Transcript 9.2 다중화 기법

Data Communications
제 9 장 전송효율화기술
1
목차
9.1 개요
9.2 다중화 기법
9.3 다중화 응용 (디지털 서비스의 계층구조)
9.4 데이터 압축
2
9.1 개요

데이터의 전송효율을 극대화하는 방법

다중화


링크의 이용효율을 높임
압축기법

전송 시간을 줄이고 전송효율을 높임
3
9.2 다중화 기법

(1/16)
정의


여러 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 하나의 고속 링크로 전송
수신측에서 본래의 신호채널로 분리하여 전달
4
9.2 다중화 기법

(2/16)
분류

주파수 분할 다중 방식 (FDM: Frequency Division Multiplexing) ;
하나의 회선을 다수의 주파수 대역으로 분할

시분할 다중 방식 (TDM: Time Division Multiplexing);
하나의 회선을 시간간격(time slot)으로 분할

코드분할 다중 방식 (CDM: Code Division Multiplexing);
확산 대역(spread spectrum)을 이용하여 다중화
5
9.2 다중화 기법

(3/16)
주파수 분할 다중화 방식(Frequency Division Multiplexing)

넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용
6
9.2 다중화 기법

(4/16)
동작 과정
각각의 신호 소스가 다중화 되어, 각 신호를 각기 다른 주파수
(f1,f2,...,f6)로 변조하여 전송
② 각 변조된 신호는 채널(Channel)이라고 하는 일정량의 대역을 할당
③ 보호 대역(Guard Band)을 사용하여 인접한 채널 간의 간섭을 막음
④ 수신부에서는 이 보호대역을 이용해 신호를 각각 분리
①

특징




고전적인 다중화 방법
아날로그 형태로 전송
시분할 다중화 방식에 비해 비효율적
TV, AM, FM 방송과 유선방송에 많이 사용
7
9.2 다중화 기법

(5/16)
시분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing)

하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들이 타임슬롯(time slot)을 이용하
여 전송
8
9.2 다중화 기법

동작과정
①
②
③
④

(6/16)
다중화기는 각 터미널로부터 입력을 제공받아 그것을 세그먼
트들로 나눔
각 세그먼트들을 고속의 공통채널 내에 번갈아 가며 할당하는
작업을 반복
반대편에서는, 각 신호들이 디멀티플렉서에 의해 개별신호로
분리
분리된 신호는 각 터미널에게 보내짐
특징


주파수 분할 다중화 방식에 비해 각 터미널의 수가 동적으로
변함
가용 주파수 대역을 최적으로 사용하기 위해 시간간격을 조절
하므로 융통성이 있음
9
9.2 다중화 기법

(7/16)
동기식 TDM(Synchronous Time Division Multiplexing) : 각 프레
임 내에서의 타임슬롯(time slot) 위치가 항상 일정하게 고정

동작 과정
각 단말장치를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장
② 타임 슬롯이 할당될 때 까지 각 터미널들은 버퍼에 생성된 정보들
을 저장
③ 정해진 순서를 기다려 타임 슬롯이 할당되면 저장된 버퍼의 데이
터 프레임을 전송매체를 통해서 전송
④ 전송된 프레임은 수신부에서 정해진 순서대로 분리
①

버퍼에 저장되는 단위
•
비트 삽입식(bit-interleaving)
–
–
•
타임슬롯 크기가 비트단위
버퍼의 크기가 작아도 됨
문자 삽입식(character interleaving)
–
–
타임슬롯 크기가 문자 단위
수신측에서 문자를 재구성하는데 오버헤드가 불필요
10
9.2 다중화 기법

(8/16)
통계적 TDM(Statistical Time Division Multiplexing) : 타임슬롯
(time slot) 위치를 동적으로 결정

동작 과정
각 터미널에서 데이터가 발생하면 지정된 프레임 크기만큼 데이터를 모아
프레임 주소영역과 함께 임시버퍼로 저장
② 가장 최근에 버퍼에 저장된 데이터 프레임에 타임 슬롯을 할당하여 전송
③ 수신부에서는 수신된 프레임의 주소영역에 따라 프레임을 분리
①

