정보통신일반 (5)

차례 제 5 장 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 데이터 스트림을 하나의 고속 데이터 스트림으로 집중화 하는 것을 다중화라 하고, 그 반대를 역 다중화라 한다 다중화 기술은 자원 ( 전송채널 ) 의 사용효율을 높이기 위해 통신 링크를 공유하자는 시도

전송 효율의 필요성   대역폭 개발과 활용   컴퓨터에서의 중요자원 중앙처리장치 (CPU), 주기억장치, 보조기억장치, 데이터베이스, 파일   통신에서의 중요 자원 : 대역폭 (Bandwidth) 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   Radio 와 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 3KHz 이다. 따라서 48KHz 의 대역폭을 갖는 채널이 있다면 이를 주파수 분할하여 12 명이 동시에 통화할 수 있다.

주파수 분할 다중화 (FDM)   FDM (Frequency-Division Multiplexing)

주파수 분할 다중화 (FDM)   세 개의 음성 채널의 FDM 의 예

주파수 분할 다중화 (FDM)  디지털 신호인 경우 보통 다중화 장치가 주파수 편이 변조 (FSK:frequency shift keying) 방식을 사용하여 아날로그 신호로 변조하게 된다.  FDM 의 장점  TDM 에 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 [M i (t), I=1,N] 는 버퍼에 입력   각 버퍼는 한 비트나 한 문자의 길이를 가짐 단말 장치와 시분할 장치의 내부 동작 속도와의 차이를 보상 하기 위해 사용   각 버퍼들이 차례로 스캔 (scan) 되어 전송할 데이터 M c (t) 가 만들어 짐 이때, 버퍼에 실제로 전송할 데이터가 없는 경우에도 타임 슬롯은 배정되며, 이러한 타임 슬롯은 무의미하게 지나감   스캔하여 만들어진 M c (t) 의 형식 그림 4.5(b)  그림 (b) 의 타임 슬롯의 길이는 전송측의 버퍼 길이와 동일하며, 일반적으로 한 비트나 한 문자로 구성   수신측은 전송되어온 데이터 M c (t) 를 역 다중화하여 적절한 수신측 버퍼에 입력

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 정적 방법으로 각 채널에 타임 슬롯을 할당하는 것   비 동기식 시분할 다중화 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 t0 와 t3, B 단말 장치가 t0 와 t1, C 단말 장치가 t1 과 t4, D 단말 장치가 t3 의 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,D2 의 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)   Data 의 저장 혹은 전송을 위해 파일의 크기를 줄이는 것   무손실 압축 Compression 후 decompression 했을 때 source data 를 100% 복원 가능한 기법   손실 압축 Source data 를 완전하게 복원은 불가능하나 압축률을 높이는데 사용   Run-Length Coding 반복되는 문자열의 압축에 사용 송신기는 압축할 수 있는 반복되는 문자열을 찾아서 3 개의 code 로 대체   압축을 나타내는 특수 문자, 반복되는 문자, 반복 문자의 개수 Fax 압축에서 많이 사용   흑백  검은색 : 1, 흰색 : 0 로 가정 입력 문자의 특성에 따라 최대 1.5 배의 압축률

데이터 압축 (Data compression)   Run-Length Coding (a) 압축 형식 ScXCc Sc : 압축을 나타내는 특수문자 X : 압축된 문자 Cc : 압축된 문자의 개수 압축되기 전 데이터압축후 데이터 $****** KOREA …..KUMI $Sc* Sc-9 KOREA Sc.5KUMI (b) 압축의 예

데이터 압축 (Data compression)   Run-Length Coding 예 예 1  원문 “AAAAAAABCCCC”(13 bytes) “AAAAAAABCCCC”(13 bytes)  압축 후 “A!7 BC!4”( 7 bytes) “A!7 BC!4”( 7 bytes) 예 2  원문 “TABBBBBBBBBBBBBBBBBBCGLM” (17 bytes) “TABBBBBBBBBBBBBBBBBBCGLM” (17 bytes)  압축 후 bytes)

데이터 압축 (Data compression)   Fax 에서의 Run-Length Coding 예 길이 : 200 비트 (a) 부호화하지 않았을 때 43W 4B 16W 1B 12W 1b 16W 4B 19W 1B 19W 1B 16W 4B 53W or (b) 단순 실행길이 부호화 길이 : 120 비트 (=15 문자 )

데이터 압축 (Data compression)   Huffman encoding 알파벳을 코드화 하는 방법 문자가 나타나는 회수에 따라 코드의 길이가 달라짐 사용빈도가 높은 문자 : 짧은 코드 사용빈도가 낮은 문자 (L, R, S, N, T 등 ) : 긴 코드

데이터 압축 (Data compression)   Huffman algorithm 각 문자가 한 개의 노드를 가지는 2 진 트리 생성, 각 문자의 빈도 할당 weight 가 가장 작은 2 개의 2 진 트리를 선택하여 새로운 트리의 좌 / 우 부 트리가 되도록 merge, 두 노드의 빈도 합이 새 트리의 빈도가 됨 2 단계 전체가 하나의 트리가 될 때 까지 반복

데이터 압축 (Data compression)   Huffman encoding 의 한계   문자의 사용빈도를 미리 알아야 함   부호화 위해 메시지를 문자단위 혹은 비트 단위로 그룹화 그래픽 및 이진 데이터의 경우 문제   Huffman 코드의 압출률   일반적으로 5 문자를 표현하기 위해서는 3 비트가 필요   Huffman code 의 경우 평균 비트 수 : 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 UNIX 의 compress, GIF 압축 )  원리 자주 반복되는 문자열을 찾아 처음에 한 번만 저장하고, 그 이후에는 해당 코드로 대치해 준다 자주 반복되는 문자열을 찾아 처음에 한 번만 저장하고, 그 이후에는 해당 코드로 대치해 준다 방법 1 : 문자열에 따라 어떤 특수 문자로 대치한다 방법 1 : 문자열에 따라 어떤 특수 문자로 대치한다 방법 2 : 사전에 등록해 둔 다음, 이후에 발생한 때는 방법 2 : 사전에 등록해 둔 다음, 이후에 발생한 때는 포인터를 나타내는 값으로 대치 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” 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”