Chapter 6. 대역폭 활용(BandWidth Utilization) : 다중화와 스펙트럼 확장(Multiplexing and Spreading)

1절 - 1. FDM

1절 - 2. WDM

0절. 대역폭 활용

대역폭 활용

• 특정 목적을 위해 이용 가능 대역폭을 효율적으로 사용

달성 목표	사용 요소
효율	다중화(Multiplexing)
프라이버시 & 방해전파 방지	스펙트럼 확장(Spectrum Spreading)

1절. 다중화

다중화(Multiplexing)

• 단일 링크로 여러 신호를 동시에 전송하는 기술
• n개의 장치가 단일 링크 대역폭 공유

상황 예시	결과
링크 대역폭 > 연결된 장치들이 필요한 대역폭	여분의 대역폭 낭비
매체 대역폭 > 두 장치가 필요한 대역폭	항상 n개 장치가 단일 링크의 대역폭 공유 가능

다중화 시스템 기본 형식

• 단일 데이터 링크를 통해 여러 개의 신호를 동시에 전송하기 위한 기술

구성 요소	영문 약어	영어	설명
다중화기	MUX	Multiplexer	전송 스트림을 단일 스트림으로 결합(MTO : Many To One)
다중복구기	DEMUX	Demultiplexer	스트림을 각각의 요소로 분리(OTM : One To Many) 전송 스트림을 해당 수신장치에 전달
링크	.	Link	물리적인 경로
채널	.	Channel	한 쌍의 장치 간 전송을 위한 하나의 경로

다중화 범주

1절 - 1. FDM

주파수 분할 다중화(FDM : Frequency Division Multiplexing)

• 신호들을 합성하는 아날로그 다중화 기술
• 전송되어야 하는 신호들의 대역폭 합보다 링크의 대역폭이 클 때 적용 가능
• 전송될 신호는 서로 다른 주파수의 Carrier Frequency로 변환
  • 변환된 신호들을 합쳐 하나의 Composite Signal로 만든 후 전송
• 신호가 겹치지 않도록 보호 대역(Guard Band)만큼 간격 필요

다중화 과정

1. 각 소스는 유사한 주파수 범위의 신호 생성
   • 신호들은 다중화기 내부에서 각기 서로 다른 반송 주파수로 변조(f1, f2, f3)
2. 생성된 변조 신호들은 하나의 복합 신호로 결합
   • 신호 수용 가능한 대역폭을 가진 매체 링크로 전송

다중화 복구 과정(Demultiplexing)

• 필터를 사용해 다중화된 신호를 구성요소의 신호들로부터 분리
• 개별적 신호를 넘겨받은 복조기는 반송파로부터 신호만 분리 후 수신 장치로 전달

아날로그 반송파 구조

• 전화 회사에서 사용하는 방식
• 낮은 대역폭 회선들을 높은 대역폭 회선들로 다중화
• 아날로그 회선에서 FDM 사용

FDM 응용

종류	응용 형태
라디오	AM : 530 ~ 1,700 kHz, 방송국 당 10kHz FM : 88 ~ 108 MHz, 방송국 당 200kHz
TV	54 MHz ~ 88 MHz(ch.2 - 6), 174 MHz ~ 216 MHz(ch.7 - 13) 채널 당 6 MHz
1 세대 이동전화	FDM의 BW : 10 * BW / 음성 신호의 BW : 3 kHz 사용자마다 60 kHz 수신 : 30 kHz / 발신 : 30 kHz

1절 - 2. WDM

파장 분할 다중화(WDM : Wavelength Division Multiplexing)

• 광섬유 신호 조합을 위한 아날로그 다중화 기법
  • 광 == 빛 채널 이용 : 빛으로 된 신호 전송
• 광섬유
  • 고속 데이터 전송률 이용을 위해 설계
  • 데이터 전송률 : 금속 전송 매체에 비해 높음
• Multiple light source 사용 => 하나의 signal light로 혼합(prism 사용)
• 개념적으로 FDM과 동일

• 다중 빛 소스를 단일 빛으로 결합
• 단일 빛은 다중 빛 소스로 분리

1절 - 3. TDM

동시 시분할 다중화(TDM : Time Division Multiplexing)

• 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합하는 디지털 다중화 기법
  • 동기식 TDM
  • 통계식 시분할 다중화
• 높은 링크 대역폭을 여러 연결이 공유하는 디지털 처리 방식
• 다른 발신지로부터 디지털 데이터를 하나의 시간 공유 링크로 통합

동기식 TDM

• 시간 틈새(time-slot)와 프레임(frame)
• Time slot
  • 여러 개를 Frame 단위로 group : 하나의 Frame 형성
  • duration : T/n
  • n 개의 input : 최소한 n time slot으로 frame 구성

끼워넣기(Interleaving)

• 하나는 다중화기 쪽에서 다른 하나는 다중화 복구 장치 쪽에서 매우 빠르게 도는 교환기
  • 일정한 속도로 회전하는 switch와 동일한 개념
• 교환기가 연결 앞에서 열리고 연결이 경로에 한 단위를 전송할 기회를 획득하는 과정
• 일정한 순서, 일정한 rate로 데이터 전송
• 비어있는 time slot 발생

빈 틈새(Empty Slots)

