Data Communications 제 9 장 전송효율화기술

목 차 9.1 개요 9.2 다중화 기법 9.3 다중화 응용 (디지털 서비스의 계층구조) 9.4 데이터 압축 실시간 영상 미디어 정보, 디지털 방송 등 데이터 통신 기술 발전 필요 데이터 다중화 기술, 압축기술로 전송 효율 높아짐 목 차 9.1 개요 9.2 다중화 기법 9.3 다중화 응용 (디지털 서비스의 계층구조) 9.4 데이터 압축

9.1 개요 비용을 최소화하고 전송효율을 극대화하는 방법 데이터를 압축하여 전송량, 전송시간 단축 이런 경제성 실현을 위해 9.1 개요 비용을 최소화하고 전송효율을 극대화하는 방법 데이터를 압축하여 전송량, 전송시간 단축 이런 경제성 실현을 위해 다중화(Multiplexing) 링크 용량 > 데이터 전송용량 링크의 이용효율을 높임, 자원의 이용효율 높임 압축기법 전송 시간을 줄이고 전송효율을 높임

9.2 다중화 기법 (1/16) Multiplexer (다중화기) 몇 개의 저속 신호 채널들을 결합하여 하나의 물리적 통신 회선으로 전송 송신측은 여러 채널로부터 신호를 하나의 링크로 전달하도록 모아줌 수신측에서는 다시 본래의 신호 채널로 분리하여 전달

9.2 다중화 기법 (2/16) 각 채널들은 하나의 회선을 공유 회선을 통과하는 데이터들을 구별하기 위한 기준 데이터 신호를 주파수영역, 시간영역에서 구분 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

9.2 다중화 기법 (3/16) 1) 주파수 분할 다중화 방식(Frequency Division Multiplexing) 넓은 대역폭을 몇 개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용

동작 과정 특징 각각의 신호 소스가 다중화 되어, 각 신호를 각기 다른 주파수 (f1,f2,...,f6) 로 변조하여 전송 각 변조된 신호는 채널(Channel)이라고 하는 일정량의 대역을 할당 보호 대역(Guard Band)을 사용하여 인접한 채널 간의 간섭을 막음 수신부에서는 이 보호대역을 이용해 신호를 각각 분리 특징 고전적인 다중화 방법 아날로그 형태로 전송 시분할 다중화 방식에 비해 비효율적 TV, AM, FM 방송과 유선방송에 많이 사용

9.2 다중화 기법 (5/16) 2) 시분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing) 하나의 회선을 시분할하여 각각의 채널들이 타임슬롯(time slot)을 이용하여 전 송

동작과정 송신측 : 다중화기는 각 터미널로부터 입력을 제공받아 그것을 세그먼트들 로 나눔 각 세그먼트들을 고속의 공통채널 내에 번갈아 가며 할당하는 작업을 반복 수신측 : 각 신호들이 디멀티플렉서에 의해 개별신호로 분리 분리된 신호는 각 터미널에게 보내짐 특징 각 신호는 매우 짧은 지속시간을 갖는 여러 개의 슬롯으로 전송 디지털방식으로 전송 주파수 분할 다중화 방식에 비해 각 터미널의 수가 동적으로 변함 가용 주파수 대역을 최적으로 사용하기 위해 시간간격을 조절하므로 융통 성이 있음 분류 각 입력장치에 타임슬롯을 할당하는 방식에 따라 동기식, 통계식(비동기 식) 다중화방식으로 나뉨

동기식 TDM(Synchronous Time Division Multiplexing) 각 프레임 내에서의 타임슬롯(time slot) 위치가 항상 일정하게 고정 각 터미널에서 전송할 데이터의 유무 상관없이 무조건 타임슬롯할당 동작 과정 각 단말장치를 통해서 생성된 일련의 정보들이 버퍼에 저장 타임 슬롯이 할당될 때 까지 각 터미널들은 버퍼에 생성된 정보들을 저장 정해진 순서를 기다려 타임 슬롯이 할당되면 저장된 버퍼의 데이터 프레임 을 전송매체를 통해서 전송 전송된 프레임은 수신부에서 정해진 순서대로 분리 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 타임슬롯이 낭비되는 비합리적인 면