동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교
•
통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용
11
9.2 다중화 기법
(9/16)
12
9.2 다중화 기법

(10/16)
다중화 기법 비교
방식
동기식 TDM
비동기식 TDM
장점
•모든 프로토콜에 투명성을 가짐
•대역폭의 이용효율이 높음
단점
•타임슬롯, 즉 대역폭이 낭
비
•흐름제어가 필요하며 흐름
제어를 위한 프로토콜에 의
존적
•데이터 트래픽 발생비율이
고르게 분포되어있을 때 전
송지연 및 성능저하 야기
13
9.2 다중화 기법

(11/16)
코드분할 다중화 방식(CDM : Code Division Multiplexing)

정의



필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 기술을
이용
잡음과 다중경로에 대한 면역성
동작 과정
송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying : 위상변조)와 FSK(Frequency
Shift Keying : 주파수 변조)를 사용하여 일차 변조
② 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조
③ 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여 이
차 복조 혹은 역 확산
④ 역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기
때문에 일차복조 후 출력
①
14
9.2 다중화 기법

(12/16)
Spread Spectrum의 기본 구조
15
9.2 다중화 기법

(13/16)
CDM은 모든 사람이 같은 장소에서 서로 다른 언어를 사용하여 이
야기하는 것으로 비유될 수 있음
16
9.2 다중화 기법

장점
•
•

(14/16)
도청과 간섭을 방지
각 터미널에 개별 코드 할당
단점
•
•
•
수신부에서는 인코딩에 사용되는 코드를 알아야 함
배경잡음을 분리해야 하는 오버헤드
수신부는 디코딩을 적용하기 위해 송신부와 동기화를 이루어야 함
17
9.2 다중화 기법

(15/16)
역 다중화(Inverse Multiplexing)

고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터 스트림으로 변환
하여 전송
18
9.2 다중화 기법

(16/16)
동작과정
① 송신측에서
먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데
사용할 회선들을 설정
② 높은 비트 전송율의 디지털 스트림을 여러 개의 낮은 비트율의
회선으로 전송하기 위해 설정된 회선만큼의 개수로 분할
③ 분할된 디지털 스트림은 각기 다른 회선을 통해 전송
④ 수신측에서는 분할되어 들어오는 비트 스트림을 역다중화기가
받아서 하나의 높은 대역폭을 가지고 있는 회선을 통해 수신측
터미널 장비로 전송하기 위해 재조립

특징
역 다중화 과정에서 각 다른 채널을 통해 전송된 데이터의 지연
에 민감
 각 채널의 호 설정 기능 요구

19
9.3 다중화 응용

(1/20)
디지털 서비스 계층 구
조

종단 가입자에 연결된
64Kbps서비스부터
274.176Mbps 서비스
까지 5등급의 서비스
제공

Digital Signal Service
20
9.3 다중화 응용

(2/20)
각 단계별 서비스
•
•
•
•
•
•
DS-0 : 64Kbps의 단일 디지털 채널을 제공
DS-1 : 1.544Mbps을 제공 - 24 배의 64Kbps 에 8Kbps의 오버헤
드
DS-2 : 6.312Mbps을 제공 - 96 배의 64Kbps 에 168Kbps의 오버
헤드
DS-3 : 44.376Mbps을 제공 - 672 배의 64Kbps 에 1.368Mbps의
오버헤드
DS-4 : 274.176Mbps을 제공 - 4032 배의 64Kbps 에 16.128Mbps
의 오버헤드
21
9.3 다중화 응용

(3/20)
T 디지털 계층 (T-carrier)
펄스 부호화 변조(PCM) 및 시분할 다중화(Time Division Multiplexing)를 사용
 24개의 64Kbps 채널 들을 1.544 Mbps 광대역 신호에 실어 전송
 북미 표준


