[네트워크] 다중화 기법

다중화 기법이란?

n개의 입력과 n개의 출력

링크의 끝쪽에는 노드(시스템)들이 연결되어 있다.

1:1로 연결되면 많이 사이가 많이 복잡해진다.

 

링크의 효율성을 위해 적은 수의 링크로 연결을 하고 연결된 링크 사이를 n개의 노드들이 공유할 수 있게 하는 것

 

즉, n개의 입력이 들어오면 물리적으로 1개의 링크로(안에 많은 채널= 여러 프리퀀시를 담고 있는 대역) 효율적으로 공유를 하는 것

 

데이터링크의 효율성을 극대화하기 위해 다수의 디바이스가 단일 데이터링크를 공유하여 전송하는 효율적인 데이터 전송 기법

 

 

다중화기(Multiplexer)

n개의 입력 디바이스가 동시에 하나의 데이터링크를 상호 공유하도록 해주는 특별한 장치

역다중화기: 다중화기의 역과정을 수행(풀어주는 장치)

 

 

다중화 기법의 종류

주파수분할 다중화(FDM : Frequency Division Multiplexing) 기법

ex) 차선이라고 하면 차선이 넓다면 차선을 나누면 된다.

 

시분할 다중화(TDM : Time Division Multiplexing) 기법

ex) 각 차가 갈 수 있는 시간을 나누는 것

각 단말에서 오는 데이터에게 갈 수 있는 값을 고정해서 준다. 데이터가 없는 단말에게 할당이 되면 시간낭비가 된다.

 

통계적 시분할 다중화(Statistical TDM) 기법

데이터가 있을 때만 시간을 할당

 

주파수 분할다중화 방식 자세히(FDM)

데이터링크(채널)의 주파수 대역폭을 몇 개의 작은 주파수 대역으로 나누어서

각각을 부채널(sub channel)로 재구성한 다음, 각 부채널을 여러 개의 디바이스에 할당함으로써 각 디바이스로부터 나오는 신호를 동시에 전송하는 방식

ex) 60개 주파수를 담는 대역이라고 생각해보자. 10개씩 쪼개면 6개가 나온다. 각 채널에 10개씩 서브채널이 들어가게 된다.

 

일정한 대역폭을 가진 데이터링크의 대역폭을 나누어서 만든 부채널 상의 신호는 서로 다른 주파수 대역으로 변조(modulation)하여 전송

 

장점 : 비교적 간단한 구조, 비용 저렴, 별도의 변복조기(=캐리어 시그 널쪽으로 변조하거나 해당 캐리어 시그널에 기반해서 변조하는 것)가 필요하지 않음

 

단점 : 대역폭 낭비로 인한 채널의 이용률 저하

채널은 시간이 지나도 장치에  할당되어 있음

 

 

시분할 다중화 기법(TDM)

channel에 할당된 데이터 전송 허용시간을 일정한 time slot으로 나누고, 채널도 다시 부채널로 나누어, 각 시간 슬롯을 부채널에 순차적으로 할당하여 사용하는 방식

 

서브채널은 전체 주파수 대역을 포함하고 있다 근데 시간별로 사용이 가능

 

장점 : 비교적 간단한 구조로 되어 있어 구현이 용이, 저렴한 비용, 데이터 전송률 조절 가능

 

단점 : 시간 슬롯의 낭비

 

 

 

변조

신호의 진폭(위아래), 주파수(밀도), 위상(모양) 등 그 특성을 변화시켜 전송링크에 적합한 파형(waveform)이 되도록 변환하는 과정

수신 측 복조(demodulation) 과정

수신 측은 적절한 filter를 통해 각 부채널의 신호를 구분한 다음, 각 부채널 별로 복조(demodulation)하여 본래의 신호로 재구성

복조

변조된 신호를 원래의 신호로 되돌리는 과정, 즉 역변환 과정

 

 

통계적 시분할 다중화 기법(Statistical TDM)

동기식 시분할 다중화(무조건 나눠서 할당)의 단점(무조건 할당되기 때문에 낭비)을 보완한 기술로서, 동적으로 대역폭을 각각의 부채널에 할당하는 방식

동기 시분할 = 무조건 할당

 

t0일 때는 A,B에만 데이터가 있고

t1~t2일 때는 B,C에만 데이터가 있고

t2~t3일 때는 없고

t3~t4일 때는 A, C, D가 있다.

 

그래서 첫번째 사이클에서 C, D는 비어져서 전송된다.

통계 시분할은 첫 사이클에 데이터가 있는 것에만 할당 => A, B 할당

두 번째 사이클 => B, C 할 당

세 번째는 없고

네 번째에서는 A, C, D가 할당될 것이다.