통계적 TDM(Statistical Time Division Multiplexing) : 타임슬롯(time slot) 위치를 동적으로 결정 동기식 TDM의 효율 개선을 위한 비동기식, 지능형 TDM 동작 과정 각 터미널에서 데이터가 발생하면 지정된 프레임 크기만큼 데이터를 모 아 프레임 주소영역과 함께 임시버퍼로 저장 가장 최근에 버퍼에 저장된 데이터 프레임에 타임 슬롯을 할당하여 전송 수신부에서는 수신된 프레임의 주소영역에 따라 프레임을 분리 동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교 통계적 시분할 다중화 방식이 회선을 더 효율적으로 사용

9.2 다중화 기법 (10/16) 다중화 기법 비교 동기식 TDM •모든 프로토콜에 투명성을 가짐 9.2 다중화 기법 (10/16) 다중화 기법 비교 방 식 장 점 단점 동기식 TDM •모든 프로토콜에 투명성을 가짐 •타임슬롯, 즉 대역폭이 낭비 비동기식 TDM •대역폭의 이용효율이 높음 •흐름제어가 필요하며 흐름제어를 위한 프로토콜에 의존적 •데이터 트래픽 발생비율이 고르게 분포되어있을 때 전송지연 및 성능저하 야기

9.2 다중화 기법 (11/16) 3) 코드분할 다중화 방식(CDM : Code Division Multiplexing) FDM : 모든 사람이 같은 언어로 작은 구역을 나누어 대화 TDM : 모든 사람이 같은언어로 시간을 나누어 대화 CDM : 다른 언어로 동시에 대화, 다른 언어는 잡음으로 간주 3) 코드분할 다중화 방식(CDM : Code Division Multiplexing) 정의 필요한 대역폭 보다 훨씬 넓은 대역폭으로 보내는 확산 대역 기술을 이용 잡음과 다중경로에 대한 면역성 군사용, 적에게 도청되지 않고, 적의 방해전파에도 강한 통신방식 동작 과정 송신측에서는 PSK(Phase Shift Keying : 위상변조)와 FSK(Frequency Shift Keying : 주파수 변조)를 사용하여 일차 변조 일차 변조된 신호의 대역폭을 넓히기 위해 이차 확산 변조 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래의 신호로 복구하기 위하여 이차 복 조 혹은 역 확산 역확산 된 신호는 송신측에서의 일차 확산된 신호와 거의 동등하기 때문에 일차복조 후 출력

Spread Spectrum의 기본 구조

장점 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

9.2 다중화 기법 (15/16) 4) 역 다중화(Inverse Multiplexing) 고속의 데이터 스트림을 여러 개의 낮은 속도의 데이터 스트림으로 변 환하여 전송

동작과정 특징 송신측에서 먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데 사용할 회선들을 설정 송신측에서 먼저 역다중화기가 목적지로 데이터를 전송하는데 사용할 회선들을 설정 높은 비트 전송율의 디지털 스트림을 여러 개의 낮은 비트율의 회선으 로 전송하기 위해 설정된 회선만큼의 개수로  분할 분할된 디지털 스트림은 각기 다른 회선을 통해 전송 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 지연에 민감 각 채널의 호 설정 기능 요구

9.3 다중화 응용 (1/20) 초기 전화망 통신기술을 통해 아날로그 네트워크 기반으로 서비스 제공 디지털 기술 발전으로 디지털 음성전송 실현 미국 벨사 1960년대 T급 회선 시스템 (T1 : 1.544Mbps) 유럽 E급 회선시스템 1) 디지털 서비스 계층 구조 종단 가입자에 연결된 64Kbps서비스부터 274.176Mbps 서비스 까지 5등급의 서 비스 제공 Digital Signal Service