T1 프레임구조
22
9.3 다중화 응용

(4/20)
Digital Service와 T 회선
표준
북미
(North America)
Service
속도(Mbps)
채널수
DS-1
1.544
24
DS-1C
3.152
48
DS-2
6.312
96
DS-3
44.736
672
DS-4E
139.264
1920
DS-4
274.176
4032
23
9.3 다중화 응용

(5/20)
E 디지털 계층

유럽의 전송 규격으로 32개의 채널(30 데이터 채널 + 2 신호 채널)을
그룹화 해서 사용

E1 프레임 구조

E 회선
표준
ITU-T
Line
속도 (Mbps)
데이터 채널 수
E-1
2.048
30
E-2
8.448
120
E-3
34.368
480
E-4
139.264
1920
E-5
565.148
7680
24
9.3 디지털 응용

(6/20)
T 디지털계층과 E 디지털 계층의 다중화 구조
25
9.3 디지털 응용

(7/20)
DSL(Digital Subscriber Line)
기존의 전화망에서 적은 설비비용으로 초고속 통신을 제공
 FTTH(Fiber-To-The Home)실현의 과도기적 환경을 제공


정의
기존의 전화망에서 잠재적인 대역폭을 최대한 확장하며 누화를 제어
 MPEG전송을 지원하는 서비스와 POTS서비스를 동시에 제공
 xDSL은 전송속도, 전송거리, 상향과 하향 전송속도, 비율, 응용서비스 등에 따라
구분


종류

ADSL(Asynchronous Digital Subscriber Line)
• 인터넷접속, 주문형 비디오 , 홈쇼핑, 원격 LAN접속, 멀티미디어 서비스 등
을 제공하기에 적합
• 전화국 쪽으로 낮은 상향(16~640Kbps)과 가입자쪽으로 높은 하향
(1.5~9Mbps) 전송속도의 비대칭적인 전송속도 제공
• 스플리터(Splitter)라는 경계구간을 이용하여 전화신호와 데이터신호를 분
리
• 가장 많이 상용화
26
9.3 디지털 응용

(8/20)
종류

ADSL(Asynchronous Digital Subscriber Line)
인터넷접속, 주문형 비디오 , 홈쇼핑, 원격 LAN접속, 멀티미디어 서비스
등을 제공하기에 적합
• 전화국 쪽으로 낮은 상향(16~640Kbps)과 가입자쪽으로 높은 하향
(1.5~9Mbps) 전송속도의 비대칭적인 전송속도 제공
• 스플리터(Splitter)라는 경계구간을 이용하여 전화신호와 데이터신호를
분리
• 가장 많이 상용화
•
27
9.3 디지털 응용
•
HDSL (High Rate Bit Rate Digital
Subscriber Line)
–
–
–
–
–
•
(9/20)
두 개의 트위스티드 페어를 이용하여
양방향 통신을 하는 대칭적인 전송형
태
중계기 없이 최대 4.2Km의 통신거리를
제공
중계기 설치에 드는 비용이 들이 들지
않아 비용이 줄어 들어 T1보다 10%의
비트 에러율이 줌
광케이블에서 가입자 위치까지 대체
전송로로 사용될 것이라고 예측
변복조 기술로 2B1Q방식과 CAP방식
을 사용
RADSL (Rate Adaptive Digital
Subscriber Line)
트위스티드 페어를 이용하며 비대칭
양방향 통신
– 해당회선의 전송사의 특징에 따라 다
양한 데이터 속도 지원
– 변복조 기술은 ADSL과 마찬가지로
DMT방식과 CAP방식을 사용
–
28
9.3 디지털 응용
•
(10/20)
SDSL (Single Line Digital Subscriber
Line)
HDSL과 비슷 , SDSL은 하나의 트위
스티드 페어를 이용
– ADSL보다 근본적인 누화 (Crosstalk)
현상 때문에 허용거리가 짧음
–
•
VDSL (Very High Rate Digital
Subscriber Line)
전화선을 이용한 서비스 중 가장 빠
른 속도 제공
– HDTV 채널 서비스 제공, 스트릿 캐
비닛(street cabinet)을 이용할 경우
300m내의 가구에 초고속 서비스 제
공, HomePNA기술과의 연계 시도
–
29
9.3 디지털 응용