• 동기식 TDM은 효율적 X
• 발신자가 전송할 데이터가 없으면 빈 틈새 생성

데이터 전송률 관리 : 입력 측 데이터율이 상이한 경우 해결 방법

1. 다단계 다중화(Multilevel Multiplexing)

• 입력 데이터 전송률이 다른 값들에 비해 정수 배만큼 빠를 경우 사용하는 기술

2. 다중-틈새 할당(Multiple-Slot Allocation)

• 단일 입력 회선에 1개보다 많은 틈새 할당

3. 펄스 채워 넣기(Pulse Stuffing)

• 가장 높은 데이터율의 입력 회선을 주 데이터율로 설정
• 낮은 데이터율의 입력 회선에 공 비트 끼워넣기
  • 비트 패딩
  • 비트 채워 넣기

프레임 동기화(Frame Synchronization)

• 다중기와 다중화 복구 장치 사이 동기화

프레임 구성 비트(Framing Bits)

• 1개 이상의 비트를 각 프레임 앞에 끼워 넣기
• Mux와 Demux 간 Synchronization 중요
• 모든 프레임에서 Time Slot Order 일치
  • 적은 양의 추가 정보만 필요
• 각 프레임의 시작점에서 필요한 Synchronization Bits
• 1 bit/frame(0과 1 반복 : 01010101…)

디지털 신호 서비스

서비스	회선	전송률(Mbps)	음성 채널
DS-1	T-1	1.544	24
DS-2	T-2	6.312	96
DS-3	T-3	44.736	672
DS-4	T-4	274.176	4032

• 디지털 신호 제공을 위해 전화회사에서 T line(T-1 ~ T-4) 사용
  • T line
    • 디지털 라인이지만 아날로그 신호 사용 가능
    • Analog Signal => Sampling => Time Division Multiplexed

아날로그 전송용 T 회선

• 디지털 데이터, 음성, 비디오 신호 등의 전송을 위해 설계
• 아날로그 신호 표본 채집 후 시분할 다중화된다면 아날로그 전송(일반 전화통화)을 위해 사용

T-1 프레임 구조

E 회선 전송 속도

• 유럽에서 사용 : E 라인

회선	전송률(Mbps)	음성 채널
E-1	2.048	30
E-2	8.448	120
E-3	34.368	480
E-4	139.264	1920

동기식 시분할 다중화(Synchronous TDM)

• 2nd Generation Cellular Phone 회사들이 Synchronous TDM을 사용
• 각 밴드에 6명의 사용자 수용 가능
• 30 KHz * 6명 time slot
• 빈 슬롯 존재 가능성 => 효율 낮음

통계식 시분할 다중화(Statistical TDM)

• 슬롯 수가 input보다 적음
• mux에서 input의 데이터 존재 여부 조사 후 없을 경우 다음 input에 데이터 삽입

특징	설명
Addressing	N개의 입력라인에 대해서 최소 n bit의 address 필요($n = log_2N$ )
Slot Size	데이터 크기와 어드레스 크기 비율의 합리성(데이터 크기 > 어드레스 크기)
No Synchronization Bit	동기화 비트 없음
BandWidth	통계 값에 의해 link 용량 결정(link 용량 < 각 채널 용량 합)

• 입력 회선이 전송할 데이터가 존재하는 경우에만 출력 프레임 틈새 할당

대역 확산 방식(SS : Spread Spectrum)

• 서로 다른 발신지에서 오는 신호를 합해 더 큰 대역으로 변환
• 무선 응용(LAN & WAN)을 위한 설계
• 주 목적 : 도청 방지
• 확산 대역 기술에 여분의 정보 추가
• 확산 처리(Spreading Process) : 원래 신호와 독립적 진행

종류	영문 약어	영문
주파수 도약 대역 확산	FHSS	Frequency Hopping Spread Spectrum
직접 순열 대역 확산	DSSS	Direct Sequence Spread Spectrum

주파수 도약 대역 확산(FHSS : Frequency Hopping Spread Spectrum)

• 발신지 신호로 변조된 M 개의 서로 다른 반송파(원 신호 변조) 사용
• 어느 순간에는 신호가 하나의 carrier 주파수로 변조되고 다른 순간에는 신호가 다른 carrier 주파수로 변조됨
  • 긴 시간상에서 M 개 주파수로 변조
  • $B_{FHSS} » B$
• Pseudorandom noise (PN) 또는 pseudorandom code generator
  • 매 도약 구간 $T_h$에서 k-bit 패턴 생성
    • $M = 2^k$
• M 개 패턴 순서 랜덤 결정
• 패턴에 따라 주파수 결정
• M 개의 패턴이 전부 순환하면 처음부터 반복
• Bandwidth Sharing
  • 도약 주파수가 M 개이면 M 개의 채널을 하나의 BSS bandwidth로 사용
  • 각 도약 구간에 하나의 주파수를 사용 시 M-1 개의 주파수가 남고 이를 M-1 개의 다른 station이 사용 가능

FHSS 예시

1. 주파수 선택

1. FHSS 사이클

1. 대역폭 공유

직접 순열 대역 확산(DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum)

• 각 데이터 비트를 확산 코드로 n 비트 대체
• 비트에 칩(Chip)인 n 비트 코드 지정

DSSS 예시

• 무선 LAN에 사용되는 유명한 바커 순열
  • ex) n == 11