각 단계별 서비스 DS-0 : 64Kbps의 단일 디지털 채널을 제공 DS-1 : 1.544Mbps을 제공 - 24 배의 64Kbps 에 8Kbps의 오버헤드 DS-2 : 6.312Mbps을 제공 - 96 배의 64Kbps 에 168Kbps의 오버헤드 DS-3 : 44.376Mbps을 제공 - 672 배의 64Kbps 에 1.368Mbps의 오버헤드 DS-4 : 274.176Mbps을 제공 - 4032 배의 64Kbps 에 16.128Mbps의 오버헤드

T 디지털 계층 (T-carrier) T1 프레임구조 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

Digital Service와 T 회선 T1 1.544 (64*24 +8) 24 3.152 48 T2 6.312 표준 Service line 속도(Mbps) 채널수 북미 (North America) DS-1 T1 1.544 (64*24 +8) 24 DS-1C 3.152 48 DS-2 T2 6.312 (64*96 +168) 96 (24 *4) DS-3 T3 44.736 (64*672 + 1368) 672 (96*7) DS-4E 139.264 1920 DS-4 T4 274.176 (64*4032 + 16128) 4032 (672*6)

E 디지털 계층 유럽의 전송 규격으로 32개의 채널(30 데이터 채널 + 2 신호 채널)을 그룹화 해서 사용 E1 프레임 구조 E 회선 표준 Line 속도 (Mbps) 데이터 채널 수 ITU-T 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

T 디지털계층과 E 디지털 계층의 다중화 구조

9.3 디지털 응용 (7/20) 2) DSL(Digital Subscriber Line) 일반 전화 4kHz이하 주파수 대역 실제 1쌍의 동선을 통해 1MHz영역까지 가능 그러나 , 4kHz이상의 주파수 음성은 다른 선로에 누화 발생하여 서비스 불가 DSL은 이런 누화 효과를 제어하여 기존 전화망을 이용(최소비용)하여 초고속 통신 서비스 제공 광대역통신망 구축 필요에 의해 FTTH(Fiber-To-The Home) 최적 방안 선정 시간적, 비용적 측면에서 효과 정의 비디오, 영상, 고밀도 그래픽 및 Mbps속도의 데이터 전송 지원 DSL은 회선이 아니라 모뎀을 의미

9.3 디지털 응용 (7/20) xDSL 전송거리, 상향과 하향 전송속도, 비율, 응용서비스 등의 기준 ADSL(Asynchronous Digital Subscriber Line) HDSL (High Rate Bit Rate Digital Subscriber Line) RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) SDSL (Single Line Digital Subscriber Line) VDSL (Very High Rate Digital Subscriber Line)

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 가장 많이 상용화 스플리터(Splitter) : 각 주파수 대역 사이에 상호간의 신호가 간섭 현상을 일 으키지 못하도록 경계구간을 이용하여 전화신호와 데이터신호를 분리

HDSL (High Rate Bit Rate Digital Subscriber Line) 두 개의 트위스티드 페어를 이용하여 양방향 통신을 하는 대칭적인 전송 형태 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 CAP방식을 사용 RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) 트위스티드 페어를 이용하며 비대칭 양방향 통신 해당회선의 전송사의 특징에 따라 다양한 데이터 속도 지원 변복조 기술은 ADSL과 마찬가지로 DMT방식과 CAP방식을 사용

SDSL (Single Line Digital Subscriber Line) HDSL과 비슷 , SDSL은 하나의 트위스티드 페어를 이용 ADSL보다 근본적인 누화 (Crosstalk)현상 때문에 허용거리가 짧음 VDSL (Very High Rate Digital Subscriber Line) 전화선을 이용한 서비스 중 가장 빠른 속도 제공 HDTV 채널 서비스 제공, 스트릿 캐비닛(street cabinet)을 이용할 경우 300m내의 가구에 초고속 서비스 제공, HomePNA기술과의 연계 시도