분류관점
(11/20)
DSL기술의 비교
데이터 전송속도
전송거리
서비스유형
변족조 양식
응용분야
6Km에서
하향 1.5Mbps
3Km에서
하향 6~8Mbps
비대칭
DMT
CAP
인터넷, VOD, 멀티미디어,동영
상, 비대칭서비스
ADSL
상향 : 16~640Kbps
하향 : 1.5 ~ 9Mbps
HDSL
1.544 Mbps, 2Mbps
4.2 Km
대칭
2B1Q
CAP
T1,E1 서비스(WAN,LAN, 서버
액세스), 광통신 연결
RADSL
상향 640Kbps~
1Mbps
하향
600Kbps~7.5Mbps
6.3Km
비대칭
DMT
CAP
VOD, LAN, 인터넷
3.6~5.4Km
대칭
2B1Q
CAP
T1,E1 서비스WAN,LAN,접속서
비스(대칭형서비스)
300m~1.4Km
대칭
비대칭
DMT
DWMT
인터넷, VOD,멀티미디어, 원격
교육,HDTV(비대칭서비스),광통
신연결,HomePNA
SDSL
VDSL
최대 2.3Mbps
상향 1.6∼6.4Mbps
하향 13∼52Mbps
비대칭
26Mbps~13Mbps
30
9.3 디지털 응용

(12/20)
SONET/SDH


1980년대 미국과 유럽에서 각각 SONET(Synchronous Optical Network)
와 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)라는 이름으로 광통신 전송에
대한 표준화 시작
개요





SDH는 150Mbps급인데 비해 SONET는 50Mbps급
낮은 순위로 다중화 된 스트림을 합칠 때 클럭 신호의 차이 때문에 생
기는 시간 차이를 보정해 주기 위해 각 프레임 사이에 조정비트를 삽입
높은 순위의 다중화를 준동기식다중화 또는 비동기식 다중화라 하고
이 로 인한 높은 순위의 다중화 전송률을 PDH(Plesiochronous Digital
Hierarchy)라 함
서로 다른 계층적 전송 하부시스템에 따르는 문제 등을 해결
외형상 구조가 대단히 단순
31
9.3 디지털 응용
(13/20)

동기식 디지털 계위

장점
한번의 다중화와 역 다중화를 통해서 가입자까지 데이터를 전송
• 중간신호는 다중화 과정을 거치지 않아도 저속의 계위를 직접 수
용
• 운용 및 보수(OAM : Operation, Administration, and Maintenance)
가 용이
• 대역폭의 확장의 쉬움
•
32
9.3 다중화 응용

(14/20)
SONET
STS-1의 프레임 단위로 전송
• 프레임은 transport 오버헤드와 payload 영역으로 구성
• 125ms 마다 위에서 아래, 왼쪽에서 오른쪽으로 프레임 전송
• SONET STS-1 프레임 형식
•
33
9.3 다중화 응용

(15/20)
SDH
최소 전송 프레임으로
STM-1 사용
• Payload를 가상으로
구분
• SDH VC-4 payload를
갖는 STM-1 프레임 형
식
•
34
9.3 다중화 응용
•
(16/20)
가상상자 (Virtual Container)
상이한 속도 및 구조에 특성화된 신호들의 수송
– 경로 오버헤드(POH: Path Overhead)와 상자(C: Container)로 구성
–
•
포인터 (Pointer)
정상 속도보다 빠르게 또는 느리게 수신되는 VC들을 수용
– 다중화 및 역다중화 기능을 용이
– 전송 장비들의 클럭 차이로 인해 발생할 수 있는 속도차를 해결
–