 

각 데이터 슬롯에만 할당하는 게 아니고 진한 색으로 칸막이가 쳐져있다. 이건 데이터가 어디서부터 온 데이터인가 표시해주는 것이다. 즉, 주소

 

시간 슬롯을 데이터 전송을 하고자 하는 부채널에만 데이터 통신 기회를 허용 → 동적 할당 기법

 

장점 : 대역폭 낭비 최소화

 

단점 : 회로가 복잡해지고 비용이 증가

 

 

FDM 처리 과정

각 전화기는 비슷한 범위의 주파수 대역의 신호 발생

이 신호는 서로 다른 반송(carry) 주파수로 변조된다(f1, f2, f3)

예시)

목소리가 3개의 전화기로부터 오고 있다.

애내들을 FDM은 다른 주파수로 실어 날라주는 것이다.

다른 주파수를 담고 있는 채널에 할당하는 거니깐

3개의 다른 캐리 주파 수변 화기  f1, f2, f3 기반해서 변환한다.

혼합해서 보내면 된다.

여러 단말에서 오는 신호를 링크 하나로 만들어서 효율적으로 보내는 것

 

 

다중화 풀기(Demultiplexing)

개개의 신호를 분리하여 수신기에 전달

혼합된 신호를 필터를 통해서 각각 다른 복합 신호를 뽑아내는 것

해당 캐리 주파수를 가지고 있는 신호를 뽑아내면 원래 보이스 데이터를 가질 수 있다.

 

주파수 분할 다중화 방식의 사용 예

TV 방송, 케이블 TV 등

TV 방송 신호 : 6 MHz의 주파수 대역이 필요 (영상신호, 컬러 정보 신호, 음성신호의 전송)

 

 

 

시분할 다중화 방식이란?

채널(channel)에 할당된 데이터 전송 허용시간을 일정한 시간 슬롯(time slot)으로 나누고, 채널도 다시 부채널(sub channel)로 나누어, 각 시간 슬롯을 부채널에 순차적으로 할당하여 사용하는 방식

 

시분할 다중화 기법을 사용하는 각 부채널은 주기적으로 돌아오는 시간 슬롯을 이용하여 자신의 데이터를 전송

 

비동기식(통계적) 시분할 다중화 방식과 구분하여 동기식 시분할 다중화 방식이라 함

 

 

시분할 다중화 기법의 적용 예)

DS-1 전송 형식 (24개의 채널을 시분할 다중화)

미국 공중전화망에서 사용된 디지털 다중화 계층

 

DS(Digital Signal) 서비스

디지털 신호의 계층 구조

DS-0을 24개 묶은 채널이다.

채널 하나당 64 kbps가 흐를 수 있는 채널이다.

24개를 묶어서도 타임을 할당할 수 있다.

 

Ds-0를 24개의 TDM을 하면 1개로 묶인 DS-1이 나온다.

Ds-1을 4개로 묶으면 DS-2가 된다.

 

각 채널별로 시간 할당이 많아지면 보낼 수 있는 데이터 양도 조절할 수 있다.

 

 

아날로그 전송용 T 회선

24개의 DS-0이 묶여서 DS-1이 된다.

이를 T-1라인이라고 한다.

 

왜 1,544 Mbps가 필요한가?

보이스 데이터가 들어온다. 데이터는 주파수는 4kHz이다.

PCM을 통해서 아날로그 데이터 -> 디지털 신호로 되었다.

 

아날로그 데이터이기 때문에 표본화를 해야 한다.

초당 8000개를 샘플링, 샘플당 8비트를 이용해서 인코딩

 

그래서 초당 64,000 나온다. 그래서 64 kbps가 나온다. 이것이 24개 있으니

 

24 * 64kbps +8 kbps(오버헤드가 들어간다.) = 1,544가 된다.

 

 

왜 8kbps 오버헤드가 들어가느냐?

24개의 보이스 채널에서 아날로그 데이터가 들어오는데 초당 8000번  샘플링한다.

 

한번 샘플을 하면 각각 샘플이 타임 슬롯에 들어간다.

그 데이터가 8비트이다. 그것이 하나의 프레임이 된다.

 

프레임의 시작을 알려주는 1bit를 쓴다.

 

하나의 프레임이 나오는데  샘플링을 한번 한 것이다. 

즉, 8*24 + 1 = 193bit

 

샘플링을 8000번 하니깐 8000개의 프레임이 나온다.

 

T회선(미국, 캐나다)

E회선

유럽은 E 라인으로 불리는 T-라인 버전을 사용