DSL기술의 비교 분류관점 데이터 전송속도 전송거리 서비스유형 변족조 양식 응용분야 ADSL 상향 : 16~640Kbps 하향 : 1.5 ~ 9Mbps 6Km에서 하향 1.5Mbps 3Km에서 하향 6~8Mbps 비대칭 DMT CAP 인터넷, VOD, 멀티미디어,동영상, 비대칭서비스 HDSL 1.544 Mbps, 2Mbps 4.2 Km 대칭 2B1Q T1,E1 서비스(WAN,LAN, 서버 액세스), 광통신 연결 RADSL 상향 640Kbps~ 1Mbps 하향 600Kbps~7.5Mbps 6.3Km VOD, LAN, 인터넷 SDSL 최대 2.3Mbps 3.6~5.4Km T1,E1 서비스WAN,LAN,접속서비스(대칭형서비스) VDSL 상향 1.6∼6.4Mbps 하향 13∼52Mbps 비대칭 26Mbps~13Mbps 300m~1.4Km DWMT 인터넷, VOD,멀티미디어, 원격교육,HDTV(비대칭서비스),광통신연결,HomePNA

3) SONET/SDH 광통신 네트워크로 진화하는 과정에서 광대역 종합정보통신망 (B-ISDN, Broadband integrated services digital network)의 표준화 기존의 E회선, T회선, 공통신 선로가 함께 네트워크 구성되는데, 1980년대 융통성있는 광통신 네트워크 실현을 위해 SONET, SDH 의 표준화 시작 SONET(Synchronous Optical Network)은 광통신 시스템에 의한 네트워크 구축을 가능하게 하기 위한 동기식 광통신망 접속방식(북미) SDH(Synchronous Digital Hierarchy)는 E1, T1, DS3 및 저속신호를 고속 광신호로 동기식 시분할 다중화하여 전송하는 방식

개요 디지털 전송 시스템의 초기 아날로그 시스템을 점진적으로 업그레이드 저속 스트림을 다중화 -> 저속신호의 클럭차로 인한 시간차 보정 -> 각 프 레임 사이 조정비트 삽입 준동기식 다중화, 유사 비동기식 다중화 PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy)라 함 SDH, SONET 이 탄생된 배경 PDH의 문제점 해결 트래픽 변환 비용,다른 벤더들 사이 호환, 복구나 테스트비용, 동기화 문제 등을 해결하기 위한 표준으로 채택

SONET STS-1(810byte)의 프레임 단위로 전송 프레임은 전송오버헤드와 payload 영역(데이터)으로 구성 전송오버헤드 : 9byte * 3byte = 27byte : 9byte(섹션 ) + 18byte (회선) 데이터 : 9byte * 87byte = 783byte SONET STS-1 프레임 형식

SDH 최소 전송 프레임으로 STM-1 (SONET의 STS-3) 사용 STM ( synchronous transmission module) 라는 기본 단위를 N개씩 묶어서 하나의 프레임 전송오버헤드 : 9byte * 9byte = 81byte : 섹션 오버헤드 = 재생섹션 + 멀티플렉싱 + 포인터 데이터 : 9byte * 261byte = 2,349byte SDH VC-4 payload를 갖는 STM-1 프레임 형식

북미 OC(Optical Carrier) level SDH 은 STM-1의 155Mbps, SONET은 50Mbps급의 차이 SDH는 체계적으로 다중화하는 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 SONET와 SDH의 비교 SONET 및 SDH의 전송속도 SONET SDH 선로 속도 (Mps) 북미 STS level 북미 OC(Optical Carrier) level 유럽 STM level 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

9.3 다중화 응용 (18/20) 4) 파장 분할 다중 방식 (WDM : Wavelength Division Multiplexing) 손실이 적은 주파수 대역을 이용하여 파장이 다른 복수의 광 신호를 한 가닥의 광섬 유에 다중화 레이저와 같은 광신호로 변환 특징 양방향 전송, 이종 신호의 동시 전송 가능 단일모드, 다중 모드 모두 사용 회선 증설이 용이, 대용량화 가능 서로다른 파장으로 발생된 광 멀티플렉서에 의해 하나의광신호로 합침 다시 광 디멀티플렉서에 의해 원래의 파장으로 광신호를 분리

네트워크 구조 방송 선택 네트워크 (Broad-and-Select Network) 보내는 신호가 다른 모든 노드로 전달 수신할 노드는 전자 신호로 변환 성형 또는 버스 토폴로지를 사용하여 네트워크를 구성