SONET와 SDH의 비교
•
SONET 및 SDH의 전송속도
SONET
SDH
북미 STS level
북미 OC(Optical
Carrier) level
유럽 STM level
선로 속도
(Mps)
STS-1
OC-1
-
51.84
STS-3
OC-3
STM-1
155.52
STS-12
OC-12
STM-4
622.08
STS-48
OC-48
STM-16
2,488.32
STS-192
OC-192
STM-64
9,953.28
35
9.3 다중화 응용
•
•
•
(17/20)
기본 전송 프레임이 SONET은 STM-1의 155Mbps, SDH는 50Mbps
급의 차이
SDH는 체계적으로 다중화 하는 반면 SONET은 가상 계위 신호
(VT:Virtual Tributary)라는 하나의 중간 단위 설정
SDH와 SONET은 모두 계층화 개념, 프레임 사용, 동일한 포인터
기법등 개념 상의 차이는 없음
36
9.3 다중화 응용

(18/20)
파장 분할 다중 방식 (WDM : Wavelength Division Multiplexing)


손실이 적은 주파수 대역을 이용하여 파장이 다른 복수의 광 신호를 한 가닥의 광
섬유에 다중화
특징
양방향 전송, 이종 신호의 동시 전송 가능
 단일모드, 다중 모드 모두 사용
 회선 증설이 용이, 대용량화 가능

37
9.3 다중화 응용

(19/20)
네트워크 구조
•
방송 선택 네트워크 (Broad-and-Select Network)
보내는 신호가 다른 모든 노드로 전달, 수신할 노드는 전자 신호로 변
환
– 성형 또는 버스 토폴로지를 사용하여 네트워크를 구성
–
38
9.3 다중화 응용
•
(20/20)
파장 라우팅 네트워크 (Wavelength Routing Network)
–
–
논리적인 연결을 가지고 있는 두 노드 사이의 하나의 파장을 할당
겹치지 않는 경로에 대해 파장의 재사용 가능
39
9.4 데이터 압축

(1/9)
압축기법 분류방식

압축한 데이터의 복원성에 따른 분류

무손실(lossless) 기법
•
•

손실(lossy) 기법
•
•

압축에서 복원한 데이터가 압축전의 데이터와 완전히 일치
압축할 데이터에 어떤 변경이나 수정을 가하지 않음
복원한 데이터가 압축전의 데이터와 일치하지 않음
연속매체를 압축하는데 적당
압축 매커니즘에 따른 분류

Run-Length Encoding 방식
•

특정 문자나 데이터의 반복성을 이용
Difference Mapping
•
서로 인접한 데이터 값의 차이를 이용
40
9.4 데이터 압축 (1/9)

패턴 치환 (Pattern Substitution)
•

허프만(Huffman) 기법
•

출현 빈도가 높은 문자에 짧은 부호, 낮은 문자에 긴 부호어 할당
LZW (Lempel-Ziv-Welch) 압축 기법
•

자주 있는 패턴의 데이터 블록을 하나의 압축 부호어로 할당
통계적 성질을 이용하여 일정 패턴을 생성해 압축
데이터 압축 기법

Packed decimal 압축기법
ASCII 코드 대신 BCD(Binary-coded-decimal)을 사용하여 한바이트로 두문
자를 전송하여 압축 효과
• 예) 7의 경우 ASCII 코드 “011 0111” , BCD 코드 “0111” 전송
•

Relative Encoding 압축기법
•

특정 기준 값과의 차이만을 전송
Character suppression 압축기법
연속적으로 반복되는 문자들을 하나의 문자와 길이로 대체
• 예) aaaaabbbbcccddddeeeee -> a5b4c3d4e5
•
41
9.4 데이터 압축

