하기
때문에 두 전송 사이클이 진행되는 동안
C1,D1,A2,D2의 타임 슬롯을 실제 데이터
없이 낭비하고 있다.
비동기식 시분할 다중화의 경우 실제
보낼 데이터가 있는 단말 장치에만
슬롯이 할당되므로 나머지 시간에
새로운 전송 사이클을 이룰 수 있어 같은
시간대에 더 많은 데이터를 전송할 수
있다.
시 분할 다중화(TDM)


비동기식 시분할 다중화의 경우, 임의의 한 타임 슬롯 동안의
데이터가 어느 단말 장치에서 왔는가를 예측할 수 없다.
그러므로 송신 처에 대한 주소 영역이 추가로 데이터에 첨가되어야
하는데, 이것은 동기식 시분할 다중화 방식에 비해 타임 슬롯 당
데이터 효율은 약간 떨어지게 한다.


전체적으로 동기식 시분할 다중화 방식에 비해 전체 효율은 향상된다.
비 동기식 시분할 다중화의 프레임구조
데이터 압축(Data compression)

압축(Compression)


Data의 저장 혹은 전송을 위해 파일의 크기를 줄이는 것
무손실 압축


손실 압축


Compression후 decompression했을 때 source data를 100%복원
가능한 기법
Source data를 완전하게 복원은 불가능하나 압축률을 높이는데 사용
Run-Length Coding


반복되는 문자열의 압축에 사용
송신기는 압축할 수 있는 반복되는 문자열을 찾아서 3개의 code로
대체
 압축을 나타내는 특수 문자, 반복되는 문자, 반복 문자의 개수

Fax압축에서 많이 사용
 흑백  검은색 : 1, 흰색 : 0로 가정

입력 문자의 특성에 따라 최대 1.5배의 압축률
데이터 압축(Data compression)

Run-Length Coding
Sc
X
Cc
Sc : 압축을 나타내는 특수문자
X : 압축된 문자
Cc : 압축된 문자의 개수
(a) 압축 형식
압축되기 전 데이터
압축후 데이터
$******55.72
$Sc*655.72
---------
Sc-9
KOREA …..KUMI
(b) 압축의 예
KOREA Sc.5KUMI
데이터 압축(Data compression)

Run-Length Coding 예
예1
 원문
“AAAAAAABCCCC”
 압축 후
“A!7 BC!4”
(13 bytes)
( 7 bytes)
예2


원문
“TABBBBBBBBBBBBBBBBBBCGLM” (17 bytes)
압축 후
TAB@18CGLM
(10 bytes)
데이터 압축(Data compression)

Fax에서의 Run-Length Coding 예
00000000000000000000
00000000000000000000
00011110000000000000
00010010000000000000
00011110000000000000
00000010000000000000
00000010000000000000
00011110000000000000
00000000000000000000
00000000000000000000
길이 : 200비트
(a) 부호화하지 않았을 때
43W 4B 16W 1B 12W 1b 16W 4B 19W 1B 19W
1B 16W 4B 53W
or
길이 : 120비트(=15 문자)
43 4 16 1 12 1 16 4 19 1 19 1 16 4 53
(b) 단순 실행길이 부호화
데이터 압축(Data compression)

Huffman encoding




알파벳을 코드화
문자가 나타나는
사용빈도가 높은
사용빈도가 낮은
하는 방법
회수에 따라 코드의 길이가 달라짐
문자 : 짧은 코드
문자(L, R, S, N, T 등) : 긴 코드
데이터 압축(Data compression)

Huffman algorithm



각 문자가 한 개의 노드를 가지는 2진 트리 생성, 각 문자의 빈도 할당
weight가 가장 작은 2개의 2진 트리를 선택하여 새로운 트리의 좌/우
부 트리가 되도록 merge, 두 노드의 빈도 합이 새 트리의 빈도가 됨
2단계 전체가 하나의 트리가 될 때 까지 반복
데이터 압축(Data compression)

Huffman encoding의 한계


문자의 사용빈도를 미리 알아야 함
부호화 위해 메시지를 문자단위 혹은 비트 단위로 그룹화


그래픽 및 이진 데이터의 경우 문제
Huffman 코드의 압출률


일반적으로 5문자를 표현하기 위해서는 3비트가 필요
Huffman code의 경우


평균 비트 수 : 2*0.25 + 3*0.12 + 3*0.1 + 2*0.2 + 2*0.3 = 2.25bit
압축률 : 2.25 / 3 = 0.75  약 75%
데이터 압축(Data compression)

V.42 bis compression

Dictionary 방식(Lempel-Ziv 알고리즘): 송수신지 간에 공동의
단어 사전을 지정하고 어떤 단어를 그대로 전송하는 대신 단어의
위치(index)를 전송
사전의 내용을 응용에 따라서 적응적으로 바꾸는 방식이 널리 사용
(예 UNIX의 compress, GIF 압축)
원리

자주 반복되는 문자열을 찾아 처음에 한 번만 저장하고, 그 이후에는
해당 코드로 대치해 준다

방법 1 : 문자열에 따라 어떤 특수 문자로 대치한다

방법 2 : 사전에 등록해 둔 다음, 이후에 발생한 때는
포인터를 나타내는 값으로 대치


데이터 압축(Data compression)

Lempel-Ziv 부호화의 예

원문
“The tropical rain fell in drenching sheets,
hammering the corrugated roof of the clinic
building roaring down the metal gutters,
 splashing on the ground”

압축 방법
'the’, 'ro', 'ing’를 특수문자 ‘’, ‘’, ‘’로 대치

압축된 문자열
“tpical rain fell in drench sheets,
hammer corrugated of clinic build,
ar down metal gutters, splash on
gund in 'a torrent”