파장 라우팅 네트워크 (Wavelength Routing Network) 논리적인 연결을 가지고 있는 두 노드 사이의 하나의 파장을 할당 겹치지 않는 경로에 대해 파장의 재사용 가능

1)압축 데이터의 복원성에 따른 분류 무손실 기법 손실기법

2)압축 매커니즘에 따른 분류 Run-Length Encoding 방식 특정 문자나 데이터의 반복성을 이용 Difference Mapping 서로 인접한 데이터 값의 차이를 이용 패턴 치환 (Pattern Substitution) 자주 있는 패턴의 데이터 블록을 하나의 압축 부호어로 할당 허프만(Huffman) 기법 출현 빈도가 높은 문자에 짧은 부호, 낮은 문자에 긴 부호어 할당 LZW (Lempel-Ziv-Welch) 압축 기법 통계적 성질을 이용하여 일정 패턴을 생성해 압축

3) 데이터 압축 기법 Packed decimal 압축기법 ASCII 코드 대신 BCD(Binary-coded-decimal)을 사용하여 한바이트로 두문자를 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

허프만(Huffman) 방식 평균적인 코드의 길이를 줄이는 통계적인 압축방식 압축 과정 압축 과정 예 각 문자의 출현 빈도수를 구함 출현 빈도가 가장 적은 문자들끼리 연결해 2진 트리를 만듬. 트리 로부터 대표값을 얻음 파일의 문자들을 대표값으로 압축파일 생성 압축 과정 예 100바이트의 크기를 가지며 6개의 문자로 구성된 파일 각 문자의 출현빈도 문 자 빈 도 A 2 B 18 C 9 D 30 E F 36

가장 빈도수가 낮은 것을 묶어 하나의 노드를 만들고 빈도의 합을 구함 만들어진 노드를 새로운 문자로 간주하고 과정 반복 트리 구조를 완성한 뒤 각 문자에 고유의 대표 값(왼쪽 0, 오른쪽 1)을 부여

압축 전과 압축 후의 파일 크기 비교 빈도를 계산할 때와 실제로 압축할 때 파일을 두 번 읽어서 처리속도가 늦음 압축 파일과 트리에 대한 정보를 값이 저장하므로 효율이 떨어짐 문 자 빈 도 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 3*9=27 45 F 8*36=288 2*36=72 216 계 104 104*8=832 240 592

LZW 압축기법 GIF포맷과 PKZIP 상용압축프로그램에 적용 연속된 문자열들에 대한 표를 만들고 같은 문자열이 발견되면 표를 참조 압축 동작 과정 기억장소 내에 문자열에 대한 표를 만듬 파일에서 연속된 두 문자를 읽어 해당 문자열이 기억장소 내의 작성된 표에 존재하는지를 검사 문자열이 존재하지 않으면 문자열에 대한 정보를 보관하고 출력파일 (압축파일)에는 해당 문자가 위치하는 주소를 기록 문자열이 이미 기억장소 내에 존재한다면 출력파일에 그 문자열의 주소 를 기록

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 압 축할 수 없음

4) 정지/동영상 압축기법 JPEG (Joint Photographic Experts Group) 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

9.4 데이터 압축 (8/9) H.261 MPEG (Moving Picture Expert Group) 동영상 압축 알고리즘 높은 압축률(100:1~2000:1)과 실시간 압축을 지원 ISDN 채널 용량은 64Kbps~1.92Mbps를 지원 MPEG (Moving Picture Expert Group) 디지털 비디오, 오디오의 압축, 해제에 대한 표준 개발 표준화 작업 MPEG1 : 저장매체의 동영상 압축표준 MPEG2 : 디지털 방송에 필요한 고화질 영상압축표준 MPEG4 : 사물이나 사람을 각각의 객체로 분할해 압축하고 표현하는 표준 MPEG7 : 디지털 멀티미디어 데이터 검색을 위한 표준 기본 아이디어 : 프레임과 프레임 사이의 공간적인 여분 내에 반복성 제거

9.4 데이터 압축 (9/9) MPEG-1 MPEG-2 MPEG4와 MPEG7 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