(3/9)
허프만(Huffman) 방식
•
평균적인 코드의 길이를 줄이는
통계적인 압축방식
•
압축 과정
각 문자의 출현 빈도수를 구함
② 출현 빈도가 가장 적은 문자들
끼리 연결해 2진 트리를 만듬.
트리로부터 대표값을 얻음
③ 파일의 문자들을 대표값으로 압
축파일 생성
①
•
문자
빈도
A
2
B
18
C
9
D
30
E
9
F
36
압축 과정 예
–
–
100바이트의 크기를 가지며 6개
의 문자로 구성된 파일
각 문자의 출현빈도
42
9.4 데이터 압축
(4/9)
가장 빈도수가 낮은 것을 묶어 하나의 노드를 만들고 빈도의 합을 구
함
– 만들어진 노드를 새로운 문자로 간주하고 과정 반복
– 트리 구조를 완성한 뒤 각 문자에 고유의 대표 값(왼쪽 0, 오른쪽 1)을
부여
–
43
9.4 데이터 압축
–
(5/9)
압축 전과 압축 후의 파일 크기 비교
문자
빈도
원래크기
압축된 크기
차이
A
2
8*2=16
4*2=8
8
B
18
8*18=144
2*18=36
108
C
9
8*9=72
4*9=36
36
D
30
8*30=240
2*30=60
180
E
9
8*9=72
3*9=27
45
F
36
8*36=288
2*36=72
216
계
104
104*8=832
240
592
빈도를 계산할 때와 실제로 압축할 때 파일을 두 번 읽어서 처리속
도가 늦음
• 압축 파일과 트리에 대한 정보를 값이 저장하므로 효율이 낮음
•
44
9.4 데이터 압축

(6/9)
LZW 압축기법
•
•
연속된 문자열들에 대한 표를 만들고 같은 문자열이 발견되면 표
를 참조
압축 동작 과정
기억장소 내에 문자열에 대한 표를 만듬
② 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된
표에 존재하는지를 검사
③ 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 보관하고 출력파일
(압축파일)에는 해당 문자가 위치하는 주소를 기록
④ 문자열이 이미 기억장소 내에 존재한다면 출력파일에 그 문자열의 주
소를 기록
①
•
장점
–
–
•
파일을 한번 읽으므로 속도가 빠름
트리에 대한 정보저장 필요가 없어 압축 효율이 높음
단점
–
–
파일의 크기가 작을 때는 효율이 떨어짐
파일의 다른 부분에 연속된 두 개의 문자열이 존재 하지 않을 때는
압축할 수 없음
45
9.4 데이터 압축

(7/9)
정지/동영상 압축기법


중복성을 제거하는 것과 가시성의 원리를 사용
JPEG (Joint Photographic Experts Group)
ISO 산하 TC97/SC2 연구단체에서 제정
 정지 영상을 처리
 손실 기법과 무손실 기법을 수학적으로 구현
 평균 25:1의 압축률
 프레임에 모든 프레임에 대한 압축의 정보를 그대로 유지
 데이터 양이 많다는 단점


M-JPEG (Motion JPEG)
동영상의 한 프레임을 JPEG로 압축, 재생
 MPEG에 비해 효능 및 화질이 떨어짐

46
9.4 데이터 압축

(8/9)
H.261
동영상 압축 알고리즘
 높은 압축률(100:1~2000:1)과 실시간 압축을 지원
 ISDN 채널 용량은 64Kbps~1.92Mbps를 지원

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MPEG (Moving Picture Expert Group)
디지털 비디오, 오디오의 압축, 해제에 대한 표준 개발
 표준화 작업

MPEG1
• MPEG2
• MPEG4
• MPEG7
•

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:
:
저장매체의 동영상 압축표준
디지털 방송에 필요한 고화질 영상압축표준
사물이나 사람을 각각의 객체로 분할해 압축하고 표현하는 표준
디지털 멀티미디어 데이터 검색을 위한 표준
기본 아이디어 : 프레임과 프레임 사이의 공간적인 여분 내에 반복성
제거
47
9.4 데이터 압축

(9/9)
MPEG-1
영상데이터를 1/10~ 1/20으로 압축
• 최소한 초당 1.5MB의 비디오 데이터를 전송 해야 함
• 네트워크의 심한 부하를 초래 가능
•

MPEG-2
1/20~1/100의 데이터 압축률
• 1280*1024의 고해상도를 지원
• 데이터 전송시 6Mbps~11Mbps의 네트워크 지원이 필요
•

MPEG4와 MPEG7
•
한국이 표준화를 주도
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